低溫壓力容器設計存在的問題及防范措施

李靜文 楊巧蓮

摘 要：低溫壓力容器是石油化工產業中一種應用比較廣泛的容器，主要起儲存和運輸作用，其使用性能及運行狀態的良好性，與石油化工生產的順利、安全進行存在密切關系。與普通壓力容器設計加工條件不同，低溫壓力容器設計加工溫度較低，所用材料很容易在低溫環境下出現脆性斷裂，無法保證容器使用性能的良好性，發生容器泄露問題的幾率較大，嚴重影響了石油化工生產。針對這種現象，就需要對低溫壓力容器設計常見問題進行詳細分析，并采取有效防范措施，確保容器使用性能的良好性。

關鍵詞：低溫壓力容器；設計；問題；防范措施

基于低溫壓力容器的普遍應用，其設計與制造引起了越來越多人的關注，如何提高容器設計水平和生產質量，已經成為了行內研究熱點。就當前實際情況來看，在低溫壓力容器設計過程中，存在較多的問題有待解決，導致容器設計水平較低、生產質量較差，影響了其使用性能的良好性，不利于石油化工生產的順利、安全進行。為實現低溫壓力容器的有效應用，促進石油化工企業的良好發展，就需要加大對低溫壓力容器設計關鍵問題的研究力度。

1 低溫壓力容器簡要介紹

低溫壓力容器，是指在—20℃條件下完成設計和制造的容器，主要由儲存罐和金屬支架組成，其中儲存罐為核心部件，可以儲存液化天然氣、液化乙烯、液氮等能源，并且能夠保證儲存罐內的液態能源，在較長一段時間內不會轉換成汽化形態，比如液氮便可以保存30天以上[1]。對于低溫壓力容器設計來講，與普通壓力容器相比，溫度的影響是尤為明顯的，在低溫環境下，當達到某一臨界值時，常用鐵素體鋼材料韌性便會急劇減弱，容易出現脆性斷裂，從容器表面是無法察覺到這種問題的，隱蔽性較強，會對低溫壓力容器使用性能造成嚴重破壞，引發災難性事故，危害比較嚴重。所以，在對低溫壓力容器進行設計時，應從溫度、材料等幾方面進行重點分析。

2 低溫壓力容器設計存在的問題

設計水平高低，是影響低溫壓力容器使用性能的最主要因素，在實際設計過程中，以下幾點問題仍是比較突出的，需要進行詳細分析。

2.1 溫度控制問題

低溫壓力容器無論是在設計還是使用過程中，都對溫度有著較高要求，通常情況下，其設計制造溫度應該低于—20℃，另外，在不同溫度條件下，低溫壓力容器所呈現出的使用效果也是不一樣的。在實際設計過程中，部分設計人員缺乏對低溫壓力容器最佳設計溫度的深刻認識，也沒有將環境因素所導致的容器溫度變化考慮在內，所設定的溫度值，無法滿足實際設計需求，導致容器性能和質量較差。

2.2 材料韌性問題

所用材料自身特性，會對低溫壓力容器質量造成較大影響，雖然近些年出現了多種新型的低溫材料，在設計制作低溫壓力容器時，材料方面有了更多的選擇余地，但是，容器自身的脆弱本質卻沒有從根本上發生變化，仍然很容易出現脆性斷裂問題。低溫壓力容器所用材料存在一個脆性轉變溫度，當其所處環境溫度低于該臨界值時，材料韌性將會大幅下降，此時容器便很容易因材料脆性斷裂而出現裂縫，密閉性得不到保證，造成大量氣體泄漏。

2.3 結構設計問題

在設計低溫壓力容器時，為提高容器設計質量，需要嚴格遵循《壓力容器》設計規范標準，以此來保證設計的合理性及科學性[2]。但是，在實際設計過程中，不遵循設計要求的現象比較常見，隨意性較強，導致低溫壓力容器設計不夠規范，結構組成不合理，存在較多的質量缺陷，在投入使用后容易出現各種問題。并且，當容器結構不符合設計規定以及使用需求時，容易降低容器的硬度和強度，也容易提升容器的脆弱性，不利于低溫壓力容器的正常、安全使用。

2.4 焊接作業問題

在對低溫壓力容器進行組合配套時，是通過焊接作業完成的，焊接作業情況會對容器設計水平及制作質量造成較大影響。從當前的低溫壓力容器焊接處理情況來看，不規范焊接現象比較常見，比如所用焊接線能量過高，焊縫比較密集，并且存在交叉現象，不僅會降低容器使用性能的良好性，還會影響其美觀性。同時，沒有對焊縫進行打磨處理，其表面比較粗糙，有棱角存在問題也比較常見。另外，完成焊接作業后，沒有對殘余焊接應力加以有效處理，容器脆斷傾向比較嚴重。

3 低溫壓力容器設計存在問題的防范措施

要想提高低溫壓力容器設計水平及制造質量，就需要針對其中比較常見的問題，采取有效的防范措施。

3.1 加強溫度控制

因為低溫壓力容器對設計溫度及使用溫度都有著較高要求，所以必須加強溫度控制。首先，設計人員要明確低溫壓力容器的最佳設計溫度，根據環境變化對溫度的影響，并結合所用材料特性，將設計溫度控制在最佳范圍內。如果所用低溫壓力容器材料為低碳錳鋼，則需要將設計溫度控制在—40℃至—20℃范圍內，而對于鎳鋼材料制作的低溫壓力容器，設計溫度在—196℃至—40℃之間最為合適。只有將設計溫度及工作溫度控制在合理范圍內，才能保證低溫壓力容器使用性能的良好性[3]。

3.2 科學選擇材料

在選擇低溫壓力容器制作材料時，應保證在低溫環境下，所用材料韌性的良好性，不會出現脆性斷裂問題，不同溫度條件下，材料的韌性存在較差大差別，如果在材料中添加金屬鎳，可以對其性質進行改進和優化，當鎳含量分別為2.5%、3.5%和9%時，材料脆性轉變溫度分別為—60℃、—45℃和—196℃，所以，在選擇低溫壓力容器材料時，可以根據實際設計要求，添加適量鎳。另外，在設計過程中，還需要明確不同類型金屬冷卻速率快慢，以此為依據，平衡容器硬度和脆弱性。

3.3 簡化結構設計

確保低溫壓力容器結構設計的合理性，對提升設計水平及制作質量具有重要意義。在設計容器結構時，應堅持簡單化設計原則，一方面，需要對拐角位置進行圓滑處理，避免出現尖角和應力集中問題，也不能對焊接位置施加較大束縛力，并盡可能的降低截面溫度梯度。另一方面，需采用整體補強和厚壁管進行接管補強，保證焊縫分布的合理性，杜絕焊縫過渡集中以及交叉現象的出現。除此之外，如果構件結構比較復雜，在完成焊接作業后，需單獨對其進行熱處理。

3.4 規范焊接作業

在對低溫壓力容器進行焊接組合時，需要以JB4708為標準，通過試驗來判斷所用焊接工藝是否符合規定，確保焊接作業的規范進行。首先，焊接線能量不能過高，應采用多道焊接方式，對于非焊接區，禁止使用焊接材料引燃電弧，焊接接頭位置，應進行圓滑處理，不能出現凹凸不平、尖角等缺陷問題。其次，在焊接容器耳座、鞍座及支腿等部位時，不能直接接觸容器外表面，需要借助墊板和連接板來完成，如果焊接部位沒有受到壓力，則可采用連續焊方式。另外，在完成焊接作業后，應及時消除殘余應力，防止容器出現脆斷問題。

4 結束語

低溫壓力容器作為石油化工產業中使用比較廣泛的一種容器，其使用性能的良好性，以及運行狀態的穩定性，會直接影響到石油化工生產全過程，要想提高低溫壓力容器質量，就應該提高對其設計環節的重視力度。在具體設計過程中，要從加強溫度控制、科學選擇材料、簡化結構設計、規范焊接作業幾方面進行重點分析，才能避免低溫壓力容器設計問題的出現，以較高水平和較高質量完成容器的設計與制造，進而才能充分發揮其應用價值和應用優勢，為推動我國石油化工產業發展提供基礎保障。

參考文獻

[1]李瑞卿，王徐影.低溫壓力容器及低溫管道設計中應注意的問題[J].化肥工業，2013，（3）： 70-70.

[2]孟雅薇，葛志強.關于低溫壓力容器設計的若干問題的分析[J].科技創新與應用，2012，（32）：114-114.

[3]何禹.低溫壓力容器設計常見問題分析[J].油氣田地面工程，2012，（4）：32-33.