低溫壓力容器的“低溫低應(yīng)力工況”的判斷及其設(shè)計、制造的注意事項

程瑞廠+蔡占河

摘 要：低溫壓力容器是指設(shè)計溫度低于-20℃的碳素鋼、低合金鋼、雙相不銹鋼和鐵素體不銹鋼制容器，以及設(shè)計溫度低于-196℃的奧氏體不銹鋼制壓力容器。低溫壓力容器原則上應(yīng)按照低溫工況進行設(shè)計、制造、檢驗、使用和管理，但并不是所有設(shè)計溫度低于-20℃的壓力容器都按照低溫壓力容器進行設(shè)計、制造和檢驗。GB150.3-2011《壓力容器》附錄E（規(guī)范性附錄）《關(guān)于低溫壓力容器的基本設(shè)計要求》E1.4規(guī)定：對于碳素鋼和低合金鋼制容器，當(dāng)殼體或其受壓元件使用在“低溫低應(yīng)力工況”下，若其設(shè)計溫度加50℃（對于不要求焊后熱處理的容器，加40℃）后不低于-20℃，除另有規(guī)定外不必遵循關(guān)于低溫壓力容器的規(guī)定.從該文中可以理解為低溫壓力容器按照溫度和應(yīng)力工況可分為低溫工況和低溫低應(yīng)力工況兩類。如何正確理解“低溫低應(yīng)力工況”的含義，是判斷低溫壓力容器的工況是否屬于“低溫低應(yīng)力工況”的基礎(chǔ)和前提，也是進行低溫容器設(shè)計、制造的前提。本人就“低溫低應(yīng)力工況”下壓力容器設(shè)計、制造有關(guān)事項談一點自己的看法。

關(guān)鍵詞：低溫 壓力容器 制造 注意事項

中圖分類號：TQ114.15 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）09-0-02

一、“低溫低應(yīng)力工況”的含義

GB150.3-2011《壓力容器》附錄E（規(guī)范性附錄）《關(guān)于低溫壓力容器的基本設(shè)計要求》E1.4規(guī)定：“低溫低應(yīng)力工況”系指殼體或其受壓元件的設(shè)計溫度雖然低于-20℃，但設(shè)計壓力小于或者等于鋼材常溫標(biāo)準(zhǔn)屈服強度的1/6，且又不大于50MPa時的工況。（注：一次應(yīng)力是為平衡壓力與其他機械載荷所必須的法向應(yīng)力或切向應(yīng)力）

壓力容器的應(yīng)力（GB150-89釋義）分為三類：即一次應(yīng)力P，二次應(yīng)力σ和峰值應(yīng)力F。而一次應(yīng)力P又分為三種：一次總體薄膜應(yīng)力Pm，一次局部薄膜應(yīng)力Pl和一次彎曲應(yīng)力Pb。一次總體薄膜應(yīng)力的特點：沿殼體厚度方向均勻分布，影響范圍遍及整個受壓元件，一旦達到屈服點，受壓元件整體產(chǎn)生屈服，應(yīng)力不重新分布，一直到整體破壞。例如：薄膜圓筒中由壓力引起的環(huán)向薄膜應(yīng)力。一次局部薄膜應(yīng)力Pl是指應(yīng)力水平超過一次總體薄膜應(yīng)力，但影響范圍僅限于結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的一次薄膜應(yīng)力。一次彎曲應(yīng)力Pb是指平衡壓力或其他機械載荷所需沿厚度方向線性分布的彎曲應(yīng)力。

關(guān)于“低溫低應(yīng)力工況”的判斷項目，標(biāo)準(zhǔn)中提到了一次總體薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力。即對壓力容器殼體受壓元件所受的最大一次總體薄膜應(yīng)力和對法蘭、管板、平蓋等（不按總體薄膜應(yīng)力計算元件）所受的最大一次彎曲應(yīng)力是否符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)，只有最大一次總體薄膜應(yīng)力和最大一次彎曲應(yīng)力同時符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)時，該容器才能按照GB150.3附錄E中的規(guī)定進行設(shè)計、制造和檢驗。

二、“低溫低應(yīng)力工況”的判斷條件

“低溫低應(yīng)力工況”的判斷條件主要包括：設(shè)計溫度、調(diào)整后溫度，設(shè)計應(yīng)力及鋼材種類四各方面。

1.低溫壓力容器的設(shè)計溫度

1.1容器的設(shè)計溫度必須低于-20℃，否則其就不是低溫壓力容器，更不可能處于“低溫低應(yīng)力工況”。

1.2容器的設(shè)計溫度低于-100℃時，不適用于“低溫低應(yīng)力工況”。（HG/T20585.5.0.7）

2.調(diào)整后溫度

GB150.3附錄E1.4規(guī)定：對于碳素鋼和低合金鋼制容器，當(dāng)殼體或者其元件使用在“低溫低應(yīng)力工況”下，若其設(shè)計溫度加50℃（對于不要求焊后熱處理的容器，加40℃）后不低于-20℃，除另有規(guī)定外不必遵循關(guān)于低溫容器的規(guī)定。

T（△）=T設(shè)+50℃（或40℃）

T（△）——調(diào)整后溫度，；T設(shè)——容器設(shè)計最低溫度，℃。

2.1當(dāng)T（△）低于-20℃時，該容器不符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定調(diào)整后的溫度范圍。

2.2當(dāng)T（△）大于或等于-20℃時，該容器符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定調(diào)整后的溫度范圍。這個溫度范圍可分為-20℃～0℃和大于或等于0℃兩個溫度區(qū)間。

3.低溫容器的設(shè)計應(yīng)力

GB150.3附錄E1.4規(guī)定：“低溫低應(yīng)力工況”系指殼體或者其受壓元件的設(shè)計溫度雖然低于-20℃，但設(shè)計應(yīng)力（在該設(shè)計條件下，容器元件實際承受的最大一次總體薄膜和彎曲應(yīng)力）小于或者等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強度的1/6，且不大于50MPa時的工況。

GB150規(guī)定容器最大一次總體薄膜應(yīng)力是指受壓元件在載荷作用下所引起的環(huán)向薄膜應(yīng)力，這是針對受壓殼體元件。通過驗證計算受壓元件實際所承受的最大一次總體薄膜應(yīng)力是否符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)。若驗證該應(yīng)力小于或者等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強度的1/6，且不大于50MPa時，該容器的工況符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)。若容器最大一次總體薄膜應(yīng)力大于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強度的1/6或者大于50MPa時，則該容器的工況不符合標(biāo)準(zhǔn)。

GB150規(guī)定：法蘭、管板、平封頭等元件按其所受的最大一次彎曲應(yīng)力進行設(shè)計。因此，對法蘭、管板、平封頭等元件只能采用最大一次彎曲應(yīng)力（而不是最大一次總體薄膜應(yīng)力）是否小于等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強度的1/6或者大于50MPa進行判斷。若容器的最大一次彎曲應(yīng)力小于等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強度的1/6或者大于50MPa時，該容器的工況符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)；若容器的最大一次彎曲應(yīng)力大于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強度的1/6或者大于50MPa時，該容器的工況就不符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)。

對低溫壓力容器所承受的最大一次總體薄膜應(yīng)力和最大一次彎曲應(yīng)力都小于等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強度的1/6或者大于50MPa時，該容器的工況符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)；若容器只有最大一次總體薄膜應(yīng)力或最大一次彎曲應(yīng)力符合鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強度的1/6或者大于50MPa時，該容器的工況不符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)。endprint

對容器所有受壓元件都應(yīng)進行驗證計算，并且都符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)，該容器的工況才符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)。

4.低溫容器選材

GB150.3附錄E1.4規(guī)定：碳素鋼和低合金鋼適用于“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)。

4.1中、高合金鋼不適用于“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)。

4.2碳素鋼中的Q235系列鋼板不適用于“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)。

4.3鋼材抗拉強度下限值Rm≥540MPa的材料不適用于“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)。

4.4螺栓材料不適用于“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)。

5.符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)判斷

低溫壓力容器的設(shè)計溫度、調(diào)整后溫度、設(shè)計應(yīng)力（最大一次總體薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力）、鋼材種類經(jīng)判斷全部符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)時，才能確定該容器的工況符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)，才能按照“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計、制造和檢驗。若其中任一項不符合時，該容器的工況則不符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)，不能按照“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計、制造和檢驗。

三、“低溫低應(yīng)力工況”壓力容器設(shè)計、制造應(yīng)注意的事項

1.設(shè)計溫度和調(diào)整后溫度.在判斷低溫壓力容器的工況是否符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)，首先判斷容器的設(shè)計溫度（下限值）是否低于-20℃且不低于-100℃。然后判斷T（△）=T設(shè)+50℃（或40℃）是否大于等于-20℃。應(yīng)特別注意的是溫度調(diào)整并沒有改變?nèi)萜鞯摹霸O(shè)計溫度”這一參數(shù)的數(shù)值，因此，設(shè)計文件及設(shè)計圖樣中的設(shè)計溫度應(yīng)是調(diào)整前的設(shè)計溫度值，不能把調(diào)整后溫度當(dāng)作壓力容器的設(shè)計溫度值。

調(diào)整后溫度作用：一是來判斷容器工況是否符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)；二是可用于對符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器進行設(shè)計、制造和檢驗。

2.符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器，可以按調(diào)整后溫度選擇材料。調(diào)整后溫度是容器使用溫度的下限值，鋼材使用溫度范圍應(yīng)符合GB150.2第四章、第五章、第六章的有關(guān)規(guī)定。

符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器，可按常溫壓力容器進行設(shè)計、選材和制造，但母材和焊接接頭需按調(diào)整后溫度進行沖擊試驗。若調(diào)整后溫度大于等于20℃時，按20℃進行沖擊試驗；若調(diào)整后溫度大于等于0℃且小于20℃時，按0℃進行沖擊試驗；若調(diào)整后溫度低于0℃且大于等于-20℃時，按-20℃進行沖擊試驗；若材料標(biāo)準(zhǔn)中只有0℃和-20℃溫度沖擊試驗值時，還應(yīng)符合材料標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

按調(diào)整后溫度進行沖擊試驗其沖擊功應(yīng)不低于材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低值。

3.符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器選用材料應(yīng)符合GB150.2、GB150.3附錄E關(guān)于材料的規(guī)定。其許用應(yīng)力按相應(yīng)材料20℃時的許用應(yīng)力值選取或按GB150.1中4.4的規(guī)定確定。（應(yīng)注意材料使用溫度范圍）

4.“低溫低應(yīng)力工況”的定義中有“另有規(guī)定外”五個字，本人理解為：“另有規(guī)定外”是指壓力容器設(shè)計人員在設(shè)計文件中提出的有關(guān)技術(shù)方面的特殊要求（這些特殊要求可以來源于其他標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，也可以是相關(guān)工程設(shè)備設(shè)計制造的經(jīng)驗）。

5.在判斷“低溫低應(yīng)力工況”時，用于計算殼體環(huán)向薄膜應(yīng)力公式中，厚度值應(yīng)取有效厚度值，而不是名義厚度值。這是因為：計算殼體環(huán)向薄膜應(yīng)力公式是由殼體的計算厚度公式反向推導(dǎo)出來的，計算厚度的含義中，是不含鋼板厚度的負偏差和腐蝕裕量的。

6.符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器，盡管可以不必遵循低溫容器的設(shè)計規(guī)定，但應(yīng)根據(jù)容器的具體使用條件，充分考慮容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計因素和焊接接頭的特殊要求，盡可能采用GB150.3附錄E中關(guān)于低溫壓力容器設(shè)計的基本要求。

7.符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器，在同樣設(shè)計和制造條件下，進行焊后熱處理可以大大減少焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力、改善焊接接頭的組織和性能，同時也可以消除冷加工造成的殘余應(yīng)力，提高材料和焊接接頭的塑性和韌性，降低低溫條件的脆斷傾向。因此，對于不進行焊后熱處理的容器，更加慎重考慮其設(shè)計、制造和使用條件。

四、符合“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器的制造和檢驗的注意事項

1.“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器用鋼材應(yīng)符合GB150.2、GB150.3附錄E關(guān)于材料的規(guī)定，并按照規(guī)定嚴(yán)格驗收。

2.“低溫低應(yīng)力工況”標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器的焊接材料應(yīng)符合NB/T47015、NB/T47018及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其熔敷金屬含擴散氫量≤3mL/100g。

3.受壓元件的材料標(biāo)志，焊工鋼印不得采用硬印標(biāo)記。

4.容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)符合GB150.3附錄E2.3的規(guī)定；焊接接頭應(yīng)按GB150.3附錄E2.4的要求選用。

5.焊條、焊劑應(yīng)按規(guī)定進行烘干。施焊環(huán)境應(yīng)能滿足施焊的要求。

6.A、B類焊接接頭上不宜開孔；冷成型的封頭應(yīng)按GB/T25198規(guī)定進行恢復(fù)材料性能的熱處理。

7.焊接接頭幾何尺寸和表面質(zhì)量應(yīng)符合GB150.4有關(guān)規(guī)定。

8.盡管低溫壓力容器已處在“低溫低應(yīng)力工況”下，但是也要根據(jù)其具體適用條件進行綜合考慮，保證它的安全性。

五、“低溫低應(yīng)力工況”下的壓力容器設(shè)計應(yīng)用

如設(shè)計一臺低溫液化氣體儲罐，設(shè)計參數(shù)如下：設(shè)計溫度-40℃～100℃，設(shè)計壓力2.3MPa。在設(shè)計計算時，應(yīng)按設(shè)計溫度100℃、設(shè)計壓力2.3MPa進行強度計算，得出計算壁厚，然后加上腐蝕裕量和厚度負偏差，并向上圓整得到名義厚度。再根據(jù)此名義厚度，逐個對-20℃以下的各個溫度點進行驗算，驗算的應(yīng)力應(yīng)包括一次總體薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力兩部分，而非僅驗算一次總體薄膜應(yīng)力。當(dāng)全部驗算結(jié)果滿足GB150.3附錄E的規(guī)定時，方可確認在-20℃～-40℃溫度區(qū)間符合“低溫低應(yīng)力工況”的要求。endprint