低溫壓力容器的“低溫低應力工況”的判斷及其設計、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按照低溫工況進行設計、制造、檢驗、使用和管理，但并不是所有設計溫度低于-20℃的壓力容器都按照低溫壓力容器進行設計、制造和檢驗。GB150.3-2011《壓力容器》附錄E（規范性附錄）《關于低溫壓力容器的基本設計要求》E1.4規定：對于碳素鋼和低合金鋼制容器，當殼體或其受壓元件使用在“低溫低應力工況”下，若其設計溫度加50℃（對于不要求焊后熱處理的容器，加40℃）后不低于-20℃，除另有規定外不必遵循關于低溫壓力容器的規定.從該文中可以理解為低溫壓力容器按照溫度和應力工況可分為低溫工況和低溫低應力工況兩類。如何正確理解“低溫低應力工況”的含義，是判斷低溫壓力容器的工況是否屬于“低溫低應力工況”的基礎和前提，也是進行低溫容器設計、制造的前提。本人就“低溫低應力工況”下壓力容器設計、制造有關事項談一點自己的看法。

關鍵詞：低溫 壓力容器 制造 注意事項

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

一、“低溫低應力工況”的含義

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

壓力容器的應力（GB150-89釋義）分為三類：即一次應力P，二次應力σ和峰值應力F。而一次應力P又分為三種：一次總體薄膜應力Pm，一次局部薄膜應力Pl和一次彎曲應力Pb。一次總體薄膜應力的特點：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，受壓元件整體產生屈服，應力不重新分布，一直到整體破壞。例如：薄膜圓筒中由壓力引起的環向薄膜應力。一次局部薄膜應力Pl是指應力水平超過一次總體薄膜應力，但影響范圍僅限于結構局部區域的一次薄膜應力。一次彎曲應力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力。

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

二、“低溫低應力工況”的判斷條件

“低溫低應力工況”的判斷條件主要包括：設計溫度、調整后溫度，設計應力及鋼材種類四各方面。

1.低溫壓力容器的設計溫度

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

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

2.調整后溫度

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

T（△）=T設+50℃（或40℃）

T（△）——調整后溫度，；T設——容器設計最低溫度，℃。

2.1當T（△）低于-20℃時，該容器不符合“低溫低應力工況”標準規定調整后的溫度范圍。

2.2當T（△）大于或等于-20℃時，該容器符合“低溫低應力工況”標準規定調整后的溫度范圍。這個溫度范圍可分為-20℃～0℃和大于或等于0℃兩個溫度區間。

3.低溫容器的設計應力

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

GB150規定容器最大一次總體薄膜應力是指受壓元件在載荷作用下所引起的環向薄膜應力，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力是否符合“低溫低應力工況”標準。若驗證該應力小于或者等于鋼材標準常溫屈服強度的1/6，且不大于50MPa時，該容器的工況符合“低溫低應力工況”標準。若容器最大一次總體薄膜應力大于鋼材標準常溫屈服強度的1/6或者大于50MPa時，則該容器的工況不符合標準。

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

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

對容器所有受壓元件都應進行驗證計算，并且都符合“低溫低應力工況”標準，該容器的工況才符合“低溫低應力工況”標準。

4.低溫容器選材

GB150.3附錄E1.4規定：碳素鋼和低合金鋼適用于“低溫低應力工況”標準。

4.1中、高合金鋼不適用于“低溫低應力工況”標準。

4.2碳素鋼中的Q235系列鋼板不適用于“低溫低應力工況”標準。

4.3鋼材抗拉強度下限值Rm≥540MPa的材料不適用于“低溫低應力工況”標準。

4.4螺栓材料不適用于“低溫低應力工況”標準。

5.符合“低溫低應力工況”標準判斷

低溫壓力容器的設計溫度、調整后溫度、設計應力（最大一次總體薄膜應力和彎曲應力）、鋼材種類經判斷全部符合“低溫低應力工況”標準時，才能確定該容器的工況符合“低溫低應力工況”標準，才能按照“低溫低應力工況”標準進行設計、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“低溫低應力工況”標準，不能按照“低溫低應力工況”標準進行設計、制造和檢驗。

三、“低溫低應力工況”壓力容器設計、制造應注意的事項

1.設計溫度和調整后溫度.在判斷低溫壓力容器的工況是否符合“低溫低應力工況”標準，首先判斷容器的設計溫度（下限值）是否低于-20℃且不低于-100℃。然后判斷T（△）=T設+50℃（或40℃）是否大于等于-20℃。應特別注意的是溫度調整并沒有改變容器的“設計溫度”這一參數的數值，因此，設計文件及設計圖樣中的設計溫度應是調整前的設計溫度值，不能把調整后溫度當作壓力容器的設計溫度值。

調整后溫度作用：一是來判斷容器工況是否符合“低溫低應力工況”標準；二是可用于對符合“低溫低應力工況”標準的壓力容器進行設計、制造和檢驗。

2.符合“低溫低應力工況”標準的壓力容器，可以按調整后溫度選擇材料。調整后溫度是容器使用溫度的下限值，鋼材使用溫度范圍應符合GB150.2第四章、第五章、第六章的有關規定。

符合“低溫低應力工況”標準的壓力容器，可按常溫壓力容器進行設計、選材和制造，但母材和焊接接頭需按調整后溫度進行沖擊試驗。若調整后溫度大于等于20℃時，按20℃進行沖擊試驗；若調整后溫度大于等于0℃且小于20℃時，按0℃進行沖擊試驗；若調整后溫度低于0℃且大于等于-20℃時，按-20℃進行沖擊試驗；若材料標準中只有0℃和-20℃溫度沖擊試驗值時，還應符合材料標準的規定。

按調整后溫度進行沖擊試驗其沖擊功應不低于材料標準規定的最低值。

3.符合“低溫低應力工況”標準的壓力容器選用材料應符合GB150.2、GB150.3附錄E關于材料的規定。其許用應力按相應材料20℃時的許用應力值選取或按GB150.1中4.4的規定確定。（應注意材料使用溫度范圍）

4.“低溫低應力工況”的定義中有“另有規定外”五個字，本人理解為：“另有規定外”是指壓力容器設計人員在設計文件中提出的有關技術方面的特殊要求（這些特殊要求可以來源于其他標準和規范的要求，也可以是相關工程設備設計制造的經驗）。

5.在判斷“低溫低應力工況”時，用于計算殼體環向薄膜應力公式中，厚度值應取有效厚度值，而不是名義厚度值。這是因為：計算殼體環向薄膜應力公式是由殼體的計算厚度公式反向推導出來的，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“低溫低應力工況”標準的壓力容器，盡管可以不必遵循低溫容器的設計規定，但應根據容器的具體使用條件，充分考慮容器的結構設計因素和焊接接頭的特殊要求，盡可能采用GB150.3附錄E中關于低溫壓力容器設計的基本要求。

7.符合“低溫低應力工況”標準的壓力容器，在同樣設計和制造條件下，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，更加慎重考慮其設計、制造和使用條件。

四、符合“低溫低應力工況”標準的壓力容器的制造和檢驗的注意事項

1.“低溫低應力工況”標準的壓力容器用鋼材應符合GB150.2、GB150.3附錄E關于材料的規定，并按照規定嚴格驗收。

2.“低溫低應力工況”標準的壓力容器的焊接材料應符合NB/T47015、NB/T47018及相關標準規定，其熔敷金屬含擴散氫量≤3mL/100g。

3.受壓元件的材料標志，焊工鋼印不得采用硬印標記。

4.容器的結構設計應符合GB150.3附錄E2.3的規定；焊接接頭應按GB150.3附錄E2.4的要求選用。

5.焊條、焊劑應按規定進行烘干。施焊環境應能滿足施焊的要求。

6.A、B類焊接接頭上不宜開孔；冷成型的封頭應按GB/T25198規定進行恢復材料性能的熱處理。

7.焊接接頭幾何尺寸和表面質量應符合GB150.4有關規定。

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

五、“低溫低應力工況”下的壓力容器設計應用

如設計一臺低溫液化氣體儲罐，設計參數如下：設計溫度-40℃～100℃，設計壓力2.3MPa。在設計計算時，應按設計溫度100℃、設計壓力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，驗算的應力應包括一次總體薄膜應力和一次彎曲應力兩部分，而非僅驗算一次總體薄膜應力。當全部驗算結果滿足GB150.3附錄E的規定時，方可確認在-20℃～-40℃溫度區間符合“低溫低應力工況”的要求。endprint