低溫壓力容器設計中的關鍵問題

孫少鵬

摘要：低溫技術的發展促進了低溫壓力容器的應用，低溫壓力容器是低溫工業中的關鍵設備，其應用日趨普遍。受低溫環境或低溫介質的影響，容器材料的韌性下降，容器可能會發生脆性破壞，這種破壞形式不呈現顯著的塑性變形，脆性破壞前沒有任何征兆，因此這種脆性破壞危害巨大，對人們的生命、財產安全產生極大的隱患。防止低溫壓力容器的脆性破壞應該從低溫壓力容器的選材、結構設計、制造檢驗等環節進行有效的控制。文章結合低溫脆斷的特點，從上述幾個方面對低溫壓力容器設計中的關鍵問題進行總結。

關鍵詞：低溫壓力容器；脆性破壞；設計；選材

中圖分類號：TH49 文獻標識碼：A

1低溫脆性斷裂的基本特征

（1）低溫脆斷的發生與材料使用溫度的降低密切相關。（2）低溫脆斷破壞時材料的塑性很低，處于脆性狀態，稱為低溫脆性斷裂。（3）斷裂時容器元件內部的應力水平低于材料的屈服強度，甚至低于材料的設計應力（許用應力），稱為低應力脆性斷裂。（4）低溫脆斷的裂紋源一般是材料自身缺陷處或幾何形狀突變處，破壞幾乎沒有宏觀的塑性變形。（5）低溫脆裂發生后裂紋擴展速度極高，在鋼材中傳播直至到達材料的高韌性區或更低的應力區，速度可達空氣聲速的2～3倍。（6）材料的脆斷斷口有晶粒狀特點，斷口平滑光亮。（7）在遠離脆斷斷口位置材料的強度和塑性仍然滿足設計要求。

2斷裂機理

一般碳素鋼和低合金鋼具有體心立方晶格結構，這種結構決定了材料隨著溫度降低強度增加而韌性降低；這類金屬材料具有冷脆特點，在溫度降低時，材料的韌性急劇下降。在溫度高于脆性轉變溫度時，材料處于韌性狀態，低于脆性轉變溫度時，材料由韌性狀態轉為脆性狀態。若容器中存在不可避免的缺陷時，在低于脆性轉變溫度時，材料就會發生脆性斷裂。因此，低溫壓力容器用鋼必須具有足夠的低溫韌性和較低的脆性轉變溫度.

3低溫壓力容器設計中的關鍵問題

3.1設計溫度的確定

在溫度不同的環境中，諸如設計，材料選擇和制造等因素的選擇是完全不同的。設計溫度基于-20°C。高于此溫度并低于此溫度時，設計有很大差異。，在設計過程中的正確設計溫度應當由設備進行設置，溫度和設計壓力應該在設計載荷被認為是和溫度，環境溫度、介質溫度、保溫或者保冷措施應依次進行分析。設計溫度為在可以通過以下方法來確定該項目的低溫壓力容器：沿著所述橫截面厚度的元件的金屬的平均溫度被稱為金屬溫度的系統，并且當所述流體的溫度是在元件溫度的兩側不一致，表面溫度可被如果計算計算表面溫度。計算傳熱計算模式。當執行特定操作時，必須捕獲所有數據。這些方法包括：流體與壁之間的熱傳遞，引導金屬熱元件，土壤的熱阻等。然而，許多數據的目前不能被檢測到，如介質的傳熱系數，熱系數的值的K值阿爾法因此，實際計算主要基于經驗。對于目前具有生產設施的相同類型的容器，加壓部件的金屬部件的溫度通常在實際測量中被測量是正確的。對于露天工廠或沒有加熱措施的工廠中的容器，夾套的溫度必須考慮周圍空氣溫度條件的影響。

3.2低溫壓力容器界線問題

在對低溫壓力容器的使用期間的界線進行確定時，通常會定義在-20℃，但在對材料的低溫狀態下性能判斷仍然存在誤差問題，這樣并不能達到理想的使用效果，對于低溫界線的確定也是從缺口部分來進行的。鋼材料在壓力環境下，自身使用性能穩定性會發生很大的變化，因此在設計期間會將壓力控制在材料所能夠承受的范圍內，這樣才不會造成嚴重的隱患問題。鋼材在設計階段所選擇的厚度與使用溫度有很關系，進入到低溫使用環境下，需要將鋼材的厚度加大，這樣才能夠確保其內部壓力保持在使用穩定的環境下，但目前的設計環節中由于對低溫界線確定不明確，在此基礎上開展的后續設計也不能判斷出合理的鋼材選擇厚度，長時間在這樣的環境下不利于壓力容器的安全使用.

3.3壓力容器的焊接問題

在對接縫處進行焊接處理時，需要根據使用中的壓力值計算來進行，這樣才能更合理地判斷其中所存在的問題。焊接材料選擇，焊接過程中的溫度控制都很容易出現誤差問題，需要在設計階段對這些參數值做出計算，在此基礎上開展的焊接施工才能更加安全穩定。焊接問題在設計階段比較常見，同時也關系到設計任務開展是否可以順利進行。壓力容器的密閉性一旦不達標，使用期間會出現不同程度的泄漏問題，威脅到使用者的人身安全，對內部材料也不能起到保護作用。在對焊接接頭部分的系數進行計算確定時，根據常見的技術性問題來探討其原理，確定焊接接頭系數有利于容器制作過程對焊接時間的控制。針對壓力容器的使用安全以及焊接問題，設計人員要嚴格按照規定來進行計算，并以提升使用安全性為前提，在此基礎上重點探討可能遇到的問題，在焊接處理過程中針對常見問題采取規避措施，達到更理想的工作效果，最終的工作質量也能夠得到保障。明確了設計階段常見的問題，有針對性的采取解決預防措施，更有助于提升工作任務的完成質量，壓力容器使用過程中的安全控制也更能順利進行.

3.4低溫壓力容器結構設計

由于低溫壓力容器主要在低溫下使用，溫度的變化易對容器強度及穩定性造成影響，所以在進行結構設計時，應盡量消除應力集中的尖角部位。除此之外，在進行結構設計時，還應注意以下幾點：①低溫壓力容器結構要盡量簡單，以此減少焊接的復雜性；②盡量減少局部出現高應力，控制結構形狀突變幾率；③考慮溫度梯度對結構的影響；避免截面應力的劇烈變化；④避免焊接過程中將容器支座的焊點設計在殼體上；⑤進行補強處理時，應盡量選用整體補強方案，厚壁管補強次選。

3.5低溫壓力容器的檢驗

低溫壓力容器由于使用條件較為苛刻，對材質強度及整體穩定性的要求較高，需要進行較為嚴格的檢驗。根據設計要求裝載易燃易爆和有毒物質的壓力容器，必須全部進行射線或者超聲檢測。在對接頭進行局部射線檢測時，要求檢測長度高于接頭長度的50%。在低溫壓力容器液壓試驗時，要求測試液體溫度接近容器設計的最低溫度。在進行低溫壓力容器抗沖擊試驗中，對于抗沖擊材料的吸收功需要對照設計標準按批逐件進行，有條件的還要進行復驗.

3.6制造與檢驗

在完成設計過程后，必須在制造容器之前進行若干測試和處理，以確保產品的質量，例如：B.熱處理和松弛熱處理。對于熱成型，熱成型和其他成分，其形成后，熱處理以達到更好的使用。每一步的檢查都與成品的質量密切相關。對于容器壁厚>25mm且環境溫度為-40℃的A型和B型焊縫，應進行超聲波或全光束測試。此外，低溫壓力容器還必須對A型和B型焊縫進行所需的無損檢測，并重新測試其重要部位。試驗長度不應小于250毫米，不應短于其焊接接頭的長度。一半。如果進行液壓測試，則流體溫度必須大于或等于接頭和殼體材料的沖擊測試溫度加上20℃如果溫度不同，液體溫度必須更高。

設計者應認真研究標準和法規的技術及管理規定，提高解決壓力容器設計問題的能力，特別是解決特殊結構壓力容器的能力，以增加設計、建造中的技術含量，保障壓力容器安全。

參考文獻：

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