低溫下壓力容器設(shè)計需注意的問題框架構(gòu)建

摘 要：低溫壓力容器的設(shè)計工作繁雜，要求較高的嚴密性。一般情況下，設(shè)計壓力容器的溫度低于-20℃時，由于壓力容器存在一定缺陷與殘余應力等問題，導致容器局部的應力過高，進而造成容器的塑性變形，使容器出現(xiàn)脆性破裂，造成嚴重的安全事故發(fā)生。基于此，本文對低溫下設(shè)計壓力容器這一問題作出分析，簡要闡述了低氣溫下設(shè)計壓力容器需要注意的材料與結(jié)構(gòu)等環(huán)節(jié)，旨在提高壓力容器的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：低溫;壓力容器;設(shè)計要點

低溫技術(shù)屬于工業(yè)裝置，在存儲、運輸氣體與液體方面有著重要作用，使低溫壓力容器受到廣泛應用。但壓力容器的溫度偏低，極大程度上增加了容器金屬的脆性，當溫度低于正常水平后，自然會發(fā)生脆性破壞的問題。除此之外，低溫壓力容器通常直接發(fā)生脆性破裂，小范圍塑性變形的可能性不高，極易造成事故發(fā)生。

1 設(shè)計低溫壓力容器的三點問題

1.1 設(shè)計低溫壓力容器的材料

制造低溫壓力容器的材料應當具備良好的沖擊韌性，重點是在缺口位置與低溫環(huán)境下，由裂紋的敏感度以及微觀變形具體性能所決定的，決定容器后期脆性破裂的重點位置即缺口。設(shè)計低溫壓力容器的主要問題為材料，而材料的主要問題是由沖擊韌性沒能符合標準造成的。例如受壓與非受壓材料，以及所需的連接元件等，都是材料設(shè)計的問題。例如，受壓材料，研究分析低溫壓力容器在溫度設(shè)計方面的不同影響。受壓材料存在較多類型，具有一定差異，導致在低溫環(huán)境下，造成脆性破裂的原因也不相同。以碳錳鋼為例，碳錳鋼的使用溫度應控制在-40℃以上，若環(huán)境不符合此標準，就會造成容器出現(xiàn)脆性斷裂的情況，即韌性問題。在設(shè)計低溫容器的過程中，受壓材料的使用比例較高，對低溫容器影響巨大。此外，不僅是韌性問題，更需要周密控制設(shè)計材料處于低溫環(huán)境下，發(fā)生的裂紋擴展以及塑性變形問題，才能有效保障壓力容器在低溫條件下，符合設(shè)定標準。

1.2 設(shè)計低溫壓力容器的溫度

設(shè)計低溫壓力容器時應注意的溫度問題，是指工作溫度應當符合實際溫度，設(shè)計低溫壓力容器時，若出現(xiàn)非正常問題，會導致設(shè)計過程中所需的金屬材料與設(shè)定溫度不符。因此，設(shè)計低溫壓力容器時，需要嚴格按照國家制定的相關(guān)標準，針對各個類型的材料需要具備對應的設(shè)計溫度，若溫度不符合要求，后續(xù)設(shè)計容器時的效果會受到不良影響。如，原定的設(shè)計溫度應控制在-20℃，才能確保設(shè)計低溫壓力容器時的穩(wěn)定性，但在實際的制造過程中，將溫度控制在-10℃或-15℃之間，溫度與設(shè)計標準不一致，導致所設(shè)計出的低溫壓力容器與溫度標準不符。并且，在設(shè)計低溫壓力容器時，應高度重視設(shè)計的溫度問題，明確溫度高低對設(shè)計低溫容器的整體影響，情況嚴重時，若溫度與標準不符，會遺留一定的安全隱患，導致后續(xù)的工作中無法正常使用低溫壓力容器。

1.3 低溫壓力容器的焊接

需嚴格設(shè)計低溫壓力容器的焊接問題。在焊接容器時，所采用的方法、后期處理及焊接設(shè)計，需要嚴格按照相關(guān)規(guī)定進行，復驗的過程中能夠發(fā)現(xiàn)一些焊接設(shè)計問題。因此，設(shè)計并制造低溫壓力容器后，需要進行反復的檢驗與查驗，其目的是為了降低后續(xù)使用容器時發(fā)生的一些不良破壞問題。例如，某個低溫壓力容器在制造過程中，使用鋼板焊接筒體與封頭，在制造過程中沒能發(fā)現(xiàn)異常問題，但經(jīng)過檢驗時，檢測出連接部位的鋼板厚度超出標準要求，由此得知容器的焊接環(huán)節(jié)不合格。除此之外，低溫壓力容器在焊接時，也會出現(xiàn)一些其他問題，如焊縫不合格，這種情況會導致低溫壓力容器存在一定的安全隱患。

2 解決設(shè)計低溫壓力容器問題的三點措施

2.1 解決設(shè)計材料的措施

沖擊韌性能夠檢驗低溫壓力容器的設(shè)計材料是否與標準要求相符。材料韌性與低溫之間息息相關(guān)，二者相輔相成。溫度越高，沖擊韌性的性能也更好，同時，隨著溫度上升數(shù)值，能夠良好表現(xiàn)沖擊韌性的性能。高強鋼溫度在升高時，其沖擊韌性也會小幅度增加。提高低溫壓力容器的沖擊韌性有兩種方法，一是將鎳元素加入到低溫壓力容器的設(shè)計中，加入后能夠使低溫壓力容器的材料發(fā)生改變，防止集中應力，這樣能夠有效提高容器的機體韌性，容器中的鎳元素含量在13%以上時，幾乎不會發(fā)生容器脆性斷裂的問題。因此，將鎳元素積極推行到低溫壓力容器的材料設(shè)計中，能夠良好保障容器的沖擊韌性。又比如，將V、Nb等適當加入到容器的鋼材料中，能夠與鋼材料發(fā)生一定反應，形成化合物，并呈現(xiàn)出粒子狀態(tài)，有效擴大了容器晶界面積，并確保低溫壓力容器鋼結(jié)構(gòu)具備良好的低溫韌性。

2.2 解決溫度問題的措施

設(shè)計低溫壓力容器的溫度應當將其控制在，正常的條件下。同時，其設(shè)計溫度應當高于容器所使用的，最低溫的金屬材料，并遵循國家制定的相關(guān)標準進行溫度的設(shè)計。我國設(shè)計低溫壓力容器的溫度要求數(shù)值十分明確，可以參照國家的相關(guān)要求進行溫度設(shè)計。低溫情況下的容器在工作時，材料強度不可超過500MPa，這樣才能確保低溫壓力容器的穩(wěn)定性能。在進行溫度設(shè)計時，需要充分考慮材料、工藝與檢測，可根據(jù)設(shè)計的溫度標準增加50℃，使低溫壓力容器發(fā)生脆性破裂的可能降低。在解決溫度問題時，應當進行低溫壓力的檢測，保障其溫度設(shè)計符合標準。

2.3 解決焊接問題的措施

首先，低溫壓力容器進行焊接時，應當嚴格遵循我國相關(guān)規(guī)定完成焊接。行業(yè)相關(guān)人員需要自行編制出焊接壓力容器的工藝指示，將低溫壓力容器的各項焊接操作明確指出，并進行相關(guān)的評估檢測工作，檢測低溫壓力容器的焊接設(shè)計是否達標。其次，使用焊接線時，應合理應用，最大限度保障低溫壓力容器的兩側(cè)機體材料與標準相符。最后，在進行低溫壓力容器的焊接設(shè)計時，應當充分考慮焊接工藝的評定，參照其具體結(jié)果，盡量選擇能量小的焊接線在規(guī)定范圍中應用，這樣能夠有效避免低溫壓力容器存在過多的焊接線，相關(guān)工作人員可以采取多道焊接的方式，提高低溫壓力容器的穩(wěn)固性能。

3 設(shè)計低溫壓力容器需注意事項

低溫壓力容器在設(shè)計的過程中，會出現(xiàn)較多問題，這些問題會對容器整體的制造與后期使用帶來不良影響。因此，在設(shè)計低溫壓力容器時，應當注意容器的使用材料與實際溫度，并做好焊接工作。同時，需要明確三者之間的關(guān)系，設(shè)計容器時的溫度與材料存在載荷條件，容器各個位置在焊接金屬時也會受到溫度的控制。低溫壓力容器在設(shè)計的過程中需要注意，保證設(shè)計的穩(wěn)定性與安全性，做好焊接的熱處理，降低焊接部位的應力，有效防止容器發(fā)生脆性破裂，使低溫壓力容器符合標準要求。在設(shè)計低溫壓力容器時，其需要遵循的要求與標準較多，因此需要相關(guān)人員做好記錄工作，確保將各個環(huán)節(jié)與步驟的設(shè)計內(nèi)容精準記錄，這樣能夠有效幫助設(shè)計人員，提高設(shè)計低溫壓力容器的水平。此外，應當組織好設(shè)計低溫壓力容器試驗各項評定的具體應用，并借助規(guī)范化的試驗操作流程，保障低溫壓力容器能夠符合相關(guān)使用標準。

4 結(jié)束語

隨著低溫壓力容器的不斷普及，其工藝設(shè)計與制造與普通壓力容器相較具有諸多差異，低溫壓力容器逐漸受到廣泛關(guān)注與認可。在設(shè)計低溫壓力容器時，需要嚴格按照相關(guān)標準進行檢驗，確保其制造過程與結(jié)果符合相關(guān)要求。在處理低溫容器中的常見問題時，應當綜合考慮實際情況，不斷提高低溫壓力容器的質(zhì)量，確保其持續(xù)發(fā)展。

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作者簡介：

安然（1988- ），女，漢族，遼寧省鞍山市人，中級工程師，本科，主要研究方向：壓力容器及非標設(shè)備設(shè)計。