探究壓力容器低溫低應力工況原理及其溫度調整準則研究

鞠晶

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院泰州分院泰興所，江蘇 泰州 225400）

低溫壓力容器也稱為低溫管殼換熱器，主要就是設計溫度低于或者等于-20℃，或者在環境等因素的影響之下，殼體金屬溫度低于或者等于-20℃，在對其進行操作處理中，容器壁溫始終處于低溫狀態的壓力容器。在一般狀態下，低溫壓力容器主要材質為鐵素體鋼，此種材料在溫度低到特定溫度狀態中，鋼韌性會出現快速下降的狀態，進而出現冷脆現象。壓力容器長期在此環節中影響，如果容器存在缺陷等問題，則會優化局部應力，進而出現破裂，導致出現安全事故隱患。

1 壓力容器低溫低應力工況原理

基于ASMEⅧ以EN13445背景分析，了解在標準中低溫低應力工況的理論基礎，根據主曲線斷裂韌性模型，構建全新的低溫低應力溫度調整的準則，綜合壓力容器的規范顯著，對壓力容器在碳鋼低合金鋼低溫下應用的影響因素。主要應用GB/T150.1～GB/T150.4-2011或ASMEⅧ-1對其進行設計以及制造低溫壓力容器的分析，應用第一強度理論對其進行分析計算，根據計算公式進行分析，在常規狀態下，可以有效地滿足安全性能的基本要求。

1.1 ASMEⅧ與EN13445中理論背景

在早期的低溫低應力溫度調整值主要就是綜合DWT，ESSO、寬板COD等相關結構的試驗數據分析。綜合落錘試驗結果表明在含穿透裂紋結果的應力水平在35～55MPa的影響下，即便是溫度低于無塑性轉變溫度（NDT）之下，裂紋并不會出現擴展性的變化。應力水平在降低的狀態中，結果斷裂也呈現下降的傾向，對應的材料在斷裂后，其韌性性能也會呈現下降的趨勢，則意味著在更低的溫度下整體結構也可以繼續應用。因此，在應力水平沒有結構的設計應力高的狀態下，材料的最低服役溫度則可是進行向下的調整的。但是，在早期的規則中并沒有對低應力水平下的設計溫度的調整進行全面的分析。目前，ASMEⅧ與EN13445都在不同程度出現了變化，發展了在基于斷裂力學角度的防脆斷方式，低溫低應力工況下的約束相對來說更為科學合理。

1.2 ASMEⅧ-1理論

在ASMEⅧ-1中對低應力工況中的溫度進行了調整，其準則為假定在任意的應力條件下，含有裂紋結果的應力強度因子以及相關材料的斷裂韌性的比值并不會出現變化，也就是在任意的應力水平狀態下，材料自身的韌性儲備不變，通過計算則可以確定任意應力比下的低應力溫度調整參數。

為了有效地解決在核反應堆中壓力容器出現的斷裂評定的相關問題，在規范中通過對壓力容器應用的鋼斷裂韌性數據下的包絡線進行處理，進行材料韌性預測分析。低應力溫度調整曲線直接受到參考韌性曲線的影響，并不會受到裂紋、荷載等因素的影響。同時，溫度對應的基準斷裂韌性決定容器無論是在何種的缺陷因素的影響下，在工程應用中容器缺陷的類型以及應力變化較大，而其應力強度因子甚至會高于此基準參數，這時則會增加斷裂的風險隱患。

1.3 ASMEⅧ-2中理論

在ASMEⅧ-2中的放脆斷條款中含有的缺陷結構主要為包含半橢圓內表面裂紋圓筒結構。其中設計應力主要就是通過其材料屈服強度σys的函數進行表示；而其缺陷深度則是通過板厚t的函數進行表示。在設計應力下的結構應力強度因子要低于材料斷裂韌性，通過求解等式進行計算，則可以確定最低的設計溫度TD。

為了有效地降低板厚相關性因素的影響，ASMEⅧ-2中的低應力工況溫度調整曲線中要求定t=2in（50.8mm）。根據屈服強度345MPa與450MPa分析2條調整曲線，綜合焊后熱處理對于降低殘余應力產生的影響，將曲線劃分為焊態以及焊后熱處理態兩種類型。其中應力安全系數的參數為2.4，因此，其低應力下線參數為Rts=0.24。

通過分析可以發現溫度調整值ΔT受到材料屈服強度等因素的影響，在相同的應力比下，屈服強度為345MPa則要高于屈服強度參數為450MPa的溫度調整參數的對應值。二者之間隨著Rts的逐漸減少差距會逐漸地增加，而PWHT曲線相對于AW曲線來說更大。而溫度調整值在屈服強度的上升變化中會呈現逐漸地降低影響。而在此中建立低應力工況溫度調整曲線時，要規定t的參數為2in（50.8mm），但是，要保障其配套應用的沖擊豁免曲線在AW態中的厚度上限參數為38mm，在PWHT態中的厚度上限為102mm。

1.4 EN13445理論

在此理論中，低應力工況溫度的調整支持與ASMEⅧ-2中的技術路線類似，僅僅在缺陷結構以及應力假設方面存在一定的不同。基于薄膜應力參數為50MPa時，在AW態中的調整值為40℃，而在PWHT態中其調整值則為50℃。為了有效地避免在防脆斷條款中出現相互的協調性，要通過用EN13445的低溫設計圖線強度以及板厚的參數對其進行檢驗調整。通過分析可以確定在EN13445中的低應力工況溫度調整值主要應用的區分強度參數為550MPa，而在AW態以及PWHT態下的板厚參數分別為35mm、110mm。

2 壓力容器低溫低應力溫度調整準則

2.1 壓力容器低溫低應力溫度調整準則

低應力工況的溫度調整值在實踐中受到材料的強度、板厚參數的影響，因此在建立新的溫度調整準則中，要了解σys及t對ΔT的影響規律。根據ASMEⅧ-2為基礎進行屈服強度參數為度345MPa的不同板厚狀態下的調整曲線分析，在相同的應力比參數下，AW態與PWHT態下的曲線表明了在板厚增加狀態中溫度調整值逐漸地減小。而如果板厚增加，增曲線之間的溫度差異也呈現減小的狀態。在不同的板厚曲線之間，存在的溫度差都在應力比的下降而呈現逐漸增大的狀態。

在ASMEⅧ-2中應用的板厚參數為t=2in（50.8mm），其配套的沖擊豁免曲線板厚的AW態以及PWHT態的上限參數為38mm、100mm。因為溫度調整值在板厚的增加中會呈現減少的狀態，在對其進行最低設計溫度評定分析中，AW態的結果過于保守，但是，PWHT態的結果則并非保守。基于EN13445準則進行在不同曲服強度下的低應力工況溫度調整曲線的繪制分析，可以發現在應力比一定的時候，溫度調整值則會受到屈服強度增大而出現不同程度的降低，而在不同屈服強度下的調整值距離則會受到應力比的減少而出現增大的狀態。低應力工況中溫度調整值則會受到屈服強度的增加而出現不同程度的下降，此種特性決定了在進行材料屈服強度評定中其不得高于建立溫度調整曲線應用的屈服強度值。壓力容器規范則要應用防脆斷條款應用的最高區分強度參數進行溫度調整曲線的建立。

ASMEⅧ-2對屈服強度分別為345MPa以及450MPa的材質給出了兩條溫度調整曲線參數，此種方式可以有效地減少最低強度材料應用曲線整體的保守性特征，但是也在一定程度上限制了高于450MPa的材料應用低應力工況中的溫度調整曲線。

綜上所示，低應力工況溫度調整值在板厚以及屈服強度的增加狀態中會呈現減小的變化。而低應力工況的溫度調整曲線則要保障其可以對整個防脆斷條款應用的板厚以及材料的強度范圍進行全面覆蓋處理，要具有便捷易用的特征。而綜合板厚、強度等相關因素，要保障溫度調整曲線要在放脆斷條款基礎上應用的最大板厚以及其最高強度的參數進行建立。

低應力工況中的溫度調整曲線應用斷裂韌性隨溫度變化模型，進行應力與溫度的分析，建立關系，而受到多種因素的影響，沖擊功與斷裂韌性無法建立有效的聯系，主要就是缺乏通用性的轉換關系，其對應的關系屬于經驗性，但是，僅僅是對于特定的材料，在特定的溫度區間中建立。主曲線法主要就是應用概率統計的方式進行鐵素體鋼在韌脆轉變區域中的分布狀態分析，其主要參考溫度受到斷裂韌性測試，確定為材料斷裂韌性產生的特征溫度變化。此種方式已經進行了完整性評價，在發達國家中對其進行實用性的驗證分析。基于歐美國家的相關技術，綜合缺陷結構以及應力假設，應用主曲線法進行斷裂韌性模板分析，進行低應力工況溫度調整曲線的建立，如圖1所示。通過分析，各種參數均符合應用需求。

圖1 基于主曲線法溫度調整曲線對比分析

2.2 分析討論

可見，基于ASMEⅧ與EN13445等相關標準規范進行分析，我國壓力容器規范放脆斷條款技術主要為轉變溫度法。此種方式在應用中將材料的韌性作為唯一的考量因素，并沒有對板厚參數、缺陷以及應力等相關因素對材料最低設計溫度產生的影響進行全面分析。根據研究分析，我國壓力容器應用鋼的低溫性能可以充分地保障各種材料在相對較低的溫度中應用安全性，但是，總的來說，壓力容器規范還是存在一定的缺陷性，其中，缺乏科學合理的材料，最低設計溫度確定方法是限制材料在低溫狀態下直接應用的主要因素。

在HG20585-1998《鋼制低溫壓力容器技術規定》中，綜合考ASMEⅧ-1低應力工況下的溫度調整曲線，并且制定了設計溫度的參數表，其各項數值與曲線整體保持一致，但是，綜合應力安全系數的差異性，在一定程度上調低了應力的綜合水平，低應力工況溫度調整值主要就是基于材料最低設計溫度為基礎進行分析，因此低應力工況溫度的調整曲線要配合最低設計溫度曲線進行應用。因此，在最新的版本中已經刪除了相關內容。

通過分析低應力工況溫度調整曲線，綜合低溫低應力工況的標準拓寬應用范圍，可以在一定程度上增強曲線整體的實用性。可以有效滿足在移動式低溫罐車以及罐箱用碳鋼低合金鋼中在-40℃中的應用需求，在一定程度上有效地滿足了實際的需求。

其中，曲線應用材料的屈服強度參數為550MPa，板厚在AW態中的參數為38mm；而在PWHT態中的參數為100mm，在曲線應用中，要避免其高于各項參數的上限值。高強度材料厚板結構材料的低應力溫度調整參數則要根據實際狀況進行斷裂力學評定分析，基于結構試驗對其進行判定處理。

2.3 結論

基于我國壓力容器規范要求的，低溫低應力工況規定要求進行分析，研究了相對理論知識，對板厚以及強度對低應力溫度調整值的規律進行分析，建立在曲線法上的低應力溫度調整曲線，對主要結論如下：

（1）低應力工況溫度調整值在板厚以及材料強度的增加中而出現增大的變化；應用壓力容器規范進行防脆斷調控應用的最大厚度以及其最高強度要建立在低應力工況溫度下的調整曲線。

（2）應用主曲線進行斷裂韌性模型建立基礎，進行低應力工況溫度調整準則的分析，要根據實際狀況科學合理的選材，最低設計溫度則是整個基礎性要求。

（3）我國的壓力容器應用鋼的性能可以充分地保障材料在相對更低的溫度中安全應用，在壓力容器規范中缺乏對材料合理應用的最低設計溫度評判的要求是限制其應用的主要因素。

3 結語

低溫壓力容器的使用在工業中具有重要的作用，通過科學的方式分析研究壓力容器低溫低應力工況原理及其溫度調整準則，可以有效地了解低溫壓力容器的各項因素以及性能，進而達到在設計中優化整體結構的目的，充分地凸顯其在工業生產中的優勢，這樣才可以為我國工業生產發展奠定基礎。