低温压力容器设计的若干问题的总结和分析

摘 要：低温压力容器因工作温度较低，容易产生脆性断裂，且这种失效模式在日常生产中不易觉察，对生产和人员的安全威胁更大。这为低温容器的设计和制造提出了更为严格的要求。本文主要针对低温压力容器设计所要注意的问题进行总结和分析。

关键词：低温压力；容器设计；若干问题；总结分析

低温容器是指设计温度低于-20℃的碳钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢压力容器，以及设计温度低于-196℃的奥氏体不锈钢压力容器。低温压力容器由于使用温度低，容器所用钢材及其焊缝会由延性状态转变为脆性状态，当容器中有难以避免的缺陷时，低于材料的脆变温度受力会导致容器脆性断裂，发生灾难性事故。

低温容器发生脆裂的必要条件如下：①低温——当温度低于脆性转变温度时，材料就由韧性状态转变为脆性状态，此时，若材料内存在某种缺陷（如裂纹），就会在低应力下发生脆性破坏；②残余应力——不合理的结构设计产生应力集中，压力容器在制造安装过程中产生的残余应力可能成为脆性断裂的起源；③缺陷——由结构、材料、制造引起的缺陷，特别是裂纹较为严重，由于裂纹尖端十分尖锐，在应力作用下产生严重的缺口效应，形成很高的应力集中，使得裂纹加速扩展，在低应力下也会发生脆断。

因此，低温压力容器设计的特点就是要从材料的选用、结构设计、加工制造、热处理等各个环节保证其延展性，消除不允许存在的缺陷，消除因焊接和冷却产生的高残余应力，避免容器脆性断裂的发生。

1 低温容器设计温度的确定

在工程上，通常采用以下幾种方式来确定低温压力容器的设计温度。

当受压元件两侧有热量传递过程的时候，可根据传热计算求得在相应的温度下，沿着受压元件厚度方向的平均金属温度，可采用GB/T151-2014《热交换器》附录B中B.10所给出的公式计算。但实际工作中由于很多介质的传热系数K值和给热系数α值难以查得，所以在工程计算中，多采用经验值带入。

当受压元件和工作介质直接接触，并有外保冷或者保温措施时，可取介质的最低温度或者介质的工作温度减去5℃到10℃作为该受压元件的设计温度。

当受压元件可能受环境温度控制时，例如在寒冷地区容器置于露天或者无采暖的厂房内，受压元件的设计温度应从以下几个方面考虑确定：①对于盛装液体且介质的充装量占容器体积的1/4以上，且无保温设施的储存容器，因液体的热容量较气体大，致使受压元件的金属温度略高于冬季空气调节室外计算温度，需要把冬季空气调节室外计算温度加1℃作为该受压元件的设计温度；②对于盛装压缩气体且无保温设施的储存容器，由于气体的热容量小，受压元件的金属温度按接近于冬季空气调节室外计算温度，所以取冬季空气调节室外计算温度下降2℃，作为该受压元件的设计温度；③对于工艺参数不清楚或者不全的情况，可依据相同工况并正在运行的设备，采用实测办法确定其设计温度。

2 低温容器材料的选择

低温压力容器的材料选择主要考虑在整个工作温度区应有足够的韧性，应考虑设计温度、材料的低温冲击韧性、使用时的拉应力水平、焊接及焊后热处理等问题。

压力容器受压元件用钢，应当是氧气转炉或者电炉冶炼的镇静钢。用于设计温度低于-20℃的低温钢板和低温钢锻件，还应当采用炉外精炼工艺。（TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》和GB/T150-2011《压力容器》均有此条要求）

用于制造低温容器筒体和封头的钢板，厚度超过标准规定时，需要逐张进行超声检测：①板厚大于20mm的16MnDR和Ni系列低温钢（调质状态除外），应按NB/T47013.3-2015《承压设备无损检测》逐张进行超声检测，不低于Ⅱ级合格。（GB/T150-2011）；②用于制造低温压力容器筒体、凸形封头和球壳的钢板，厚度超过以下数值时，应按NB/T47013.3-2015《承压设备无损检测》进行超声检测，不低于Ⅲ级合格。（HG/T20585-2011）a.板厚大于16mm到20mm的钢板，每批抽检20%，最少1张。（GB/T150-2011规定合格等级不低于Ⅱ级）；b.板厚大于20mm的钢板，逐张检测；c.用作低温压力容器筒体的无缝钢管应逐根检测。

用于低温容器的锻件级别应符合以下要求：①使用温度低于-20℃且公称厚度大于200mm的低温用钢锻件，应选用Ⅲ级或者Ⅳ级锻件。（GB/T150-2011）；②低温压力容器用锻件按NB/T47009《低温承压设备用低合金钢锻件》和NB/T47010《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》，应不低于Ⅱ级要求，设计压力大于或等于1.6MPa时，应不低于Ⅲ级。（HG/T20585-2011）；

与低温压力容器受压元件直接焊接的非受压元件材料，其低温韧性及焊接性能需与受压元件匹配。

3 低温容器结构的设计

低温压力容器的强度计算按照GB/T150-2011《压力容器》标准进行，材料的许用应力按相应材料在20℃时的许用应力选取，或者按照GB/T150.1-2011中4.4确定。

3.1 在进行低温压力容器结构设计时，应充分考虑以下因素

①结构应尽量简单，减少约束；②避免过大的温度梯度；③应尽量避免结构形状的突然变化，以减小局部应力；④接管与壳体连接部位应圆滑过渡，接管端部内壁处倒圆；⑤容器的支座或支腿不得直接焊在壳体上，需设置垫板；⑥低温容器不推荐使用补强圈补强结构。（HG/T20583-2011）；⑦低温容器管法兰宜采用带颈对焊管法兰。

3.2 容器焊接接头应按下列要求选用

①A类、B类焊接接头应采用双面焊或相当于双面焊的全焊透对接接头；②对于B类焊接接头，因结构限制不能采用双面焊时，允许采用焊后不拆除垫板的单面对接接头；③C类焊接接头可采用下列形式：a.平盖与圆筒的连接，应采用全截面焊透的对接接头或T型接头结构形式；b.平盖法兰或法兰短节与圆筒的连接应采用全截面焊透的结构；若采用非全截面焊透的结构，仅适用于以下范围：设计温度t≥-30℃或者设计压力p≤1.0MPa；钢材的标准抗拉强度下限值Rm<540MPa；c.球冠形封头、半顶角大于30°的锥壳、平盖、管板等部件与壳体的连接，均应采用全截面焊透结构；④D类焊接接头中插入式接管、安放式接管、凸缘等与壳体的连接，应采用全截面焊透结构；⑤E类焊接接头除结构要求外应避免间断焊和点焊；⑥壳体拼接不得采用十字焊缝。

4 低温容器焊接中应该注意的问题

①低温容器的焊接工艺评定，包括焊缝和热影响区的低温夏比（V形缺口）冲击试验，冲击试验的取样方法，按NB/T47014的规定；②有A类纵缝的低温压力容器应制备产品焊接试件；③焊缝表面不得有裂纹、气孔和咬边等缺陷；④要严格控制焊接线能量，在焊接工艺评定所确认的范围内，选用较小的焊接线能量，以多道施焊为宜；⑤在不得在非焊接部位引弧；⑥低温容器若在热处理后返修，返修后应对返修部位重新进行热处理。

5 低温容器的无损检测和焊后热处理

5.1 低温容器的对接接头符合下列条件之一者，应进行100%射线或超声无损检测

①盛装易爆介质的容器，且设计压力大于0.6MPa者；②设计压力大于等于1.6MPa者；③壳体厚度大于25mm者；④钢材标准规定的最低抗拉强度Rm>540MPa或合金元素含量大于3%的低合金钢；⑤设计温度低于-40℃者。

5.2 低温容器的焊后热处理应符合以下要求

①球壳板厚度≥16mm的低温球罐应进行焊后整体热处理；②受压元件焊接接头厚度超过16mm时，低温压力容器或部件全部施焊工作完成后，应进行消除应力热处理。热处理工艺应与焊接工艺评定的热处理制度（温度曲线）一致；③钢板厚度大于16mm的碳素钢和低合金钢制低温换热器或元件应进行焊后消除应力热处理。

6 结语

作为压力容器的一个重要分支，低温压力容器不但具有常规压力容器的共性，而且具有其自身的独特性，为低温压力容器的设计和制造提出了更高的要求，我们应该严格按照相关规范设计和制造低温压力容器。并不断总结和分析低温压力容器设计和制造过程中产生的问题，不断地提升让低温压力容器设计以及制造的质量和水平。

参考文献：

[1]张国杰，赵振远.压力容器设计若干技术问题解析[J].化工管理，2016（09）.