压力容器设计中的环境温度与最低设计金属温度

李春光 关庆贺

（中国石油辽阳石油化纤公司机械厂 辽阳 111003）

压力容器设计中的环境温度与最低设计金属温度

李春光 关庆贺

（中国石油辽阳石油化纤公司机械厂 辽阳 111003）

环境温度在容器设计中不仅影响设计压力的合理确定，而且更影响最低设计金属温度的确定直至影响材料的正确选择。通过对规程标准的解读，结合液化石油气储罐设计对此进行了讨论，认为环境温度应视为容器的特例工况条件，容器设计应将与其对应的设计压力一起作为设计载荷条件，不仅要对容器的壁厚进行校核，而且尚需根据容器的一次应力判断并确认是否需要修订完善容器设计的选材、制造及检验等技术要求，使容器设计文件正确完整，保证容器制造的安全可靠性。

容器设计 环境温度 最低设计金属温度

安装在室外无保冷设施常温储存的丁烷储罐WG0.79-2000-20型和丙烷储罐WG1.77-2000-20型[1]，设计条件及结构尺寸分别见表1和表2。

表1 丁烷储罐设计条件与结构尺寸

表2 丙烷储罐设计条件与结构尺寸

设计施工图时，如何考虑环境温度，确定最低设计金属温度。若圆筒选用Q345R，是否需提出低温冲击试验要求。

1 规程标准的解读

环境温度系TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程及释义》简称《容规》[2]和GB150[3]修订后所增加的设计条件中的自然条件，以利于设计者考虑的因素更为全面，尤其是设计常温储存容器时，最低设计金属温度的确定应考虑环境温度的影响，从而正确地进行选材。这里的环境温度系指容器使用地的月平均最低气温（月各天的最低气温值相加后除以当月的天数）的最低值，可从设计常用数据及气象资料查到。

最低设计金属温度系指容器在运行过程中设计预期的各种可能条件下各元件金属温度的最低值。容器设计确定最低设计金属温度的目的是为正确选材，合理提出材料及其焊接接头在最低设计温度下的冲击试验要求，以保证容器的安全可靠性。设计常温储存容器时，其最低设计金属温度不应高于环境温度。

若环境温度≤-20℃，则最低设计金属温度取为小于等于环境温度后，应将最低设计温度与其对应的设计压力一起作为设计载荷条件对容器进行一次应力计算，并判断是否符合“低温低应力工况”，然后再修订完善容器材料采购及制造的技术条件。值得注意的是：“低温低应力工况”系指虽符合低温界限的低温容器，但其一次拉应力却低于或等于规定的“低应力”水平（钢材标准常温屈服强度ReL的1/6且不大于50MPa）的工况[4]。

施工图中标注环境温度即限定了容器的使用地，又为确定最低设计金属温度提供了条件；而注明最低设计金属温度或“低温低应力工况”则是为容器设计确定选材、制造及检验的技术要求提供依据。值得注意的是：钢材采购应按GB150-3.7规定选用钢材的使用温度下限满足最低设计温度的韧性要求；若为“低温低应力工况”，则当最低设计温度+50℃后所得温度低于0℃但却高于或等于-20℃时，仅对容器的钢材及其焊接接头提出等于或低于所得温度的冲击试验要求；而当所得温度不低于0℃时，仅容器的材料应符合HG/T 20585-2所列材料标准的规定[5]。

2 环境温度的应用

因为，设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件是容器设计的基础数据。所以，容器设计应全面考虑并将环境温度视为特例工况条件。下面回答上面两个实例的提问，分别对环境温度应用于容器设计进行讨论。

实例1丁烷储罐：首先根据环境温度确定储罐的最低设计温度为-30℃[6]，再根据丁烷在-30℃下的蒸汽压0.028MPa（相应真空度为0.097MPa取正丁烷值）[7]，确定对应的设计压力为-0.1MPa（即设计外压为0.1MPa），然后对储罐壁厚进行外压稳定性校核，经SW6计算程序[8]校核计算，最后对储罐圆筒壁厚修订为12mmQ345R。

查丁烷在-20℃下的蒸汽压为0.072MPa（相应真空度为0.028MPa取异丁烷值)，以此设计载荷条件用SW6计算程序[6]校核卧式容器圆筒的一次应力见表3。

表3 丁烷储罐-20℃工况下圆筒的一次应力 MPa

可见，-20℃工况下储罐圆筒的一次拉应力均小于ReL/6且不大于50MPa，所以-20℃工况下使用的储罐圆筒处于“低温低应力工况”状态。尽管按GB150.2-4.1.11表4规定12mmQ345R钢板使用温度下限为-20℃，但即使是最低设计温度为环境温度-30℃时，加50℃后（为20℃）选12mmQ345R钢板也能满足冲击韧性要求，而不必增加对钢板的-20℃低温冲击试验要求。所以，无需对50℃工况的储罐设计进行修订完善。

实例2丙烷储罐：同样根据环境温度确定储罐的最低设计温度为-30℃[6]，再根据丙烷在-30℃下的蒸汽压0.167MPaA（相应表压力为0.067MPaG）[7]，确认无需考虑储罐的外压稳定性问题。

查丙烷在-20℃下的蒸汽压为0.242MPaA（相应表压力为0.142MPaG），以此设计载荷条件用SW6计算程序校核卧式容器圆筒的一次应力见表4。

表4 丙烷储罐-20℃工况下圆筒的一次应力 MPa

可见，-20℃工况下储罐圆筒的一次拉应力均小于ReL/6且不大于50MPa，所以-20℃工况下使用的储罐圆筒处于“低温低应力工况”状态，同样无需对50℃工况的储罐设计进行修订完善。

容器的其它受压元件用钢材如钢板、钢管、锻件及螺柱等的设计选材、制造与检验等技术要求以此按有关标准的规定进行修订完善的确认。

3 结束语

综上讨论，得出以下结论：

1）环境温度应视为容器设计的特例工况条件，设计时应将由环境温度确定的最低设计温度与其对应的设计压力一起作为设计载荷条件；

2）若最低设计温度对应的设计压力为真空度，则应对容器壁厚进行外压稳定性校核；

3）若最低设计温度对应的设计压力为表压力，则应对容器的一次应力进行计算，视其“低温低应力工况”情况，确认是否需要修订完善容器设计的选材、制造及检验等技术要求，以使设计文件正确与完整性，保证容器制造的安全可靠性。

1 NB/T47001－2009 钢制液化石油气卧式储罐型式与基本参数[S].

2 TSG R0004－2009 固定式压力容器安全技术监察规程及释义[S].

3 GB150－2011压力容器器及释义[S].

4 李世玉.压力容器设计工程师培训教程[M].北京:新华出版社,2005.

5 HG/T20585－2011 钢制低温压力容器技术规定[S].

6 HG/T20580－2011 钢制化工容器设计基础规定[S].

7 石智豪.压力容器介质手册[M].北京:北京科学技术出版社,1992

8 SW6－2011过程设备强度计算软件.

The Environment Temperature and Minimum Design Metallic Temperature for PressureVessel Design

Li Chunguang Guan Qinghe

The environment temperature not only affects the reasonable design pressure in the container design, but also influences the determination of minimum design metallic temperature and the proper selection of materials. Through the understanding of the discipline standard, combined with liquefied petroleum gas storage tank design, we think that ambient temperature shall be regarded as a special working condition of the container, and should be together with its corresponding design pressure as design load conditions in container design. It not only need to check the wall thickness of the container, but also need to judgment and confirm whether you need the revision consummates the container design material selection, manufacturing, inspection and other technical requirements according to primary stress. It makes the container design files correctly with integrity, to ensure the safety and reliability of the container manufacturing.

Container design Environment temperature Minimum design metal temperature

B

1673－257X(2014)06－41－02

李春光（1979～)，男，工程师，从事压力容器建造工作。

2014－02－18）