低温压力容器设计中的关键问题

李长龙 杨博

摘 要：在工业生产中，低温压力容器的使用非常普遍，低温压力容器的安全稳定运行对于工业生产具有非常重要的意义。在对其进行设计的过程中，应该在选材方面给予足够的重视，要对材料的性能和各项指标范围进行确定，保证在温度下降的情况下，材料的脆变温度在自身的承受范围内，不会因为超出限度而发生脆断。文章从金属温度、材料的选择、结构设计以及焊接等方面进行了阐述，对于低温压力容器的设计具有非常重要的意义。

关键词：低温压力容器；设计温度；结构

低温压力容器由于其设计的环境温度较低，而且在操作过程中其壁温处在一个较低的温度下运行，所以对其钢材的抗拉强度及屈服点等都有严格的要求。目前低温压力容器在石油化工企业的生产、贮运等环节中中得到广泛的应用，其为生产企业提来一定便利的同时，由于其自身工作温度较低，容器材料脆性较差，所以在拉应力作用下极易发生脆性破坏。低温压力容器由于其元件在拉应力作用下，一旦超出材料自身屈服强度，则会发生脆性破坏，而且在低温压力容器发生脆性破坏前，其容器结构并不会有大范围的整体屈伸迹象及明显的征兆，通常不会出现或是只会出现极小的局部塑性变形，对生产的安全性带来较大的影响。所以在进行低温压力容器设计时，其具有较高的要求及标准。

1 金属温度的确定

设计温度是低温压力容器设计中非常关键的一个因素，所以需要对设计温度进行确定，因为不同的设计温度其在设计、选材和制造方面的影响也会有所不同。所以需要在实际设计工作中，根据设计的载荷条件、环境温度、介质的温度和保温、保冷的要求等多方面对具体问题进行分析，从而对设计温度进行确定。

1.1 低温压力容器金属温度的确定，其理论上是指沿截面厚度的温度平均值，但元件金属两侧的流体温度不同时，其可以通过流体与壁面间的给热、污垢热阻和元件金属的热量传导等利用传热计算来对金属的表面温度进行确定，但在实际设计工作中，由于介质传热系数和给热系数的值不容易确定，所以实际计算都是以经验值来进行的。

1.2 以物料温度确定金属温度。低温压力容器其受压元件与工作介质直接接触时，而且压力容器外部具有良好的保温或是保冷设施时，这时壁体的与环境温度极为接近，或是壳体壁温与物料温度接近时，这时在设计时就可以将金属温度取为物流温度。

1.3 而对于一些已经在生产运行当中进行应用的低温压力容器，由于其属于同类，所以在设计时对其金属温度进行确定时，则直接通过实际测定来确定即可。

1.4 部分车间或是厂房内部分容器处于露天或无采暖的情况下进行放置，这时容器由于处于自然温度下，所以其壳体的金属温度在设计时要对其低温环境下受到气温条件的影响因素进行充分的考虑。

2 低温压力容器材料的选择

低温压力容器由于具有其特殊性，所以在选材上需要对其设计温度、材料的韧性、壁厚、拉应力、焊接等问题进行充分的考虑，同时还需要对低温压力容器的用途、使用条件和安全要求等进行补充要求的提出，从而确保选材的科学性。

2.1 低温容器受压元件用钢材应是镇静钢，承受载荷的非受压元件也应该是具有相当韧性且焊接性能良好的钢材。

2.2 对于低温状态下的用钢，都需要经过正火处理，因为经过正文处理后的钢不仅可以有效的减少终轧温度和冷却速率不同而引起的显微组织不均匀，，同时对钢材无塑性转变温度也会有所降低。

2.3 对低温用碳素钢和低合金钢各类钢材，除因材料截面尺寸太小，必须按HG20585标准要求进行低温夏比V型缺口冲击试验。

2.4 对于低温容器用碳素钢和低合金钢壳体钢板，当钢板厚度8>20mm时，应按JB/T4730逐张进行超声波检测，合格级别为Ⅲ级。

2.5 奥氏体高合金钢螺栓材料使用在一100℃以下时，可以考虑经应变硬化处理以保证需要的强度。奥氏体高合金钢使用在一196℃以下，还应考虑某些附加材料试验要求。

2.6 使用温度在-100℃到-70℃区间的低合金钢材料，目前国内尚无适用的钢材产品，可以选用国外的适用材料，或是直接选用奥氏体高合金钢。

2.7 焊接材料的选择比较关键，应该按照母材的成分和性能进行选择，尽量选择相近的材料，并且具有低温韧性。选择焊条时，以低氢碱性为佳，埋弧焊的焊剂以碱性或者中性为佳。

3 低温压力容器的结构设计

低温压力容器要进行结构设计时，需要避免出现应力集中、尖角等情况发生，确保结构具有一定的韧性，所以需要在设计工作中对一些问题进行特别关注。尽可能的确保结构简单化，减少焊接件受到约束程度，各截面的温度梯度要尽可以的减小，在结构拐角及过渡处应避免出现应力集中的情况，确保容器元件的各个部分都能够圆滑过渡；对于容器在耳座、鞍座及支腿等部位，在焊接时需要利用垫板和连接板，避免直接与容器壳体进行焊接；在进行非受压元件及附件焊接时，其焊缝在采用连续焊；利用整体补强和厚壁管进行接管补强，合理的对焊缝进行布置，避免出现集中和交叉的情况；对于一些载荷复杂的附件在焊后不能整体进行热处理时，需要进行单独的热处理。A类焊缝和B类焊缝需要采用全焊透对接焊缝，而对于C类和D类焊缝则采用截面全焊透结构即可。

4 低温压力容器的焊接

低温压力容器施焊前应按JB4708进行焊接工艺评定试验，应严格控制焊接线能量，选用较小的的焊接线能量，以多道施焊为宜。不得在母材的非焊缝区内引弧，焊接接头（包括对接接头和角接接头）应严格避免焊接缺陷，要求焊缝表面呈圆滑过渡，不应有急剧形状变化。焊后消除应力处理可以减小接头区域内的焊接残余应力，从而降低了在低温条件下的脆断倾向。每台低温压力容器都应制备产品焊接试板。

5 检验

5.1 对于A、B类对接接头，容器设计温度低于-40℃；容器设计温度虽高于或等于-40℃，但接头厚度大于25mm；根据“容规”划为第三类的压力容器；根据设计压力和介质的燃、爆、毒性等工作条件由设计文件规定作100%检测的容器等需要进行射线或超声检测。

5.2 作局部射线或超声检测的对接接头，其检测长度不少于50%接头总长，且不少于250mm。

5.3 對下列焊接接头作表面磁粉或渗透检测：对符合第1条容器的焊接接头，而无法进行射线或超声检测者；对于要求做100%射线或超声检测的容器，其全部C、D类焊接接头的各种焊缝以及受压元件与非受压元件的连接焊缝。

6 结束语

低温压力容器由于其具有特殊性，而且使用范围也较广，所以需要在其设计和制造过程中严格按照低温压力容器的相关规定标准来进行，不仅需要明确介质和环境的温度，而且还要对容器材质的拉应力大小进行计算，对于是否是低温压力容器进行正确的决定，避免浪费制造和检验费用。

参考文献

[1]魏红利.低温压力容器设计探讨[J].科技情报开发与经济，2009，19（24）.

[2]刘卫平，周岚，徐庆山.低温压力容器的设计[J].化学工程师，2005，19（3）.

[3]孟雅薇，葛志强.关于低温压力容器设计的若干问题的分析[J].科技创新与应用，2012（32）.