低温压力容器的材料选取浅析

唐 楠 董 璐

大连金州重型机器集团有限公司

低温压力容器的材料选取浅析

唐 楠 董 璐

大连金州重型机器集团有限公司

低温钢还具有良好的加工制造性能，冷成型后冷作硬化程度跟其它合金钢相同，无明显区别。对应变时效脆性和回火脆性的敏感性也很小。由低温钢制造的设备，只要材料的脆性转变温度低于设备工况中的工作温度，就具有足够高的强度，能够满足设备的安全运行。压力容器是石油化工、煤化工中必不可少的设备，很多化工工艺需要在低温条件下才能实现。在低温压力容器的设计过程中，通过对设计温度、低温材料选用、结构优化设计、焊接工艺、无损检测等方面的技术优化，确保低温压力容器的使用安全。

低温压力容器；材料；选择

低温压力容器的低温脆性破坏是在没有预兆的情况下突然发生的，危险性很大。防止低温脆性断裂事故的发生主要从材料的选用、试验方法和设备的制造过程等方面进行控制。由于材料的选用是低温压力容器设计制造的第一步，也是低温压力容器使用安全的首要因素，因此合理的选择低温压力容器的材料对于设计者来说是至关重要的。

1 低温低应力工况的含义

在 GB150.3-2011《压力容器 第 3 部分：设计》附录 E “关于低温压力容器的基本设计要求”和GB151-1999《管壳式换热器 》附录A“低温管壳式换热器”中，都对“低温低应力工况”作出了明确的定义：是指壳体或其他受压元件的设计温度虽然低于或等于-20℃，但其环向应力小于或等于钢材标准常温屈服点的六分之一且不大于50MPa 的工况。

1)设计温度不低于-46℃时，“低温低应力工况”容器的设计温度按HG20585-998进行调整；

2)设计温度低于-46℃但不低于-100℃时，仅当容器壳体或其受压元件的一次总体薄膜应力降至小于或等于钢材标准常温屈服点的六分之一，且不大于50MPa时，设计温度调整值可以取50℃；

3)设计温度低于-100℃时，设计温度调整值为0。调整后的设计温度等于或低于-20℃时，调整后的设计温度高于-20℃但低于0℃时，压力容器的钢材及其焊接接头的冲击试验温度，应等于或低于调整后的设计温度，其他设计、制造、检验要求可不必遵循HG20585-2011《钢制低温压力容器技术规定》的规定。

2 低温压力容器类型

2.1 低温钢的分类

1)按使用温度分，低温钢可分为-40℃、-70℃、-100℃、-196℃和-253℃等级。

2)低温钢按合金含量和组织可分为3类：低合金铁素体型低温钢。其合金元素总含金量不超过5%，组织是铁素体加少量贝氏体，使用温度范围在-110℃以上。中合金低碳马氏体型低温钢。其合金元素总含量在5%～10%，组织跟热处理有关。淬火后的组织是低碳马氏体，正常化后的组织为低碳马氏体铁素体以及少量奥氏体，回火后的组织是含镍铁素体和少量富碳奥氏体。高合金奥氏体型低温钢。其合金元素总含金量大于10%，组织为奥氏体。奥氏体组织稳定，低温冲击韧性良好，使用温度可达-196～-269℃。

2.2 材料结构

由于低温压力容器对温度极其敏感，标准规范对低温压力容器的设计有特殊的规定。设计低温压力容器时，在结构上应充分考虑以下几点：1)避免复杂的结构，减少零件之间相互的约束。2)结构设计应避免温度梯度的产生。3)避免急剧变化的截面结构。4)非受压件的焊缝应采用连续焊。5)避免非受压件直接与容器壳体相焊，应在它们之间设置垫板。6)与受压件相焊的垫板、吊耳、制作等的材料应与受压件相一致，其焊缝应为全焊透。7)接管补强应采用整体补强或锻件补强。

2.3 选用原则

为了保证低温压力容器的安全使用，作为设计者必须根据低温压力容器的具体用途、具体使用条件和特定的安全重要性对材料的选用提出特殊的、必要的、多于标准规范或者高于标准规范的要求，有时甚至可以直接选择国外材料，或者根据国内目前的冶炼技术、装备工艺和质量水平指定材料生产厂家。

3 材料的选取

3.1 足够的韧性

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，钢材的使用温度下限可不低于钢材标准中规定的最低实验温度。1)低温压力容器受压元件所采用的钢材，必须是镇静钢；2)低温压力容器及其受压元件所采用的钢材，除因材料截面尺寸太小，无法制取2.5mm×10mm×55mm的小尺寸式样的情况外，必须按HG20585标准要求进行夏比(V型缺口)低温冲击试验；3)用于制造低温压力容器筒体、封头的钢板，厚度超过标准规定时，需按JB4730进行超声波检测，合格级别为Ⅲ级。

3.2 材料检验

低温钢材在入厂后的复验对于保证材料质量，从源头上保证低温容器的质量具有重大的意义。低温材料应按国家规范及相关材料标准的要求进行复验。复验项目至少包含材料的化学成分、常温机械性能、低温冲击值及钢板的超声波检验。焊条还需按批复验药皮含水量或熔敷金属扩散氢含量。

低温压力容器制造过程中的检查和检验，是保证容器制造质量的手段。1)尺寸检查。零部件的尺寸检查保证了低温容器组装时各个部件的协调统一，避免结构突变，还能避免因强力组装而产生残余应力。安装尺寸的检查可保证低温容器在现场的顺利安装，安装尺寸是衡量制造质量最重要的标准之一。2)无损检测。应按照GB150和JB/T4730的要求对容器进行无损检测，通过无损检测，可以发现并去除目视检查所不能发现的内外部缺陷。无损检测一般是在焊接完毕后热处理之前进行。

综上所述，合理的选材是防止低温脆性破坏的首要关键因素；充分理解各个标准规范对低温压力容器材料的具体要求是防止低温脆性破坏的必要条件；提高钢材的冶炼水平，控制合金元素的含量和改善组织结构是提高材料低温性能的有效手段；新材料的研制开发是防止低温压力容器脆性破坏的发展方向。

[1] 王秀英，陈礼昌. 低温压力容器设计制造浅析[J]. 乙烯工业，2014，(02)：26-28+50+5.

[2] 高军. 低温压力容器用钢及其焊接与检测[J]. 机械研究与应用，2011，(05)：162-163.