低温压力容器及低温低应力容器的应用

摘要：低温压力容器及低温低应力工况的应用。

关键词：低温容器 低温低应力工况

前言

目前在石油化工、制冷、低温工程等行业使用的压力容器中，低温压力容器占有一定的比重。因该类压力容器工作温度较低，容器材料的脆性相应增大，其受压元件在拉应力的作用下，应力水平在低于材料的屈服强度，或低于许用应力的情况下突然发生脆性断裂。这种断裂发生的前后，均没有或只有局部极小的塑性变形，而没有整体屈服，在日常生产中不易觉察，对石油化工生产的安全威胁更大。在制冷行业使用的压力容器中，相当多的压力容器工作温度也较低，但制冷剂在较低工作温度下其工作压力较低，其运行工况在低温低应力工况条件下。因此对于低温压力容器的认识以及非低温压力容器应用将有助我们设计、制造及检验的选择。

一、低温压力容器的含义

根据GB150.3-2011附录E 关于低温压力容器的基本设计要求、GB151-1999《管壳式换热器》附录A“低温管壳式换热器”中规定，低温压力容器、换热器是指碳素钢和低合金钢制设计温度低于-20℃容器、换热器，以及由于环境的影响，导致操作条件下容器壳体的金属温度低于-20℃，在操作过程中容器的壁温处于低温状态下的一种压力容器。

铬镍奥氏体不锈钢容器、换热器，在设计温度高于等于-196℃，且满足下列各项要求时，可不遵循GB 150.3-2011附录E和GB 151-1999《管壳式换热器》附录A的规定。

A）母材应为含碳量小于或等于0.10%，并符合GB150.2-2011 材料的规定；

bB） 焊接材料和工艺符合NB/T 47014-2011《承压设备用焊接工艺评定》的要求；

cC） 设计温度低于-100℃时，应按NB/T 47014-2011进行焊缝金属的低温夏比（V形缺口）冲击试验，且应符合GB151-1999《管壳式换热器》附录A，A2.1，A2.2的要求。

二、低温容器发生脆裂的必要件如下：

（1）低温。

（2）外载荷及残余应力引起的一定应力水平。

（3）缺陷。

（4）厚度。

三、低温压力容器的认识

⑴设计温度的确定

根据HG/T 20580～20585-2011及相关标准，有以下几种方法来确定处于低温下工作的压力容器的设计温度。

1）通过计算，当受压元件两侧有热量传递过程时，可根据传热计算求得在相应的温度下，沿受压元件厚度方向的平均金属温度。计算方法可采用GB 151-1999《管壳式换热器》附录G所给出的公式计算。

2） 当受压元件与工作介质直接接触，并有外保冷或保温设施时，可取介质在操作过程中的最低温度或介质的工作温度减去5～10 ℃作为该受压元件的设计温度。

3）当受压元件可能受环境温度控制时，即在寒冷地区，受压容器置于露天或无采暖的厂房内（为事故停车所特设的容器及意外降温和停车后的自然温除外），受压元件的设计温度应从以下几方面考虑确定：

①对盛装液体，且物料的充装量占容器容积1/4以上，且无保温设施的储存压力容器，由于液体的热容量较气体大，致使受压元件的金属温度要略高于冬季空气调节室外计算温度，所以需把冬季空气调节室外计算温度上升1℃，方可作为该受压元件的设计温度。

②对盛装压缩气体，且无保温设施的贮存压力容器，由于气体的热容量小，受压元件的金属温度按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不全的情况，可依相同的工况，并正在运行的设备，采用实测办法来确定其设计温度。

⑵材料选择

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，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。

a）低温压力容器受压元件所采用的钢材，必须是镇静钢。

b）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2.5mmX10mmX55mm的小尺寸式样的情况外，必须按HG/T 20585-2011标准要求进行夏比（V型缺口）低温冲击试验。

c）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。

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

⑶结构设计

在结构设计中要注意消除结构的应力集中，消除尖角，要有足够的柔性。为此在设计时要特别注意以下几个问题：

a）结构应尽量简单，尽量避免结构形状的突然变化，减少局部高应力；

b）避免产生过大的温度梯度；

c）应减少局部的应力集中以及截面的急剧变化；

d）附件的连接焊缝不应采用不连续焊或点焊；

e）容器的支座宜设置垫板或连接板，尽量避免直接与容器壳体相焊。

f）容器焊有接管及载荷复杂的附件，需焊后消除应力而不能进行整体热处理时，应考虑部件单独热处理的可能性；

g）接管补强应尽可能采用整体补强或厚壁管补强，若采用补强板，应为全焊透结构，且焊缝圆滑过渡；

h）焊缝的结构设计按GB 150.1～4-2011及HG/T 20585-2011的规定；

i）锥形封头或变径段的半锥角不得超过45°，且应带有折边。

⑷焊接

a）低温压力容器施焊前应按JB4708进行焊接工艺评定试验，包括焊缝和热影响区的低温夏比（V型缺口）冲击试验；

b）每台低温压力容器都应制备产品焊接试板；

c）焊接时要采用全焊透结构，因为单面焊的焊缝常因根部未焊透而带有裂纹性缺陷；

d）要选用低氢型焊条；

e）不应使用不连续的焊接型式；

f）严格控制焊接线能量；

g）对接焊缝的余高不大于焊件厚度的10%，且不大于3mm；

h）焊缝表面不得有裂纹、气孔和咬边等缺陷，应尽量打磨光滑；

i）不得在非焊接部位引弧。

⑸检验

a）对接焊缝要进行100%射线探伤，所有角焊缝要进行100%表面探伤；

b）壳体钢板厚度>20mm时应按JB/T 4730进行超声波检测，Ⅲ级合格。

四、“低温低应力工况”的含义

在GB 150.3-2011附录E “关于低温压力容器的基本设计要求”和GB 151-1999《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-20℃，但设计应力（在该设计条件下，容器元件实际承受的最大一次总体薄膜和弯曲应力）小于或等于钢材标准常温屈服强度的六分之一且不大于50MPa时的工况。当容器壳体、换热器壳体或其他受压元件使用在“低温低应力工况”下，其设计温度加50℃（对于不要求焊后热处理的容器，加40℃）后不低于-20℃，不必遵循低温容器的规定。

五、结束语

对于压力容器制造许可中不含低温压力容器的企业，通过对低温容器及低温低应力工况的正确认识和理解，不仅能够客户节省成本，也能够给企业带来经济效益，使客户和企业得到双赢。

参考文献：

[1] GB 150.1～4-2011 《压力容器》

[2] GB 151-1999 《管壳式换热器》

[3]《固定式压力容器安全技术监察规程》2009版

[4] HG/T 20580～20585-2011 《钢制低温压力容器技术规定》