浅析低温下压力容器设计需注意的问题

【摘 要】 一般情况下设计温度在-20℃以下的压力容器，由于压力容器存在的缺陷、残余应力、应力集中等因素容易引起较高局部应力造成容器发生塑性变形，引起发生脆性破裂，甚至发生严重的事故。因此，本文分析了在低温下设计压力容器时在材料、结构等方面应注意的问题，力求压力容器设计的稳定。

【关键词】 压力容器 制造 注意问题

低温技术作为工业装置，不仅在气、液体生产、存储及运输中起到很大的作用，更促使了低温压力容器的广泛应用。然而，此压力容器工作温度通常较低，这将导致容器金属的脆性相应的增加。当温度低于一定的水平，将会产生脆性破坏，然而，低温压力容器通常不会出现局部性的小塑性变形，而是直接发生脆性破裂，这样出人意外的破坏就是导致事故发生的罪魁祸首。

1 确定设计温度

低温压力容器设计中确定设计温度尤为重要，根据《压力容器（GB150.3-2011）》中的规定，再确认设计温度的同时还要顾及介质温度及环境温度等条件，任何方面都要考虑到。金属韧性受到温度的影响会产生变化，所以在进行确定设计温度的同时应考虑全面。例如：温度方面要考虑南方北方温度的不同。北方气温较低，将容器放置在没有取暖设备的厂房中应充分考虑气温的问题。因此，设计温度高于或低于-20 ℃，对压力容器的设计及制造的要求都有所不同。

2 材料的选择

由于低温压力容器的质量主要取决于所采用的材料在低温工况中的机械性能，因此我们必须采用低温下韧性较好的金属材料。金属材料在低温工况下容易发生脆性断裂，从而产生失效，对此，我们要采取措施来改变金属材料本身的韧性。比如，在炼制钢材时可以加入镍，镍的加入可以改变位错运动，避免产生较大的应力集中，以此提高钢材的韧性。另外，我们可以将低温用钢经过正火处理，以此细化晶粒，减少由于终轧温度和冷却速率不同而造成的显微组织不均匀。

根据金属材料的不同使用温度，低温压力容器用钢可分为以下三类：（一）设计温度低于-20℃，高于-40℃时，材料多选用低碳锰钢；（二）设计温度低于-40℃，高于-196℃时，材料可选用中镍钢；（三）设计温度低于-196 摄氏度，高于-273℃时，材料可选用铬镍奥式体高合金钢。另外，对于制作低温压力容器使用的碳素钢和低合金钢壳体钢板，厚度大于 20 毫米的情况，需要对每张钢板进行超声波检验，合格级别要达到标准要求或者图样的规定。而铬镍奥体高合金钢要经过硬化处理以保证其强度要求。

3 结构设计

对于低温压力容器及其部件的结构设计应注意以下几点：①结构要简单，以减少焊接件的拘束。②避免结构及形状的突然变化，以减少局部应力的集中以及截面大小和刚度的急剧变化。③焊有接管及载荷复杂的附件的容器，需焊后消除应力热处理而不能进行整体热处理时，应考虑焊接部位单独热处理的可能性。④要尽量避免结构各部分截面产生较大的温度梯度。⑤附件的连接焊缝不能采用不连续焊或者点焊，而且不应与A、B 类焊接接头重合。

4 焊接要求

低温压力容器的制造对焊接的要求十分严格，其焊接工艺要按照《承压设备焊接工艺评定（NB/T47014-2011）》的要求进行焊接工艺评定测试，焊接材料则应该选用与母体材料成分相近性能相同的并且具有良好的低温韧性材料。低温用钢的焊接关键是不能让焊缝金属和热影响区形成粗晶组织从而导致钢材的低温韧性降低，因此要控制好焊接线的能量，在规定的范围内采用比较小的焊接线能量，进行多道焊接，并且要注意避免焊道过热。

5 制造与检验

通过以上几个设计环节，为了保证其质量低温压力容器在制造前仍然需要进行多次试验多种处理，如要采用热加工成形或者采取消除应力热处理等工艺措施。对于热成形或者温成形的容器元件，要采用合理的方法控制成形工艺或者进行成形后的热处理，从而保证其使用状态。低温压力容器的检验将直接关系到成品的质量，对于容器壳体厚度大于 25 毫米的以及设计温度低于-40℃的 A、B 类焊接接头要进行全部射线或超声波检测。除以上情况，低温压力容器应对其 A、B 类焊接接头进行局部无损检测，并且检测的长度不能少于各条焊接接头长度的百分之五十，且不能少于 250 毫米。当低温压力容器进行液压实验时，液体的温度不能低于焊接接头和壳体材料的冲击试验温度（取其高者）加 20℃。

6 结语

随着低温压力容器的广泛应用，低温压力容器的工艺设计及制造都与普通的压力容器相比有很多不同的地方，并且得到大众的关注及认可。在进行低温压力容器设计、制造及检验时必须遵照《压力容器（GB150.1～150.4-2011）》的标准及要求，通过实际情况处理低温压力容器中常见的问题，只有不断提高低温压力容器的质量，才能使之长久的发展下去。

参考文献：

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