低温压力容器设计探究

摘要：低温压力容器在气体的液化、分离以及液化气体的生产、贮运中的应用日趋普遍，而低温压力容器的质量就显得尤为重要，如果设计的不合理，其质量存在缺陷，那将会造成灾难性事故。因此在低温压力容器设计时必须要科学合理，保证其质量。本文主要对低温压力容器的设计进行了探讨。

关键词：低温压力容器；设计；探讨

中图分类号：C35文献标识码： A

在低温下操作的压力容器，其常用的金属制作材料会因为温度的降低造成韧性下降，那么这一温度我们称脆性转变温度。如果压力容器在低于转变温度的条件下使用，并且该容器存在缺陷等因素从而引起了较高的局部应力，容器就可能发生脆性破裂而酿成灾难性事故。因此，在低温压力容器设计中我们必须要将设计温度和设计压力一起作为设计的载荷条件，从设计的温度，材料的选择，结构设计，制造检验等方面进行分析。

一、设计温度

设计温度在低温压力容器设计中至关重要，根据《压力容器（GB150.3-2011）》附录 E 中对低温压力容器中的规定，设计温度的确定还必须考虑介质温度和环境温度等，做到具体问题具体分析。由于金属受温度影响其韧性也会发生变化，因此确定设计温度时应优先考虑这种情况。比如在环境温度中，我们要充分考虑到南北方冬季温度的差异性。北方冬季温度较低，在无采暖的厂房内放置的容器要考虑其壳体金属受到的低温条件影响。因而，设计温度高于或者低于-20℃，压力容器的结构设计、选材、焊接、制造等方面的要求是截然不同的。

二、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。

三、结构的设计

对于低温压力容器的结构设计要注意下面几点：

（一）结构应简单，降低焊接件拘束。

（二）防止结构以及形状突然变化，从而降低局部应力的集中及截面大小与刚度急剧变化。

（三）焊有接管以及载荷复杂的附件的容器，需在焊后消除应力热处理而不能进行整体的热处理时，应考虑焊接部位单独热处理的可能性。

（四）要尽量避免结构各部分截面产生较大的温度梯度。

（五）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。

（六）接管补强应尽量采取整体的补强或厚壁管的补强，若采取补强板，则应采取全焊透的结构并且焊缝应圆滑的过渡。

（七）容器支腿，耳座和鞍座应设置垫板或连接板，并尽量防止直接和容器的壳体直接焊接。垫板或连接板要和本体的材料一样。

四、焊接要求

低温压力容器的制造对焊接要求十分严格，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。另外，要对焊缝进行冲击实验，当焊缝两侧的母材对冲击试验有不同的要求时，那么我们就要将冲击实验的温度调至低于或者等于两侧母材中的较高者。焊接接头要避免弧坑或者焊缝成形不良等因素导致的焊接缺陷，同时还要减小余高，避免凸形角焊缝的出现。在压力试验前还要进行焊后热处理，焊后热处理的温度应该将焊件上的直接测量作为标准，并且在这个热处理的试验中要做好连续记录。焊接完成后需要进行焊后热处理，焊后热处理有利于降低低温脆断，消除焊接接头区域内的焊接残余应力。不正确的焊后热处理会导致低温压力容器出现变形、开裂、过热的等缺陷，因此要选定低温压力容器的热处理厚度，进行严格的工艺参数设置，按照相关规范进行操作。

五、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组件，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℃。总之，随着低温压力容器应用日益普遍，其不同于一般压力容器的设计制造工艺，已得到越来越多的重视。低温压力容器必须严格按照《压力容器（GB150.1～150.4-2011）》的要求进行设计、制造、检验和验收，不断提高低温压力容器的质量，通过实际应用不断解决低温压力容器在设计中出现的问题。

根据材料标准和订货技术条件对容器用材进行检验验收，当有要求时应按规定的项目进行化学成分和力学性能的复验。特别是对低温钢材的冲击吸收功要求应按标准或图样规定按批或逐张( 件) 进行冲击试验的复验。

除非采用热加工成形或采取消除应力热处理的工艺措施，否则应避免一切刻划、打钢印、过量冷变形、锤击、强力变形组装等能够产生残余应力的操作方法。对于温成形或热成形的容器组件，应采取措施控制成形工艺(如避开回火脆性区) 或进行成形后热处理，以保证要求的母材使用状态。

低温压力容器在施焊前应按 JB4708 进行焊接工艺评定，最终确定一份用于指导容器生产的焊接工艺指导书( WPS) 。对低温用钢焊接工艺评定应特别强调对焊接接头的低温夏比 V 型缺口冲击试验，要求焊缝金属和热影响区的低温冲击功都要达到标准规定的或是设计档规定的合格指标。

必须按照焊接工艺指导书的要求，对焊工进行专门培训，使其了解低温钢的特点并掌握各焊接工艺条件的控制要领。低温用钢的焊接关键是要避免焊缝金属及热影响区形成粗晶组织而导致低温韧性降低，因此要求严格控制焊接线能量，在焊接工艺指导书规定的范围内采用较小的焊接线能量、多层多道施焊避免焊道过热，多道焊时要控制层间温度。对低温容器焊接时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，如弧坑或焊缝成形不良，不得有未焊透、未熔合、裂纹、气孔、咬边等缺陷，同时尽量减小余高，不得有凸形角焊缝。要求焊缝表面呈圆滑过渡，不应有急剧形状变化。在低温条件下钢材对结构处或缺陷处的应力集中敏感性加大，从而加大了低温脆性破坏倾向。

六、结语：

低温压力容器的设计综合考虑各种影响因素，从温度、材料、结构、制造、检验等多方面加以分析，从而保证设计质量，避免因设计存在缺陷而造成灾难性事故。

参考文献：

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[2]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).

[3]马静.阐述低温压力容器设计[J].中华民居,2013,(9).