探索低温压力容器设计

摘要：如今，低温压力容器在生活尤其是工业中的应用越来越广泛。例如气体液

化、储存与应用、气体生产等都需要低温压力容器，因而低温压力容器的使用占有比例显著增加。针对低温压力容器，本文从多个角度进行考虑，比如：选材、结构设计、制造和检验等等几方面重点对低温压力容器设计和所要注意的各种事项作了说明，并提出一些有价值的参考。

关键词：选材；设计；制造和检验；低温压力容器；

中图分类号：O514.2 文献标识码：A 文章编号：

目前，越来越多的工业生产需要用到低温压力容器设计，例如石油化工企业，在低温技术的发展的同时，各类低温压力容器的应运而生。随着温度的降低，容器所用钢材及焊缝由延性态变为脆性态。在拉应力作用下，受压元件的应力水平小于材料屈服强度，脆性断裂现象随之发生，断裂前容器结构不出现或局部出现极为小的塑性变形，从这一角度来讲，对于低温压力容器来讲，从设计、选材、制造到检验等各个程序都要有更高的设计原则。另一方面，因为要求提高，所以低温设备成本要高于一般压力容器。就以上问题，本文在对低温压力容器的设计过程中进行以下几个方面的探讨。

1低温压力容器的选材

1.1 选择受压元件材料

低温钢材质量决定了低温压力容器质量，不同的使用温度，将低温钢材大致分为三类：第一类，-40℃以上，碳锰钢使用较多；第二类，-40～-196℃，低碳钢或中镍钢多被作为材料；第三类，-196～-273℃的温度下，铬镍奥氏钢体作为受压原件材料适宜。一般来说，低温条件下脆性断裂是钢材失效的主要形式。钢材温度如果比脆性温度低，在有缺口的地方一般就会有可能发生脆性断裂。低温环境下钢材冲击值简单明确地体现出在缺口尖端处裂纹扩展的敏感性与塑性变形能力，即低温韧性。在选材过程中确保低温韧性对低温压力容器极其重要，如果低温韧性充足，更倾向于使用强度偏高的钢材。在冶炼低温压力容器时使用电炉或平炉，同时使用镇静钢会使钢材有更加好的低温韧性。对钢材进行无损检测也是必不可少的过程，其内容包括检测夹层是否存在、裂纹等其他缺陷是否存在。从钢材化学成分角度来看，采用硫、磷含量偏低的钢材最好，磷量小于或等于0.03%，硫量小于或等于0.02%为最佳。低温钢材在通常情况下都处于正火状态，但镍系低温钢以及一些其他高强度低温钢都处于正火、回火状态，也或处于调质状态。为更进一步增加钢材的塑性，这就要求钢材屈强比尽量小，充分增加应力集中部位处的应力分配能力。

1.2 选择非受压元件材料

当在低温压力容器的受压元件和非受压元件材料相互焊接时，要把握低温韧性和焊接接头的性能和受压元件属性相匹配这一原则。特别对于低温压力容器，支座选材是其中十分重要的环节；对于温度高于-70℃时且不低于-20℃的低温容器，选择支座的材料要使用低温韧性比受压元件低一个等级的材料，如果设计温度要求不能高于-70℃低温容器，选用低温韧性和受压元件相同的材料最适宜；而若是安装环境极低，在选择支座材料时，需要对环境温度带来的影响进行详尽周全地考虑。

1.3 使用主螺柱和螺母

一般来讲，低温压力容器螺母选用30CrMoA，主螺柱是35CrMoA，两者都为调质状态，同时要进行低温冲击试验，磁粉检测螺母和主螺柱。

2 设计温度的确定

GB150-1998《钢制压力容器》附录规定，容器的设计温度等于或是低于-20℃，以及由于环境的影响，壳体的金属温度等于或是低于-20℃时，处于该状态下的压力容器都归于低温压力容器。设计温度低于-20℃和高于-20℃这种指标的不同，在设计，选材，制造方面等方面的要求截然相反。低温压力容器设计中一项至关重要的因素便是设计温度的确定。应从是否受环境影响、介质的状态、设备在相应低温下与压力的组合工况和有无保温或保冷等方面,进行具体讨论具体分析。若容器外表面具有保温、保冷这类设施，那么容器壳壁温度可以被认定为不会遭受到环境温度影响，壳体壁温被介质温度直接决定。在工程上一般可取低于介质的工作温度的5-10℃或介质在工艺流程中最低温度作为设计温度；然而对于户外储存容器来说，壳体的金属温度一般容易受大气环境气温影响，其最低设计温度可根据该地区的气象资料，取近些年来的“月平均最低气温”的最低值，按如下原则确定其最低气温:

为事故停车特设的这类容器除外, 考虑容器壁温受环境低温的影响要以正常运行条件为依据。一般不以停车后的自然降温事故状态的意外降温确定温度。

对于盛装压缩气体并无保温设施的贮存容器, 设计温度通常取最低环境温度降低3℃。

(3) 对盛装液体体积占容积的1/4 以上无保温的贮存容器设计温度，最低环境温度可作为设计温度。

(4) 若容器有保温或物料常处于流动状态, 设计温度应根据物料的流量、温度、容器的散热情况、形状大小等综合因素考虑壁温, 通过分析计算或参考实例来得到。

3 确定低温低应力工况

如果确定了设计温度，可根据等于或小于-20℃这一压力容器这一低温界限，衡量压力应按低温选材、设计、制造与否等。原则上，对于设计温度小于或等于-20℃的压力容器的受压元件来说应考虑其低温脆断因素从而按照低温进行设计,但不同的工况下也有所不同，仅仅根据温度的高低这一单因素来决定容器设计时是否要按照低温压力容器要求设计并不合理，例如壁温为低温，但应力水平也十分低，如果此时压力容器设计在各个方面提高要求，按照低温容器进行你个设计，会造成巨大浪费这一恶劣后果。按应力水平在低温下拉应力较小的情况下决定是否按照低温容器设计。我国GB150-98中有如下规定,受压元件设计温度或者压力容器壳体虽低于或等于-20℃,但环向应力小于或等于钢材标准常温屈服点的1/6, 并且小于或等于50MPa时的工况作为低温低应力的工况。此时如果增加50℃的设计温度,温度高于-20℃，不再按低温容器设计。在这种工况下，冲击试验温度可以用设计温度加上50℃。冲击试验温度值大于或等于0℃,低温冲击试验可以不进行,按常温设计考虑；冲击试验温度值在-19～0℃时,必须对该受压元件材料本体和焊缝做低温冲击试验,并要考虑其低温脆断因素,但其余方面均可按照常温设计考虑；冲击试验温度值如果小于或者等于-20℃时，完全按低温压力容器设计、选材、制造和检验最为合适。判断是否属于低温低应力工况，以下我们以液氨贮罐的设计过程为例来说明。液氨贮罐在工业生产中极为常见，按规范要求，液氨贮罐的工作压力常取50℃时的饱和蒸汽压：2.16MPa，但常压容器比较多见。例如：立式设备筒体壁厚经计算取12毫米，内径为2000毫米，主要的受压元件材质设计选择16MnR。在-20℃时液氨对应的饱和蒸汽压为0.09MPa，数值很小,壳体一次薄膜应力经计算为7.545MPa；而液氨在-30℃时的饱和蒸汽压是0.02Mpa,此时壳体一次薄膜应力计算结果为1.674MPa。壳体材料16MnR在常温状态下的应力值170MPa远远大于壳体的一次薄膜应力值，与此同时壳体一次薄膜应力值小于材料16MnR标准常温状态下屈服点的1/6,并小于50MPa。此设备是低温低应力工况状态下的低温压力容器，应当按照常温进行考虑设计。筒体材料选用一般压力容器用材16MnR，替代成本更高的低温用钢16MnDR，既降低了设备的制造费用，又合理经济地达到了设备的使用标准和要求。我国当下的问题是低温用钢种类较少，供不应求、制造流程以及工艺相对复杂，因而利用低温低应力工况来解决一部分低温低压力容器的用钢问题，能够降低设备造价成本以及可以缓解低温用钢短缺的硬性问题。

4 结束语

通过对以上几点的总结可以得出，设计低温压力容器时，每个环节都必不可少且十分重要，每个环节的具体功能和作用都不能忽视。进行精确地设计、计算是标准规范和设计者的一种有机结合。设计人员应在实践过程中逐步抓住问题的主要矛盾，矛盾的主要方面，不断深化总结、积累经验，使低温压力容器在设计、制造、检验等一系列工序中更加完整化，规范化，提高压力容器的安全可靠性和经济性。

参考文献

[1] 全国化工工程建设标准编辑中心H G20585-1998《钢制低温压力容器技术规定》， 国家石油和化工工业局，1999.

[2] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会.GB150-1998《钢制压力容器》.中国标准出版社，1989

[3] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会主编《压力容器设计工程师培训教程》， 新华出版社，2005.

[4] 王非编《化工压力容器设计-方法、问题和要点》，化学工业出版社，2005.