低温压力容器设计中的关键问题

姜 营

(中海油山东化学工程有限责任公司，山东 济南 250000)

低温压力容器设计中的关键问题

姜 营

(中海油山东化学工程有限责任公司，山东 济南 250000)

低温压力容器的特点是易产生脆性破坏，脆性破坏会导致灾难性事故。文章分析了低温脆性断裂的基本特征和断裂机理，并探讨了低温压力容器选材、设计、制造检验等过程中应该注意的关键问题，以期对低温压力容器的设计提供借鉴和帮助。

低温压力容器；脆性破坏；设计；选材

低温技术的发展促进了低温压力容器的应用，低温压力容器是低温工业中的关键设备，其应用日趋普遍。受低温环境或低温介质的影响，容器材料的韧性下降，容器可能会发生脆性破坏，这种破坏形式不呈现显著的塑性变形，脆性破坏前没有任何征兆，因此这种脆性破坏危害巨大，对人们的生命、财产安全产生极大的隐患。防止低温压力容器的脆性破坏应该从低温压力容器的选材、结构设计、制造检验等环节进行有效的控制。文章结合低温脆断的特点，从上述几个方面对低温压力容器设计中的关键问题进行总结。

1 低温脆性断裂的基本特征和断裂机理

1.1 低温脆性断裂具有以下基本特征[1]

(1)低温脆断的发生与材料使用温度的降低密切相关。

(2)低温脆断破坏时材料的塑性很低，处于脆性状态，称为低温脆性断裂。

(3)断裂时容器元件内部的应力水平低于材料的屈服强度，甚至低于材料的设计应力(许用应力)，称为低应力脆性断裂。

(4)低温脆断的裂纹源一般是材料自身缺陷处或几何形状突变处，破坏几乎没有宏观的塑性变形。

(5)低温脆裂发生后裂纹扩展速度极高，在钢材中传播直至到达材料的高韧性区或更低的应力区，速度可达空气声速的2～3倍。

(6)材料的脆断断口有晶粒状特点，断口平滑光亮。

(7)在远离脆断断口位置材料的强度和塑性仍然满足设计要求。

1.2 低温脆性断裂机理

一般碳素钢和低合金钢具有体心立方晶格结构，这种结构决定了材料随着温度降低强度增加而韧性降低；这类金属材料具有冷脆特点，在温度降低时，材料的韧性急剧下降。在温度高于脆性转变温度时，材料处于韧性状态，低于脆性转变温度时，材料由韧性状态转为脆性状态。若容器中存在不可避免的缺陷时，在低于脆性转变温度时，材料就会发生脆性断裂。因此，低温压力容器用钢必须具有足够的低温韧性和较低的脆性转变温度。

2 低温压力容器的选材

低温压力容器由于使用温度较低，容器材料的脆性、韧性等物理性质容易发生极大的变化，如脆性增大、韧性降低等，使得容器产生致命的破坏[2]。低温压力容器用钢材除满足GB150选材原则[3]及要求外，还应针对具体使用环境对钢材提出高于GB150指标的补充要求。

钢板的轧制方向、热处理状态、应变时效、加载速度、残余应力等都会影响钢材的低温韧性。因此，要加强对材料的选择，如冶炼时在钢种加入少量的Nb、V等微合金元素；控制轧制和控制冷却工艺；要求正火处理，以细化晶粒，减少钢材轧制产生的内部缺陷，降低钢材脆性转变温度。低温材料在焊接后，其热影响区的低温冲击功降低，在容器设计和钢材订货时应保证充分的韧性裕量，对钢材提出合理的、更高的冲击功指标，或降低母材的冲击试验温度。表1列出了常见的适合低温介质的材料[4]，供设计者参考。

表1 低温压力容器常用材料

(本表未考虑低温低应力工况的影响)

注：1.钢号的括号内温度为该材料标准规定的使用温度下线；2.液化气体的括号内温度为该液化气体的标准沸点。

3 低温压力容器的结构设计

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。在结构设计中应注意消除尖角，消除应力集中，在设计中应注意以下问题：

(1)结构尽可能简单，减少元件间的约束程度。

(2)应避免产生过大的温度梯度。

(3)结构中应避免截面的急剧变化，减少应力集中。

(4)附件的连接焊缝应采用连续焊并避开设备上的A、B类焊缝。

(5)容器的鞍座、支腿、耳座或裙座与筒体焊接时应设置垫板或连接板，垫板或连接板选材应按低温用材考虑。

(6)接管补强应尽量采用整体补强或厚壁管补强，若采用补强板补强，截面应为全焊透结构，焊缝应圆滑过渡。

(7)结构中应避免焊缝交叉和集中。

(8)容器焊有复杂部件时，需焊后消除应力而不能整体热处理时，应考虑部件单独热处理。

(9)焊缝结构：A类焊缝应采用双面对接焊，或采用保证焊透、与双面焊具有同等质量的单面对接焊；B类焊缝也应采用与A类焊缝相同的全焊透对接焊缝，除非结构限制，允许采用不拆除垫板的单面对接接头。C、D类焊缝，原则上要求采用全截面焊透结构。

4 低温压力容器制造、检验特点

4.1 对原材料要求

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。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。

4.2 加工成型

除非采用热加工成形或采取消除应力热处理的工艺措施，否则应避免任何刻划、打钢印、过量冷变形、锤击、强力变形组装等会产生残余应力的操作方式。

对于温成形或热成形的容器元件，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，以保证木材的使用状态。

4.3 焊接

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，因此要严格控制焊接线能量，采用小焊接线能量、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；同时应尽量减小余高，不得有凸形角焊缝；焊缝表面应圆滑过渡。

4.4 焊后热处理

焊后消除应力处理可以减小接头区域内的焊接残余应力，从而降低低温条件下的脆断倾向。GB150规定钢板厚度大于16mm的碳素钢和低合金钢制低温压力容器或受压元件要进行焊后热处理，热处理的工艺应与焊接工艺评定时的热处理工艺一致。热处理应包括受压元件与非受压元件的连接焊缝。

4.5 产品焊接试板及其检验

每台低温容器都应制备产品焊接试板，试板材料(包括母材和焊接材料)是制造容器的同样材料，以同样的焊接工艺和焊接条件与容器产品同时焊接完成。对低温容器用材料的低温韧性要求，体现在对材料及其焊接接头在规定的试验温度时的冲击吸收功要求。冲击试验温度不得高于容器的设计温度。

4.6 无损检测

(1)低温压力容器的对接接头符合下列情况的，应100%射线检测[6](或超声检测)：

——容器设计温度低于-40℃；

——容器壳体厚度大于25mm；

——根据容规划为第三类的压力容器；

——根据设计压力和介质的燃、爆、毒性程度等工作条件由设计文件规定的。

(2)作局部射线(或超声)检测的对接接头，检测长度不得少于50%接头总长。

(3)下列焊接接头作表面磁粉(或渗透)检测：--符合上述(1)条容器的焊接接头，而无法进行射线或超声检测的

——对于要求做100%射线或超声检测的容器，其全部C类、D类焊接接头的各种焊缝以及受压元件与非受压元件的连接焊缝。

(4)无损检测按照NB/T47013，合格级别按GB150对压力容器的同样规定。

5 总结

总之，在低温压力容器的设计中，应严格按照相关规范要求，并结合实际应用环境，对低温压力容器的设计、选材、制造检验提出全面、合理的要求，以保证设计出安全可靠的产品。

[1] 李世玉. 压力容器设计工程师培训教程[M]. 北京：新华出版社，2005：362-380.

[2] 中国石油和化学工业协会.HG/T 20585-2011， 钢制低温压力容器技术规定[S]. 北京： 中国计划出版社,2011.

[3] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会. GB 150.1～150.4-2011 压力容器[S].北京：中国标准出版社，2012.

[4] 张 勇. 低温压力容器用钢的现状与发展概况[J].压力容器，2006，23(4):31-34.

[5] 杨文峰. 低温压力容器的设计[J]. 中国特种设备安全，2008，24(9):19-21.

[6] 刘剑利.低温压力容器检验过程中的问题分析[J].工业技术，2016，24(9):19-21.

(本文文献格式：姜 营.低温压力容器设计中的关键问题[J].山东化工，2017，46(06)：111-113.)

Key Problems in the Design of Low Temperature Pressure Vessels

JiangYing

(CNOOC Shandong Chemical Engineering Co., Ltd., Jinan 250101，China)

The characteristic of low temperature pressure vessels was prone to brittle failure and brittle failure will lead to catastrophic accidents. This paper analyzes the basic characteristics of the low temperature brittle fracture and fracture mechanism, and discusses the key problems of the low temperature pressure vessel's selection of material, design, manufacturing, inspections, etc, in order to provide reference and help to the design of low temperature pressure vessels.

low temperature pressure vessel; brittle failure; design; selection of material

2017-02-14

姜 营(1989—)，女，山东泰安人，助理工程师，硕士学位，现从事压力容器设计工作。

TH49

A

1008-021X(2017)06-0111-03