低温压力容器的“低温低应力工况”的判断及其设计、制造的注意事项

程瑞厂+蔡占河

摘 要：低温压力容器是指设计温度低于-20℃的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器，以及设计温度低于-196℃的奥氏体不锈钢制压力容器。低温压力容器原则上应按照低温工况进行设计、制造、检验、使用和管理，但并不是所有设计温度低于-20℃的压力容器都按照低温压力容器进行设计、制造和检验。GB150.3-2011《压力容器》附录E（规范性附录）《关于低温压力容器的基本设计要求》E1.4规定：对于碳素钢和低合金钢制容器，当壳体或其受压元件使用在“低温低应力工况”下，若其设计温度加50℃（对于不要求焊后热处理的容器，加40℃）后不低于-20℃，除另有规定外不必遵循关于低温压力容器的规定.从该文中可以理解为低温压力容器按照温度和应力工况可分为低温工况和低温低应力工况两类。如何正确理解“低温低应力工况”的含义，是判断低温压力容器的工况是否属于“低温低应力工况”的基础和前提，也是进行低温容器设计、制造的前提。本人就“低温低应力工况”下压力容器设计、制造有关事项谈一点自己的看法。

关键词：低温 压力容器 制造 注意事项

中图分类号：TQ114.15 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）09-0-02

一、“低温低应力工况”的含义

GB150.3-2011《压力容器》附录E（规范性附录）《关于低温压力容器的基本设计要求》E1.4规定：“低温低应力工况”系指壳体或其受压元件的设计温度虽然低于-20℃，但设计压力小于或者等于钢材常温标准屈服强度的1/6，且又不大于50MPa时的工况。（注：一次应力是为平衡压力与其他机械载荷所必须的法向应力或切向应力）

压力容器的应力（GB150-89释义）分为三类：即一次应力P，二次应力σ和峰值应力F。而一次应力P又分为三种：一次总体薄膜应力Pm，一次局部薄膜应力Pl和一次弯曲应力Pb。一次总体薄膜应力的特点：沿壳体厚度方向均匀分布，影响范围遍及整个受压元件，一旦达到屈服点，受压元件整体产生屈服，应力不重新分布，一直到整体破坏。例如：薄膜圆筒中由压力引起的环向薄膜应力。一次局部薄膜应力Pl是指应力水平超过一次總体薄膜应力，但影响范围仅限于结构局部区域的一次薄膜应力。一次弯曲应力Pb是指平衡压力或其他机械载荷所需沿厚度方向线性分布的弯曲应力。

关于“低温低应力工况”的判断项目，标准中提到了一次总体薄膜应力和一次弯曲应力。即对压力容器壳体受压元件所受的最大一次总体薄膜应力和对法兰、管板、平盖等（不按总体薄膜应力计算元件）所受的最大一次弯曲应力是否符合“低温低应力工况”标准，只有最大一次总体薄膜应力和最大一次弯曲应力同时符合“低温低应力工况”标准时，该容器才能按照GB150.3附录E中的规定进行设计、制造和检验。

二、“低温低应力工况”的判断条件

“低温低应力工况”的判断条件主要包括：设计温度、调整后温度，设计应力及钢材种类四各方面。

1.低温压力容器的设计温度

1.1容器的设计温度必须低于-20℃，否则其就不是低温压力容器，更不可能处于“低温低应力工况”。

1.2容器的设计温度低于-100℃时，不适用于“低温低应力工况”。（HG/T20585.5.0.7）

2.调整后温度

GB150.3附录E1.4规定：对于碳素钢和低合金钢制容器，当壳体或者其元件使用在“低温低应力工况”下，若其设计温度加50℃（对于不要求焊后热处理的容器，加40℃）后不低于-20℃，除另有规定外不必遵循关于低温容器的规定。

T（△）=T设+50℃（或40℃）

T（△）——调整后温度，；T设——容器设计最低温度，℃。

2.1当T（△）低于-20℃时，该容器不符合“低温低应力工况”标准规定调整后的温度范围。

2.2当T（△）大于或等于-20℃时，该容器符合“低温低应力工况”标准规定调整后的温度范围。这个温度范围可分为-20℃～0℃和大于或等于0℃两个温度区间。

3.低温容器的设计应力

GB150.3附录E1.4规定：“低温低应力工况”系指壳体或者其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）小于或者等于钢材标准常温屈服强度的1/6，且不大于50MPa时的工况。

GB150规定容器最大一次总体薄膜应力是指受压元件在载荷作用下所引起的环向薄膜应力，这是针对受压壳体元件。通过验证计算受压元件实际所承受的最大一次总体薄膜应力是否符合“低温低应力工况”标准。若验证该应力小于或者等于钢材标准常温屈服强度的1/6，且不大于50MPa时，该容器的工况符合“低温低应力工况”标准。若容器最大一次总体薄膜应力大于钢材标准常温屈服强度的1/6或者大于50MPa时，则该容器的工况不符合标准。

GB150规定：法兰、管板、平封头等元件按其所受的最大一次弯曲应力进行设计。因此，对法兰、管板、平封头等元件只能采用最大一次弯曲应力（而不是最大一次总体薄膜应力）是否小于等于钢材标准常温屈服强度的1/6或者大于50MPa进行判断。若容器的最大一次弯曲应力小于等于钢材标准常温屈服强度的1/6或者大于50MPa时，该容器的工况符合“低温低应力工况”标准；若容器的最大一次弯曲应力大于钢材标准常温屈服强度的1/6或者大于50MPa时，该容器的工况就不符合“低温低应力工况”标准。

对低温压力容器所承受的最大一次总体薄膜应力和最大一次弯曲应力都小于等于钢材标准常温屈服强度的1/6或者大于50MPa时，该容器的工况符合“低温低应力工况”标准；若容器只有最大一次总体薄膜应力或最大一次弯曲应力符合钢材标准常温屈服强度的1/6或者大于50MPa时，该容器的工况不符合“低温低应力工况”标准。endprint

对容器所有受压元件都应进行验证计算，并且都符合“低温低应力工况”标准，该容器的工况才符合“低温低应力工况”标准。

4.低温容器选材

GB150.3附录E1.4规定：碳素钢和低合金钢适用于“低温低应力工况”标准。

4.1中、高合金钢不适用于“低温低应力工况”标准。

4.2碳素钢中的Q235系列钢板不适用于“低温低应力工况”标准。

4.3钢材抗拉强度下限值Rm≥540MPa的材料不适用于“低温低应力工况”标准。

4.4螺栓材料不适用于“低温低应力工况”标准。

5.符合“低温低应力工况”标准判断

低温压力容器的设计温度、调整后温度、设计应力（最大一次总体薄膜应力和弯曲应力）、钢材种类经判断全部符合“低温低应力工况”标准时，才能确定该容器的工况符合“低温低应力工况”标准，才能按照“低温低应力工况”标准进行设计、制造和检验。若其中任一项不符合时，该容器的工况则不符合“低温低应力工况”标准，不能按照“低温低应力工况”标准进行设计、制造和检验。

三、“低温低应力工况”压力容器设计、制造应注意的事项

1.设计温度和调整后温度.在判断低温压力容器的工况是否符合“低温低应力工况”标准，首先判断容器的设计温度（下限值）是否低于-20℃且不低于-100℃。然后判断T（△）=T设+50℃（或40℃）是否大于等于-20℃。应特别注意的是温度调整并没有改变容器的“设计温度”这一参数的数值，因此，设计文件及设计图样中的设计温度应是调整前的设计温度值，不能把调整后温度当作压力容器的设计温度值。

调整后温度作用：一是来判断容器工况是否符合“低温低应力工况”标准；二是可用于对符合“低温低应力工况”标准的压力容器进行设计、制造和检验。

2.符合“低温低应力工况”标准的压力容器，可以按调整后温度选择材料。调整后温度是容器使用温度的下限值，钢材使用温度范围应符合GB150.2第四章、第五章、第六章的有关规定。

符合“低温低应力工况”标准的压力容器，可按常温压力容器进行设计、选材和制造，但母材和焊接接头需按调整后温度进行冲击试验。若调整后温度大于等于20℃时，按20℃进行冲击试验；若调整后温度大于等于0℃且小于20℃时，按0℃进行冲击试验；若调整后温度低于0℃且大于等于-20℃时，按-20℃进行冲击试验；若材料标准中只有0℃和-20℃温度冲击试验值时，还应符合材料标准的规定。

按调整后温度进行冲击试验其冲击功应不低于材料标准规定的最低值。

3.符合“低温低应力工况”标准的压力容器选用材料应符合GB150.2、GB150.3附录E关于材料的规定。其许用应力按相应材料20℃时的许用应力值选取或按GB150.1中4.4的规定确定。（应注意材料使用温度范围）

4.“低温低应力工况”的定义中有“另有规定外”五个字，本人理解为：“另有规定外”是指压力容器设计人员在设计文件中提出的有关技术方面的特殊要求（这些特殊要求可以来源于其他标准和规范的要求，也可以是相关工程设备设计制造的经验）。

5.在判断“低温低应力工况”时，用于计算壳体环向薄膜应力公式中，厚度值应取有效厚度值，而不是名义厚度值。这是因为：计算壳体环向薄膜应力公式是由壳体的计算厚度公式反向推导出来的，计算厚度的含义中，是不含钢板厚度的负偏差和腐蚀裕量的。

6.符合“低温低应力工况”标准的压力容器，尽管可以不必遵循低温容器的设计规定，但应根据容器的具体使用条件，充分考虑容器的结构设计因素和焊接接头的特殊要求，尽可能采用GB150.3附录E中关于低温压力容器设计的基本要求。

7.符合“低温低应力工况”标准的压力容器，在同样设计和制造条件下，进行焊后热处理可以大大减少焊接接头的焊接残余应力、改善焊接接头的组织和性能，同时也可以消除冷加工造成的残余应力，提高材料和焊接接头的塑性和韧性，降低低温条件的脆断倾向。因此，对于不进行焊后热处理的容器，更加慎重考虑其设计、制造和使用条件。

四、符合“低温低应力工况”标准的压力容器的制造和检验的注意事项

1.“低温低应力工况”标准的压力容器用钢材应符合GB150.2、GB150.3附錄E关于材料的规定，并按照规定严格验收。

2.“低温低应力工况”标准的压力容器的焊接材料应符合NB/T47015、NB/T47018及相关标准规定，其熔敷金属含扩散氢量≤3mL/100g。

3.受压元件的材料标志，焊工钢印不得采用硬印标记。

4.容器的结构设计应符合GB150.3附录E2.3的规定；焊接接头应按GB150.3附录E2.4的要求选用。

5.焊条、焊剂应按规定进行烘干。施焊环境应能满足施焊的要求。

6.A、B类焊接接头上不宜开孔；冷成型的封头应按GB/T25198规定进行恢复材料性能的热处理。

7.焊接接头几何尺寸和表面质量应符合GB150.4有关规定。

8.尽管低温压力容器已处在“低温低应力工况”下，但是也要根据其具体适用条件进行综合考虑，保证它的安全性。

五、“低温低应力工况”下的压力容器设计应用

如设计一台低温液化气体储罐，设计参数如下：设计温度-40℃～100℃，设计压力2.3MPa。在设计计算时，应按设计温度100℃、设计压力2.3MPa进行强度计算，得出计算壁厚，然后加上腐蚀裕量和厚度负偏差，并向上圆整得到名义厚度。再根据此名义厚度，逐个对-20℃以下的各个温度点进行验算，验算的应力应包括一次总体薄膜应力和一次弯曲应力两部分，而非仅验算一次总体薄膜应力。当全部验算结果满足GB150.3附录E的规定时，方可确认在-20℃～-40℃温度区间符合“低温低应力工况”的要求。endprint