低温压力容器设计要点及注意事项

摘要:在工业装置中气体的液化、液化气体的生产、储运和应用日趋广泛，低温技术的发展促进了各种低温压力容器的运用。低温压力容器设计较常温容器设计复杂，笔者就低温压力容器的使用特点及存在的的失效模式，设计时低温压力容器的选材、结构设计和制造工艺检验应注意的事项作了分类分析，为在工作中低温压力容器设计给予更多的参考。

关键词:低温压力;容器;设计要点;注意事项

低温技术是在液态空气工业上发展起来的，随着科学技术的进步，低温技术得到了迅速发展和广泛应用。而低温压力容器是低温工业过程的关键设备，极大促进了低温压力容器建造的发展。低温压力容器使用温度低，钢材在低温下使用其韧性和塑性与常温相比会不同程度地下降，脆性增大。当低温压力容器的使用温度低于一定温度时，在有足够尖锐的缺口或缺陷处，就可能导致低应力下的脆性断裂，这种断裂会突然发生。在生产装置中有许多压力容器、化工设备、管道等多次发生脆性断裂，造成巨大损失。为了避免发生事故，这就需要在设计时，从低温容器设计温度的确定、材料的合理选择、结构设计、焊接材料选择、制造检验、焊后消除应力热处理等方面做出合理的设计。

1、设计温度的确定

设计温度低于－20℃是判定碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢容器是否是低温容器的关键;设计温度低于－196℃是判定奥氏体不锈钢容器是否是低温容器的关键。在进行设计时，要对影响容器温度的相关因素进行全面了解和分析，容器的使用地点、安装位置是室内还是室外、正常工作环境温度下对容器壳体金属温度的影响以及容器内介质温度对金属的影响。

2、材料选择要点

由于低温压力容器主要的失效模式为脆性断裂，而钢材在低温下脆性增大，韧性降低。对材料的选择与非低温容器材料的选择相比提出了更高的要求。低温钢材在冶炼方法、化学成分、热处理状态等方面加以严格规定和要求，并且对所使用的钢材提出低温冲击要求。用于设计温度低于－20℃并且抗拉强度下限值小于540MPa的钢材P≤0．025%，S≤0．012%;用于设计温度低于－20℃并且抗拉强度下限值大于540MPa的钢材P≤0．02%，S≤0．01%。低温压力容器受压元件之间及与受压元件直接焊接的非受压元件材料应是焊接性能良好的钢材。目前我国低温用钢按使用温度主要分为以下三类。1)设计温度低于－20℃不低于－40℃，这类容器是以16MnDR钢材为代表，主要使用于安装在室外受环境温度影响的空气储罐、氮气储罐等。2)设计温度低于－40℃不低于－196℃，可以选用Ni系列低温钢材进行制造低温容器;用于设计温度－70℃的09MnNiDR可以用于液氨设备的制造;08Ni3DR可以用于制造使用温度－100℃的低温容器;06Ni9DR可用于制造使用温度－196℃的低温容器。3)设计温度低于－196℃不低于－273℃，通常选用奥氏体不锈钢进行容器制造。如S30408等奥氏体不锈钢。

3、结构设计要点

3．1容器结构设计应遵守的要点

1)结构应尽量简单，减少约束，避免产生多余的附加应力，避免产生过大的温度变化，选材一致。2)应尽量避免结构形状的突变，减小局部应力，较高的局部应力是产生裂纹的关键因素。3)接管与壳体连接处角焊缝要凹型圆滑过渡，接管端部内壁处做圆角处理。4)接管补强应尽可能采用整体补强或厚壁管补强，若采用补强圈结构，应为全焊透结构，且焊缝圆滑过渡。5)支座与壳体的焊接应设置垫板。

3．2密封紧固件的设计

低温压力容器法兰用螺柱紧固件，不得采用一般的铁素体商品紧固件，设计温度低于－40℃～－70℃螺柱材质应选用35CrMoA;设计温度低于－70℃～－100℃螺柱材质选用30CrMoA。提出硫和磷化学成分限定含量，并且做低温冲击试验。设计温度低于以上温度应选用奥氏体钢螺柱。螺柱应采用中部无螺纹部分的芯杆直径不大于0．95倍螺纹根径或全螺纹的弹性螺柱。

3．3密封垫片的设计

密封垫片用非金属材料应采用石棉橡胶板、柔性石墨等在低温下有良好弹塑性状态的材料，使用温度低于－40℃选用金属材料的密封垫片(如金属包覆垫片的金属外壳、缠绕式垫片的金属带以及实心的金属垫)，应采用奥氏体不锈钢、铜、铝等在低温下无明显转变特性的金属材料。

4、焊接接头的设计与焊材的选择

1)在低温压力容器工作时各种焊接接头承受的力大小和性质都不同，各种焊接接头都有不同的设计要求。低温压力容器受压部件的焊接接头根据所在位置分为A、B、C、D、四类，分类原则同《压力容器》GB150－2011规定。此外，把底座、支耳、托架、垫板及其他非受压附件与容器内外壳壁的连接接头规定为E类焊接接头。A类焊接接头应采用双面对接焊，或采用保证焊透及双面成型，与双面焊具有同等质量的单面对接焊。如果采用带垫板的单面焊，焊后必须拆除垫板。B类焊接接头虽然承受轴向应力为主但也应采用与A类焊接接头相同的结构设计。C类焊接接头不论采用哪种形式均为焊透结构。法兰与筒体、接管如采用平焊结构当为全截面焊透结构时，适用于设计温度不低于－40℃，且设计压力不大于4．0MPa工况。D类焊接接头接管与容器器壁的角接接头应采用完全焊透结构。2)低温压力容器受压元件或受压元件与非受压元件焊接采用手工电弧焊焊条应选用低氢碱性焊条，采用埋弧自动焊应选用碱性或中性焊剂。3)低温压力容器异种钢焊接接头的性能要求。铁素体钢与奥氏体钢直接焊接，由于铁素体钢与奥氏体钢的线胀系数差别较大，在低温场合会引起温差应力，且在熔焊中铁素体一侧的碳向焊缝金属转移，会引起铁素体侧强度下降和焊缝金属的塑性降低。焊接时应遵循以下要求。(1)一般应选用Cr23Ni13或Cr26Ni21型高铬镍或镍基焊接材料，焊后原则上不再进行消除应力热处理;(2)该类异种钢焊接工艺评定和产品焊接试板应符合下列要求。①焊接接头抗拉强度不低于两侧母材中最低抗拉强度的较小值。②铁素体侧的熔合线和热影响区的冲击功应按铁素体钢的抗拉强度确定相应的V型缺口冲击功值KV2。③接头应做侧弯试验，弯心直径等于4倍试样厚度，180°。弯曲试验后在拉伸面上的任何方向测量不得有超过1.5mm的开裂缺陷，熔合线处也不得有超过3mm的开裂缺陷。

5、制造检验

低温容器的焊接应严格控制线能量，通常采用较细的焊条、小的焊接线能量多道施焊。低温压力容器对接焊缝在允许采用局部探伤时，检测长度不得少于各焊接接头长度50%，这是根据低温压力容器的特点从安全角度考虑的，其检测长度的要求与常温容器是不同的。如果按照常温容器检测长度不得少于各焊接接头长度20%是不对的。低温容器有A类纵向焊接接头的容器，应逐台制备产品焊接试件，产品焊接试件须在产品制作过程中，由制作焊工以产品制作时同样的材料、同样的焊接工艺和焊接条件与产品焊接接头同时焊接，不得由其他焊工制作或在产品完成后补做。

6、焊后消除应力热处理

低温容器的材质和焊接接头厚度如达到设计制造标准热处理规定，必须要对容器进行消除应力热处理。焊后热处理能够消除焊接过程中产生的焊接残余应力，改善焊接接头的力学性能，降低钢材低温脆性断裂倾向。

参考文献:

［1］孟雅威，葛志强．关于低温压力容器设计的若干问题分析［J］．科技创新与应用，2012(32):114．

［2］高军．低温压力容器用钢及其焊接与检测田机械研究与应用，2014．

作者：王建成 单位：吉林市厦林化工分离机械工业有限公司