探讨低合金低温钢压力容器设计中应注意的问题

付智

摘 要：文中对低合金低温钢压力容器设计中需要注意的问题，包括选材、结构设计、无损检测等，做了简单的介绍并结合低合金低温钢压力容器的破坏形式，提出了相应的设计标准要求和注意事项。

关键词：低合金低温钢；压力容器设计；注意事项

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.116

在低温条件下工作的压力容器称为低温压力容器。在冷冻设备、低温工程、石油化工等行业低合金低温钢压力容器的应用较为广泛，低温技术的发展扩大了低温压力容器的使用范围。但是在低温压力容器的实际应用中，极易受到温度的影响，随着使用温度的降低，压力容器可能会发生脆性断裂，但是在脆性断裂前容器结构不会出现或只是局部的极小变形，并且在结构的大范围也没有出现宏观的整体屈服迹象或者其他明显征兆，所以这种脆性断裂往往会造成出其不意的极大危害，影响着使用单位的人员安全和财产安全，因此在低合金低温钢压力容器的设计中，在选材、制造和检测方面均要采取措施，以防止低温脆性断裂事故的发生。

1 低合金低温钢压力容器发生脆性断裂的影响因素

（1）钢板厚度。一般情况下厚钢板的轧制变形量较小，但是往往终扎温度较高，晶粒粗大，钢板内部存在偏折的可能性也大，另外厚板在热处理时其表层与内部的冷却速度不一，从而导致金相组织的不均匀，因此钢板越厚其韧性越差，低温脆性断裂倾向也越显著。

（2）环境低温或介质低温。压力容器材料会因为低于材料脆性轉变温度，而由韧性状态转变成脆性状态， 导致其塑性韧性降低，在低应力情况下可能发生脆性断裂。

（3）结构设计。容器在加工、制造、安装过程中可能会由于结构设计不合理产生的集中应力或其残余应力而导致脆性断裂。

（4）冶金缺陷。钢材中的缺陷如偏析、裂纹、白点等冶金缺陷会使材料的冲击吸收功下降，脆性转变温度提高，在低应力作用下时就有可能发生脆断。

（5）轧制工艺。通过控制轧制和冷却工艺，可使晶粒细化提高钢材的韧性，并且降低了脆性转变温度。

2 低合金低温钢压力容器注意事项

（1）温度设计注意事项。对于低温压力容器，其设计温度是指在正常工作情况下，设定不高于可能达到的最低金属温度。对于户外储存的压力容器，当壳体的金属温度受大气环境温度影响时，其最低设计温度应按当地历年来“月平均最低气温”的最低值。对于工艺流程中的压力容器，其容器壳体壁温可以认为不受环境温度影响，介质温度直接决定着壳体壁温。还应考虑到最低操作温度、不正常操作、自动制冷以及任何其他致冷因素。

（2）选材设计注意事项。低合金低温钢压力容器的材料选择，需要考虑其冲击韧性与设计温度，结合材料的拉应力水平与焊接要求等因素。容器所使用的钢材，必须是氧气转炉或电炉冶炼的镇静钢，并应采用炉外精炼工艺，冲击试样取样及制备要符合GB/T2975-1998≤钢及钢产品力学性试验取样位置及试样制备≥的标准规定，试验方法应满足GB/T229-2007≤金属材料夏比摆锤冲击试验方法≥的标准要求。若筒体与厚度等规格超过标准规定，则需要按NB/T47013.3-2015≤承压设备无损检测≥的标准规定，进行超声波无损检测，合格级别不低于Ⅲ级，则为合格产品。选用焊接连接的非受压部件材料，其脆性转变温度要在工作温度以下，将碳、硫含量，控制在合理范围内，低温冲击韧性与接头规格要和受压元件的规格一致，确保其能够满足使用要求。

（3）结构设计原则。低合金低温钢压力容器的结构设计，要基于其加工工艺与使用需求，进行合理的设计。需要注意以下事项：尽量采取简单的设计结构，以此降低焊接件的拘束程度；尽量使用流线型容器，避免结构出现突变，同时流线型容器的应力分散，能够避免容器局部应力集中，从而降低脆性开裂的风险；在完成焊接后，则需要及时进行消除应力热处理；低温压力容器与锻管的材料，要尽量相同，防止出现温度梯度；接管附件焊接加工时，要采用全焊透结构，且焊缝圆滑过渡；容器的底座垫板要与容器材料保持一致，避免直接与容器壳体相焊。

（4）焊接要求。基于NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》标准，对低合金低温钢压力容器，进行焊接工艺评定。在选择焊材时，需选择与母材化学成分相近，力学性能和低温冲击韧性均不低于母材要求的材料。在进行压力容器焊接时，则要基于低温钢的SHCCT曲线，严格控制焊接线能量，避免使得焊道出现过热情况。选择较小的焊接线能量，在多道焊接过程中，不易形成粗晶组织，能够保证钢材的低温韧性。为了避免焊接卡具和拉筋等对容器钢材产生不利影响，在焊接过程中，这些辅助工装必须采用和壳体相同的焊接材料和焊接工艺。

（5）无损检测要求。对低温容器的内部和表面质量进行无损检测，确保其质量能够满足使用要求。在无损检测过程中，若设计压力大于或者等于1.6MPa，设计温度低于-40℃，壳体厚度>25mm，则对接接头应用取超声波进行检测，其他情况一般建议使用射线无损检测。以上条件下的C、D类焊接接头以及角焊缝等可及表面，受压壳体工装卡具临时附件拆除的焊痕表面，都应进行表面磁粉检测或表面渗透检测。

3 结束语

随着低合金低温钢压力容器被广泛的应用，其质量也备受人们的关注，因而加强对其设计与制造技术的研究便迫在眉睫。文中就低合金低温钢压力容器在设计、制造和检验等质量控制措施方面提出了几点建议，以加强在设计环节中对注意问题的控制，确保低温压力容器的质量。

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