低温下压力容器设计需注意的问题框架构建

摘 要：低温压力容器的设计工作繁杂，要求较高的严密性。一般情况下，设计压力容器的温度低于-20℃时，由于压力容器存在一定缺陷与残余应力等问题，导致容器局部的应力过高，进而造成容器的塑性变形，使容器出现脆性破裂，造成严重的安全事故发生。基于此，本文对低温下设计压力容器这一问题作出分析，简要阐述了低气温下设计压力容器需要注意的材料与结构等环节，旨在提高压力容器的稳定性。

关键词：低温;压力容器;设计要点

低温技术属于工业装置，在存储、运输气体与液体方面有着重要作用，使低温压力容器受到广泛应用。但压力容器的温度偏低，极大程度上增加了容器金属的脆性，当温度低于正常水平后，自然会发生脆性破坏的问题。除此之外，低温压力容器通常直接发生脆性破裂，小范围塑性变形的可能性不高，极易造成事故发生。

1 设计低温压力容器的三点问题

1.1 设计低温压力容器的材料

制造低温压力容器的材料应当具备良好的冲击韧性，重点是在缺口位置与低温环境下，由裂纹的敏感度以及微观变形具体性能所决定的，决定容器后期脆性破裂的重点位置即缺口。设计低温压力容器的主要问题为材料，而材料的主要问题是由冲击韧性没能符合标准造成的。例如受压与非受压材料，以及所需的连接元件等，都是材料设计的问题。例如，受压材料，研究分析低温压力容器在温度设计方面的不同影响。受压材料存在较多类型，具有一定差异，导致在低温环境下，造成脆性破裂的原因也不相同。以碳锰钢为例，碳锰钢的使用温度应控制在-40℃以上，若环境不符合此标准，就会造成容器出现脆性断裂的情况，即韧性问题。在设计低温容器的过程中，受压材料的使用比例较高，对低温容器影响巨大。此外，不仅是韧性问题，更需要周密控制设计材料处于低温环境下，发生的裂纹扩展以及塑性变形问题，才能有效保障压力容器在低温条件下，符合设定标准。

1.2 设计低温压力容器的温度

设计低温压力容器时应注意的温度问题，是指工作温度应当符合实际温度，设计低温压力容器时，若出现非正常问题，会导致设计过程中所需的金属材料与设定温度不符。因此，设计低温压力容器时，需要严格按照国家制定的相关标准，针对各个类型的材料需要具备对应的设计温度，若温度不符合要求，后续设计容器时的效果会受到不良影响。如，原定的设计温度应控制在-20℃，才能确保设计低温压力容器时的稳定性，但在实际的制造过程中，将温度控制在-10℃或-15℃之间，温度与设计标准不一致，导致所设计出的低温压力容器与温度标准不符。并且，在设计低温压力容器时，应高度重视设计的温度问题，明确温度高低对设计低温容器的整体影响，情况严重时，若温度与标准不符，会遗留一定的安全隐患，导致后续的工作中无法正常使用低温压力容器。

1.3 低温压力容器的焊接

需严格设计低温压力容器的焊接问题。在焊接容器时，所采用的方法、后期处理及焊接设计，需要严格按照相关规定进行，复验的过程中能够发现一些焊接设计问题。因此，设计并制造低温压力容器后，需要进行反复的检验与查验，其目的是为了降低后续使用容器时发生的一些不良破坏问题。例如，某个低温压力容器在制造过程中，使用钢板焊接筒体与封头，在制造过程中没能发现异常问题，但经过检验时，检测出连接部位的钢板厚度超出标准要求，由此得知容器的焊接环节不合格。除此之外，低温压力容器在焊接时，也会出现一些其他问题，如焊缝不合格，这种情况会导致低温压力容器存在一定的安全隐患。

2 解决设计低温压力容器问题的三点措施

2.1 解决设计材料的措施

冲击韧性能够检验低温压力容器的设计材料是否与标准要求相符。材料韧性与低温之间息息相关，二者相辅相成。温度越高，冲击韧性的性能也更好，同时，随着温度上升数值，能够良好表现冲击韧性的性能。高强钢温度在升高时，其冲击韧性也会小幅度增加。提高低温压力容器的冲击韧性有两种方法，一是将镍元素加入到低温压力容器的设计中，加入后能够使低温压力容器的材料发生改变，防止集中应力，这样能够有效提高容器的机体韧性，容器中的镍元素含量在13%以上时，几乎不会发生容器脆性断裂的问题。因此，将镍元素积极推行到低温压力容器的材料设计中，能够良好保障容器的冲击韧性。又比如，将V、Nb等适当加入到容器的钢材料中，能够与钢材料发生一定反应，形成化合物，并呈现出粒子状态，有效扩大了容器晶界面积，并确保低温压力容器钢结构具备良好的低温韧性。

2.2 解决温度问题的措施

设计低温压力容器的温度应当将其控制在，正常的条件下。同时，其设计温度应当高于容器所使用的，最低温的金属材料，并遵循国家制定的相关标准进行温度的设计。我国设计低温压力容器的温度要求数值十分明确，可以参照国家的相关要求进行温度设计。低温情况下的容器在工作时，材料强度不可超过500MPa，这样才能确保低温压力容器的稳定性能。在进行温度设计时，需要充分考虑材料、工艺与检测，可根据设计的温度标准增加50℃，使低温压力容器发生脆性破裂的可能降低。在解决温度问题时，应当进行低温压力的检测，保障其温度设计符合标准。

2.3 解决焊接问题的措施

首先，低温压力容器进行焊接时，应当严格遵循我國相关规定完成焊接。行业相关人员需要自行编制出焊接压力容器的工艺指示，将低温压力容器的各项焊接操作明确指出，并进行相关的评估检测工作，检测低温压力容器的焊接设计是否达标。其次，使用焊接线时，应合理应用，最大限度保障低温压力容器的两侧机体材料与标准相符。最后，在进行低温压力容器的焊接设计时，应当充分考虑焊接工艺的评定，参照其具体结果，尽量选择能量小的焊接线在规定范围中应用，这样能够有效避免低温压力容器存在过多的焊接线，相关工作人员可以采取多道焊接的方式，提高低温压力容器的稳固性能。

3 设计低温压力容器需注意事项

低温压力容器在设计的过程中，会出现较多问题，这些问题会对容器整体的制造与后期使用带来不良影响。因此，在设计低温压力容器时，应当注意容器的使用材料与实际温度，并做好焊接工作。同时，需要明确三者之间的关系，设计容器时的温度与材料存在载荷条件，容器各个位置在焊接金属时也会受到温度的控制。低温压力容器在设计的过程中需要注意，保证设计的稳定性与安全性，做好焊接的热处理，降低焊接部位的应力，有效防止容器发生脆性破裂，使低温压力容器符合标准要求。在设计低温压力容器时，其需要遵循的要求与标准较多，因此需要相关人员做好记录工作，确保将各个环节与步骤的设计内容精准记录，这样能够有效帮助设计人员，提高设计低温压力容器的水平。此外，应当组织好设计低温压力容器试验各项评定的具体应用，并借助规范化的试验操作流程，保障低温压力容器能够符合相关使用标准。

4 结束语

随着低温压力容器的不断普及，其工艺设计与制造与普通压力容器相较具有诸多差异，低温压力容器逐渐受到广泛关注与认可。在设计低温压力容器时，需要严格按照相关标准进行检验，确保其制造过程与结果符合相关要求。在处理低温容器中的常见问题时，应当综合考虑实际情况，不断提高低温压力容器的质量，确保其持续发展。

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作者简介：

安然（1988- ），女，汉族，辽宁省鞍山市人，中级工程师，本科，主要研究方向：压力容器及非标设备设计。