低温压力容器设计探究

刘亚楠

(中盐工程技术研究院有限公司，天津 300450)

近年来，随着我国化工产业的快速发展，化工产品的产能和种类都有较大提高。为服务化工产品生产，化工设备设计、制造业得到了较快发展。其中低温压力容器作为其中一个方向，其设计问题也受到了越来越广泛的关注。文章针对低温压力容器的特点，对低温压力容器的相关设计问题进行阐述。

1 低温压力容器的失效形式

随着使用温度的降低，低温压力容器的失效主要形式是脆性断裂。低温脆性断裂是在没有预兆的情况下发生的，在结构失效之前没有明显的塑性变形，一旦发生断裂，失效速度很快，断口齐平、与最大主应力方垂直，光亮平滑，呈晶粒状，壁厚无明显塑性变薄；脆性断裂的应力水平通常低于壳体材料的屈服强渡，甚至低于许用应力。因此脆性失效具有低应力破坏特征。应力低到什么程度导致结构失效与材料的力学性能、操作温度、缺陷形状和大小、残余应力和是否进行热处理等诸多因素有关。

常温下工作的由塑性很好的碳素钢或低合金钢等低强度钢制造的薄壁压力容器，一般来说发生脆性断裂的危险性不是很大。但是对于由中、高强度金属材料焊接制成的厚壁压力容器，发生脆性断裂的概率较大，因此在加工及使用过程中要引起重视。在化工行业，特别是石油化工及制冷行业所用的低温压力容器，具有壁厚、尺寸大、受介质腐蚀等作用，以及通常这种容器是由高强度材料制造，因此在设计该类型的压力容器时，除了确保容器强度条件之外，还需要进行必要的防脆断设计或评定。

2 低温压力容器温度界定

目前，国内外的相关压力容器设计标准中都对设计温度界限做出了规定，但是各个国家对低温温度的界定都不相同，美国ASME Ⅷ-1标准中规定低温界限为-30 ℃以下；德国的AD标准中规定的低温界限为-10 ℃以下；日本的JIS B 8270标准中规定的低温界限为-10 ℃以下；英国的BS 5500标准中规定的低温界限为0 ℃以下[1]；我国现行的GB150《压力容器》规定低温压力容器的设计温度界限为-20 ℃以下，此外GB150《压力容器》同时规定了低温低应力工况，即壳体或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)小于或等于钢材标准常温屈服强度的1/6，且不大于50 MPa时的工况。但对于碳素钢和低合金钢制容器，当壳体或者其受压元件在低温低应力状况下，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[2]。

3 低温压力容器的选材

低温压力容器的材料选择比非低温容器要求更高，低温钢材在冶炼方法、化学成分、热处理等生产工艺有更加严格的规定。在设计低温压力容器时，首先要考虑选用在低温下具有较好韧性的钢材。要提高材料的低温韧性，可以在冶炼的过程中加入必要的元素，例如可以加入适量的V、Nb等元素，或控制轧制和控制冷却工艺，或进行正火处理，细化晶粒，增加韧性。表1列出了常见低温介质所用钢材种类，可供设计时选用参考[3]。

钢材在用于制造低温压力容器之前，需要进行夏比V口低温冲击试验。试验温度应根据容器受压元件的最低设计温度确定，应等于或者低于设计温度(一般情况下取等于设计温度)；当设计条件与低温低压力工况相符时，冲击试验温度按设计温度増加50 ℃之后的值考虑，当调整之后的冲击试验温度高于或等于0 ℃时，可不需进行低温冲击试验。夏比V口冲击试验方法，应符合GB/T 229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》的规定，试验时每3个试样为一组。常用钢材的冲击功要求见表2。

表1 低温压力容器常用材料Tab.1 Common materials for cryogenic pressure ressels

表2 低温冲击功要求Tab.2 Low temperature impact energy requirements

4 低温压力容器的结构设计

低温压力容器的强度按照GB150《压力容器》标准中的相关章节计算，计算时低温压力容器所用受压元件钢材的许用应力，应采用其常温20 ℃时的数值。

相对于普通压力容器，低温压力容器在结构设计时需要另外注意以下方面：

(1)结构尽可能简单，减少焊接件的拘束程度；

(2)在材料选择上，尽量单一；

(3)结构应避免产生过大的温度梯度；

(4)结构应尽量减少局部应力集中以及截面的急剧变化；

(5)与受压元件连接的附件，应采用连续焊接且不应与A类、B类焊接接头重合；

(6)用于支撑容器的鞍座、支腿和耳座等非受压元件不应直接与本体直接焊接，在二者中间应设置垫板或连接板，其材料应与容器本体材料相同；

(7)当容器上有接管和载荷复杂的附件，需要进行焊后热处理消除应力，但因体积限制不能整体热处理时，需要考虑对焊接部位进行局部热处理；

(8)如果遇到需要对接管进行补强的情况，优先选择厚壁管或者车制锻造管进行补强；

(9)关于低温压力容器的锥形封头或变径段的半锥角规定如下：半锥角最大不得超过45°；当半锥角≤30°时，允许采用无折边结构；当半锥角>30°时，应设置折边，折边结构的弯曲半径应≥0.1倍直径且≥3倍壁厚，并带有≥25 mm的直边；

(10)接管选用，应遵循以下原则：与壳体相焊接的接管壁厚不应小于5 mm，如果小尺寸接管壁厚不满足要求，可以采用锻造后车制的非标管，延伸出的部分采用标准接管尺寸方便与法兰焊接。连接弯头不得采用接管直接焊接拼接。当接管与壳体相焊且采用插入式结构时，接管顶端的尖角需要处理成圆角，圆角半径最小为3 mm。如果采用钢板卷制接管，接管的A类、B类焊接接头应采用全焊透结构。

低温压力容器焊接应注意：A类、B类焊接接头应采用双面焊或者相当于双面焊的全焊透对接接头；对因结构限制不能采用双面焊接的B类焊接接头，可采用焊后不拆垫板的单面对接接头；E类焊接接头除结构要求外应避免间断焊和点焊；壳体拼接不得采用十字焊缝，相邻筒节和封头纵焊缝应该相错，相错距离应大于较厚板的4倍，且不小于100 mm。

5 小结

低温压力容器在使用过程中，其发生脆性破坏的可能性很高，所以要求设计人员在设计过程中，要结合容器介质、温度、压力与材料特性等多种因素综合考虑，并结合实际的应用环境，对容器的选材、强度结构、制造和检验提出全面合理的要求，在保证经济适用的前提下，设计出安全可靠的容器。