低温压力容器的质量控制

刘宁岗

低温压力容器（以下简称低温容器）是指在低温环境中容易产生低脆性破坏的压力容器，按照GB/T150-2011 定义，低温容器是指设计温度低于-20℃的碳素钢、低合金钢，双相钢不锈钢和铁素体型不锈钢制容器，以及设计温度低于-196℃奥氏体不锈钢制容器。在制冷行业、空分行业以及天然气液化等装置中，大量使用低温容器，由于低温容器使用工况决定了设备在运行过程中存在低温脆性破坏失效，造成人民经济和财产损失，甚至危及生命安全。下面从低温容器的制造过程中几个重要环节做以下简要的分析。

1 低温压力容器设计环节的质量控制措施

1.1 明确结构与材料设计要求

低温容器在设计与选材过程中，要选取与设计温度、介质以及材料性价比相匹配的材料，例如在设计温度为-40℃的低温容器，如果成品介质没有纯度等指标的要求，建议选用09MnNiDR，16MnDR 等低合金钢材料，这样既减少了材料的成本，又使容器实现轻量化。低温容器在设计过程中，各类对接焊接接头、插入式角焊缝应采用全焊头结构。设计结构尽量采用均匀过渡，减少结构的不连续性引起的局部高应力使结构具有足够的柔性，应时结构尽量的简单，减少约束，避免产生过大的温度梯度。开孔处应尽量采用厚壁管补强。该方法避免采用补强圈形式补强时过大焊接填充量，焊接接头塑性性能下降等不足，接管端应打磨成圆角，呈现圆滑过渡。而对于残余应力的消除，一般应通过合理的焊接结构设计及焊后热处理达到。

1.2 加强焊接环节的控制

容器在焊接前，应进行对该材料按照标准规范进行焊接工艺评定，焊接工艺评定应覆盖产品所有的焊接接头，并在设计规定的温度下进行低温冲击试验，低温冲击试验应包括焊接接头的焊缝区和热影响区。在焊接工艺评定阶段，最重要的指标就是低温冲击试验，建议选用国内大型焊材厂家，因为同种焊材牌号下，不同厂商差异最大的就是影响低温性能的Mn、Ni 元素的含量。通过反复测试，选用一种比较合理的工艺方案。实践研究表明，焊接的过程中的线能量对焊接接头的塑性有很大的影响因素，低温容器宜选用多层多道进行焊接控制线能量。焊接时应考虑以下原则：第一、提高焊接速度，这是为了防止过热，防止出现粗大的铁素体和粗大的马氏体出现；第二，采用多层多道焊接，降低层间温度，目的是为了利用后一道对前一道的热作用，细化焊缝的金相组织。在对材料进行焊接时，热加工程序会产生一定的残余应力，这些应力主要集中在焊接区域。焊缝金属和热影响区域的母材在焊接时，也会发生一定的变形现象，从而产生作用力，在加工的过程中，附近的应力会不断叠加，对容器设备产生不良影响，容易引发脆性断裂等问题。在对这些问题进行解决时，不仅要对残余的应力进行消除，还要对焊缝金属中的氢气进行处理。可以采用热处理的方式，对影响区域和加工变形区域的组织进行软化，提高低温的韧性，确保低温的压力容器在使用时，能够具备更好的质量。在对热应力进行消除时，可以通过炉内的整体热处理和分段热处理以及局部热处理、总体内部热处理等形式，对相关问题进行有效的解决。其中整体热处理技术在应用时。具备更好的效果，可以对90%以上的热应力进行全部消除。相关人员在进行具体操作的过程中，需要严格按照作业程序进行热处理，才能降低热应力对容器的影响。

1.3 选用正确的焊接材料

低温焊接材料的选用，低温钢易产生冷裂纹，主要的原因是装配成型应力、淬硬组织和焊缝金属扩散氢的含量共同作用的结果。购买的焊接材料应选用低氢型的焊材，焊材应按批进行含水量测定和熔敷金属的扩散氢含量的复验。低温钢材中的杂质、焊接区域的油污、铁锈、大气中的水汽在电弧高温作用下分解出氢原子进入熔池中，在焊缝冷却中过饱和的状态扩散、聚集于熔合线附近的热影响区，在焊接应力及淬硬组织的共同作用下，容易产生冷裂纹。

1.4 规避裂缝问题的发生

低温钢热裂纹的产生与材料中有害元素P、S 含量有关，焊缝中有害元素与其易形成低熔点共晶物共同作用，产生严重的偏析，从而形成热裂纹，特别是9Ni 钢的焊接，采用与木材不同的奥氏体型填充材料，更易产生热裂纹。另外，焊接时形成的焊接熔池与热裂纹有关。熔池深而窄，则偏析多集中在焊缝中间，易形成热裂纹，熔池浅而宽，而且呈圆形，则抗热裂纹性好。

图2 低温压力容器

2 低温压力容器生产环节的质量控制措施

2.1 选用正确的生产工艺

在低温容器制造过程中，下料和制造过程中，材料标识宜选用油漆笔、记号笔进行标记，严禁采用硬性钢印进行标记和标识。焊接过程中应严格依照焊接工艺指导书，在纵焊缝焊接时，应在其延长部分加焊接工艺试板。试件的设置原则为；应采用与容器具有相同牌号、相同厚度、相同焊接工艺和相同热处理状态的原材料。试件应由焊接该容器的焊工施焊，试件整个焊接过程能够模拟容器的制造过程。当容器要求进行焊后热处理时，产品焊接试板应和产品一起随炉热处理。热处理的目的是改善材料和焊缝金属的金相组织和细化晶粒，由于厚板在热处理时，内层的冷却速度比外层慢，从而影响金相组织的不均匀性，导致焊缝的冲击韧性值降低。为此，热处理工艺的制定与验证必须慎重。低温容器在制造过程中，严禁强力组装，出现在容器本体的工装卡具拆除后应将表面打磨并进行表面无损检测。在对生产环节进行管理时，还要对生产工艺的实际应用情况进行科学的评估，促进各个生产环节的有效衔接。在对安装环节进行控制和管理时，需要降低内部应力水平和冷作硬化等现象的发生概率，提高产品的品质。还要保证设备所有的参数符合应用的需求，尽可能提高设备自身的温度抗性。

2.2 规避变形质量问题

奥氏体不锈钢低温容器在焊接过程中，应严格控制焊接的角变形和焊后横向收缩，这是因为，与碳钢相比，奥氏体不锈钢的电阻率是碳钢的5 倍，在同样的焊接电流，电弧电压条件下热输入多，而其热导率仅为碳钢的1/3，导致热量传递速度缓慢，热变形增大。为此，不锈钢钢板的对接接头焊接要留有足够的收缩余量，如果焊后变形超过允许值，就必须矫正变形，通产采用冷矫正的方法。

2.3 选择优质的生产原材料

焊接材料的选用应严格按照NB/T47018 承压设备焊接材料采购技术条件规定执行，焊接工艺评定应执行NB/T47014 承压设备焊接工艺评定，焊接材料的选用的原则焊缝金属应与母材的力学性能指标相当。当原材料有冲击要求时，应对焊接试块取样进行低温冲击试验，试验的温度应为材料规范中的温度或设计要求的温度，合格指标符合NB/T47014 承压设备焊接工艺评定中的规定。对于焊接工艺评定，存在试样冲击功较低不符合规范要求的情况，一般是由于焊接过程中，焊接线能量过大造成晶粒粗而大引起的冲击功较低，所以低温容器焊接应严格控制线能的输入。另一方面，应选用NI 含量较高的焊接材料，补充由于焊接线能量过大引起的金属过烧。

加强对低温材料的管理，要求对进厂的所有材料进行复验，从源头上来避免使用劣质材料生产制造。其中，低温三类压力容器与球罐用材料应采用全项目复验的方式，确认材料化学成分、低温冲击值、常温机械性能以及钢材超声波等方面均符合生产要求。以复验结果为依据，确保生产下料的精确性，提高筒体成形效果。另外，在进行焊接时，应选择化学成分与力学性能和母材接近的低氢碱性焊条处理，而埋弧焊焊剂则适合选用碱性与中性焊剂。低温钢所应用的所有焊条，均需要根据批复检验药皮含水量以及熔敷金属的扩散含氢量。为保证所用材料的标准性，需要建立专门的管理制度，针对材料发放、回收以及现场管理等内容，安排专人负责管理，并落实技术交底策略，以此来提高材料管理效果，为低压容器的生产制造提供更加可靠的保障。

2.4 加强质量检测与管理

低温压力容器的检验与检测，由于低温容器在低温工作状态下，容易产生低温脆性破坏，特别对于缺口敏感程度增加，缺口越尖锐，应力越集中，就会产生脆性破坏的程度增大。因此，对于低温容器检验过程中，应严格检查焊缝外观，保证焊接结构的连续性，不能产生局部的不连续造成应力集中。此外外观检查完成后应对焊缝表面采用磁粉或者渗透等无损检测方法确认表面质量。低温容器在焊接过程中应严格控制热输入，所有的焊接接头应采用全焊头的结构，无损检测的比例宜进行100%检测。在检测过程中，需要对受压元件和非受压元件进行重点检测，要想保证检测操作顺利进行，应该按照技术指标进行相关检测，在检测之前，需要对检测区域的表面进行打磨，确保待检部位的表面状态符合检测要求，不对检测结果出现伪缺陷。

2.5 重视生产安装管理

制造与安装工艺操作不当，也是造成低温容易质量问题发生的重要因素，往往会因为内部应力集中而造成低温脆性断裂。尤其是低温条件下，应力集中比较大的峰值应力与设备总体薄膜应力以及弯曲应力进行叠加，在局部便会产生非常高的应力值。同时低温环境钢材的塑性变形能力降低，自限性条件消失，这时钢材便很容易突然发生脆性断裂的问题。另外，制造环节钢材在冷态下加工会有较大的变形率，导致强度与硬度增加，而塑性与韧性降低，假如不及时采取有效的措施应对处理，便会有较大的可能出现低温脆性破坏的问题。因此，以提高低温容器质量为目的，必须要重视对制作安装环节的管理，将存在的隐患消除掉。

首先，下料时必须要严格以设计的排版尺寸为依据，保证下料的精准性，为筒体精准成形提供支持。封头与球壳板可二次下料，确保各项参数的精确性。以及在低温容器运输时，全程要进行可靠固定，预防因为磕碰产生变形。到场后进行组装作业前，要对容器尺寸进行核验，存在的超标板材要进行压制和校圈。如果与设计存在较大的偏差，不得强行组对，以免形成过大的组装应力影响低温容器的质量。一般组对时必须要保证各筒节的偏差可以均匀分布，确认不会集中到某一段或某一侧，以此来预防形状发生突变。面对不同厚度的对接作业，可以适当地削薄处理，并确保可以圆滑过渡到薄板，预防应力过度集中。另外，要格外注意钢材冷作硬化的问题，于常温下成形或矫形的各零部件，必须要将钢板的冷塑性变形率控制在2%以内，且不得采用铁锤敲打的方式作业。面对温度在-10℃以下的环境条件，应停止进行冷变形加工。

2.6 加大容器的测试力度

容器完工后，应按照设计图纸对容器进行压力测试，考虑容器的结构应设置相应的工艺孔，便于试验介质排出来，避免在正常工作条件下，造成工艺管口的堵塞，出厂前应对容器内部进行露点检查，在露点检查合格后，使用氮气做0.02MPa 氮封。

3 结语

综上所述，目前在进行石油化工装置设计的过程中，部分设置的运行气温比较低，对生产和制作程序存在较高的要求。在进行相关设备设计和研发时，需要根据运行温度的要求，对制作材料和生产工艺进行优化，才能提高设备的应用性能。确保低温压力容器能够始终保持良好的运行状态，避免因为温度因素的影响，导致设备存在质量缺陷。在对设备的制作过程进行管理时，需要根据设备的运行特点，制定针对性的质量管理措施，才能规避运行风险，延长设备的使用寿命，为相关企业带来更多的综合效益。