浅谈低温压力容器设计苑颖

浅谈低温压力容器设计苑颖

苑颖

中石油北方工程设计有限公司吉林省吉林市132000

摘要：本文主要从低温压力容器确定、选材、结构设计、制造和检验等各个环节，简要探讨了低温压力容器在设计及使用中所需要注意的事项。

关键词：低温低应力工况；选材；结构设计；制造和检验；使用

随着科学技术的进步，低温技术在近些年得到了迅速发展和广泛应用。低温压力容器是低温工业过程的关键设备，其在石油化工行业中的使用量亦与日俱增。设计温度在-20℃以下的压力容器存在的缺陷、残余应力、应力集中等因素容易引起较高的局部应力，而造成容器发生塑性变形，引发脆性断裂，甚至发生严重的事故。所以在选材、结构设计、制造和检验等方面均要采取措施，防止低温脆性断裂事故发生，保证设备的安全使用。

1.低温低应力工况

所谓低温低应力工况是指对于符合规定温度条件的低温容器，若容器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六分之一，且不大于50MPa时的工况。

对于碳素钢和低合金钢制容器，当壳体或其受压元件使用在“低温低应力工况”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，高于或等于-20℃时，可不必遵循关于低温压力容器的规定。

2.低温压力容器的选材

低温压力容器设计的选材主要考虑材料在整个工作温度区应有足够的韧性，以防止容器发生脆性断裂。低温容器受压元件用钢材应是镇静钢，承受载荷的非受压元件也应该是具有相当韧性且焊接性能良好的钢材；一般低温用钢都要求正火处理，正火处理除可以细化晶粒外，还可以减少由于终轧温度和冷却速率不同而引起的显微组织不均匀，可降低钢材无塑性转变温度；对低温用碳素钢和低合金钢各类钢材，要求进行低温夏比V型缺口冲击试验，关于取样的分批要求按相应的标准或设计文件的规定。

（3）低温压力容器用碳素钢及低合金钢钢板的钢号、使用状态、使用温度下限等要求见表1。

（7）奥氏体不锈钢只有当最低设计温度低于-196℃时才考虑对母材的冲击试验。最低设计温度低于-70℃时，应考虑焊缝金属的冲击试验要求。

3.低温压力容器的结构设计

钢材随着使用温度的减低，会由延性状态向脆性状态转变，降低了抗冲击性能；当有难以避免的缺陷时，在低于脆性转变温度下受力，会导致脆断。所以，低温压力容器及其部件的结构设计应有足够的柔性，需充分考虑以下要求：

结构应尽量简单，减少焊接件的约束程度。

结构各部分截面应避免产生过大的温度梯度。

结构拐角和过渡应减少局部的应力集中以及截面尺寸和刚度的急剧变化。

容器元件的各个部分，包括接管与壳体的连接，所形成的T型接头、角接接头和各类角焊缝，以及接管、凸缘端部都应修磨成圆角，使其内、外拐角均成圆滑过渡。

容器的鞍座、耳座、支腿应设置垫板或连接板，避免直接与容器壳体相焊。垫板或连接板按低温用材考虑。

容器与非受压元件或附件的连接焊缝应采用连续焊。

接管补强应尽可能采用整体补强或厚壁管补强，若采用补强板，应为截面全焊透结构，且焊缝圆滑过渡。

在结构上应避免焊缝的集中和交叉。

容器焊有接管及载荷复杂的附件，需焊后消除应力而不能整体进行热处理时，应考虑部件单独热处理的可能性。

焊缝的结构设计：

（1）A类焊缝应采用双面对接焊或相当于双面焊的全焊透对接接头。

（2）B类焊缝也应采用与A类焊缝相同的全焊透对接焊缝，除非结构限制不得已时，允许采用不拆除垫板的带垫板单面焊。

（3）C类、D类焊缝，原则上均要求采用截面全焊透结构。

4.低温压力容器的制造和检验

焊缝在压力容器制造中必不可少，焊缝亦是制造中最薄弱的环节之一，因此应严格控制焊接质量，采用适当的焊接工艺使之达到图样要求和评定的标准。做到焊接区域内不能有焊接缺陷，如裂纹、气孔、咬边等；各焊缝要圆滑过渡；附件的连接焊缝不应采用不连续焊或点焊。此外还要重视并严格对焊接接头及其表面进行无损检测。低温压力容器的无损检测要求按GB150.4中10.3.1f、10.3.2及10.4a中要求。

容器的耐压试验与致密性试验按GB150.4规定进行。液压试验时，容器壁温必须比壳体材料和焊接接头的冲击试验温度（取高者）高20℃以上。如果由于板厚等因素造成材料无塑性转变温度高，则需相应提高试验温度。气压试验时，容器壁温必须比壳体材料和焊接接头的冲击试验温度取高者）高25℃以上。致密性试验，当试验压力等于设计压力时，试验温度应不低于设计温度；当试验压力高于设计压力10%以下时，试验温度必须比设计温度高20℃以上。

5.低温压力容器使用时应注意的问题

（1）间断工作的低温容器，当停车时应先降压在停车；当再开车时，一定要先升温，然后再缓慢升压。

（2）在低气温地区工作的压力容器，应尽量采用保温或加热等有效措施，以减少环境温度对容器的影响。在容器长期停车时，在工艺允许的情况下，应把介质全部放出。

6.结论

综上所述，设计者在低温压力容器设计的过程中，应从保障材料有足够的韧性、限制结构中的缺陷尺寸以及降低结构中的应力水平等方面着手；合理选用低温材料并正确提出对材料低温冲击试验的要求；严格控制焊接质量及提出合理无损检测要求，并在使用中严格遵守操作手册，以防止低温容器发生脆性断裂，力求压力容器设计的安全、经济、合理。

参考文献：

[1]GB150.1～150.4-2011《压力容器》

[2]HG/T20585《钢制低温压力容器技术规定》

[3]李世玉.压力容器工程师培训教程[M].北京：新华出版社，2005：362-380

[4]叶文邦，黄正林，曹文辉.压力容器设计指导手册[M].第二版.北京：中国石油和化工勘察设计协会设备设计专业委员会，全国化工设备设计技术中心站，2012：302-313.