低温压力容器的材料选取浅析
低温压力容器设计探究
低温压力容器设计探究发布时间：2021-05-14T09:52:36.527Z 来源：《科学与技术》2021年第29卷第4期作者：张永刚[导读] 随着我国经济社会的发展和科技技术的进步张永刚北京石油化工工程有限公司西安分公司陕西西安 710075摘要：随着我国经济社会的发展和科技技术的进步，低温技术得到了迅速发展和广泛应用。
笔者就低温压力容器的使用特点及存在的失效模式，设计时低温压力容器的选材、结构设计、焊接制造要求、焊后热处理、无损检测等应注意的事项作了分类分析，为工作中低温压力容器设计给予更多的参考。
关键词：低温压力容器；设计要点；注意事项；引言随着我国经济社会的发展和科技技术的进步，低温技术得到了迅速发展和广泛应用。
低温压力容器发生失效破坏会造成出人意料的极大危害，因此在低温压力容器设计时必须科学合理，保证其质量。
1低温压力容器的失效形式由于环境低温或介质低温的影响，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。
低温脆性断裂是金属材料在温度降低至临界值（一般为其韧脆转变温度）以下时，在没有预兆的情况下发生的，在容器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；脆性断裂时，结构元件内部的应力水平通常低于材料的屈服强度，甚至低于材料的设计应力（材料的许用应力），因此脆性断裂具有低应力破坏特征。
在设计低温压力容器时，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。
低温脆性断裂与材料的力学性能、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。
2低温压力容器设计要点 2.1确定设计温度我国对低温容器的划分是指设计温度低于－20℃的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器，以及设计温度低于－196℃的奥氏体不锈钢制容器。
对于低温容器，其设计温度是指在正常工作情况下，设定的不高于可能达到的最低金属温度。
低温压力容器设计应考虑的问题
低温压力容器设计应考虑的问题一、选材。
低温压力容器应选用低温压力容器用材料（低温低应力工况除外），选材原则：1）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；2）一般低温用钢都要求正火处理，正火处理不仅可以细化晶粒，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；3）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；4）C2.1.2 δs>20mm逐张UT Ⅲ；C2.1.4 对不同温度进行冲击试验。
二、容器的结构设计要求均应有足够的柔性需充分考虑下列问题GB150附录C3.21)尽可能简单，减少约束。
2)应避免产生过大的温度梯度。
3)应尽量避免结构形状突变,以减少局部高应力，接管、凸缘端部应打磨成圆角，圆滑过渡。
4)容器的鞍座、耳座、支腿应设置垫板或连接板，避免与容器壳体相焊。
垫板或连接板按低温材料考虑。
垫片要选择在低温下有良好弹性的材料。
5) 容器与非受压元件或附件的连接焊缝应采用连续焊。
6)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。
7)在结构上应避免焊缝的集中和交叉。
8)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。
三、焊缝的结构设计：GB150附录C3.31)A类焊缝应采用双面对接焊，或采用保证焊透、与双面焊具有同等质量的单面对接焊。
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，原则均要求采用截面全焊透结构。
对于一般平焊法兰的截面非全焊透结构，规定仅用于压力较低（设计压力不大于 1.0MPa）、较高温度（设计温度不低于-30℃）的场合，且标准抗拉强度下限值低于540MPa的材料。
四、焊接接头的无损检测（NDT/NDE）C4.6.1 容器的对接接头（A、B类）凡符合下列条件之一者应进行100%RT or UT：A）容器设计温度低于-40℃；B）容器设计温度虽高于-40℃，但接头厚度大于25mm；C）10.8.2.1和10.8.2.2者1）无损检测比例为100%、50%。
制药装备中压力容器钢材选取要点解析
制药装备中压力容器钢材选取要点解析发表时间：2020-12-23T12:41:24.363Z 来源：《基层建设》2020年第24期作者：胡志勇[导读] 摘要：制药装备当中，压力容器材料的选择与制药过程的多样性及复杂性有极大关联，甚至是决定关系。
德强生物股份有限公司黑龙江哈尔滨 150060摘要：制药装备当中，压力容器材料的选择与制药过程的多样性及复杂性有极大关联，甚至是决定关系。
制药装备中，经常使用的压力容器材料有钢材、复合材料金属与非金属等，不过，在实际应用过程中，被利用最多当属钢材，因此，文章以制药装备中压力容器钢材选取要点为题进行分析，目的在于为行业内相关单位提供参考。
关键词：制药装备；压力容器；钢材选取；要点1 制药装备中压力容器钢材选取的基本要求制药工业在进行生产的过程中，会面临极其复杂的工艺条件，因此，必须综合考虑各种因素所带来的影响。
文章与实际使用相联系，分析制药装备当中压力容器钢材的选择要点，其中包含钢材选择的基本要求、常使用的钢材介绍，意在给制药装备制造安装单位提供参考。
1.1 钢材的韧度制药装备当中，压力容器必须具备优良的韧性，压力容器结构中，存在小圆角亦或是缺口的结构，进行焊接的过程中，也会产生一些气孔、夹渣的情况，还有未焊透或者没有熔合的缺点，甚至是产生裂纹。
这一系列的不足便会在容器局部进行应力集中，面对这些问题的存在，就要求钢材具备良好韧性，只有拥有良好的韧性，才能避免因为载荷波动、过载、冲击、低温等情况所引起的压力容器开裂。
1.2 钢材的强度制药装备当中，压力容器要承担一定的压力及另外的载荷，因此，其钢材需要具备应有的强度。
压力容器的壁厚程度是由其钢材强度所决定的，但是，钢材的所有力学性能之间既存在联系性，又存在制约性。
所以，在进行选材的过程中不能只看其强度，还要综合考虑，全面分析。
如果钢材的强度偏低，就需要将容器元件厚度再增加一些。
但是，应当避免无原则使用高强度钢材，这样会造成材料及制造成本过高的情况，同时，钢材的抗脆断力度也会降低。
碳钢、低合金钢与低温压力容器
碳钢、低合金钢与低温压力容器【摘要】：钢材由于低温因素的影响而发生脆断，会引起设备整个结构的破坏。
因此，对于钢材在低温下的力学性能、工艺性能、钢材脆断本质以及影响脆断的各项因素，予以分析和探讨，具有一定的意义。
【关键词】：钢材压力容器低温力学性能脆断焊接接头临界温度在低温条件下工作的压力容器称为低温压力容器，是低温工业过程中的关键设备。
在目前的工业生产活动中，气体的液化、分离以及液化气体的生产、贮运和应用日趋普遍，低温技术的发展促进了各种低温压力容器的运用。
例如：液氢装置 -253℃液态空气及其他气体的制取 -196℃乙烯装置深冷分离中脱甲烷系统 -160℃乙烯低温存贮 -104℃石油精练中二氧化硫脱蜡 -60℃液态乙烯存贮 -40℃1、低温压力容器的脆裂一般碳钢、低合金钢制压力容器，由于环境低温或介质低温的影响，在温度降低到某一温度时，容器设备的某一部分会出现突然的脆性破环，而与其相连的其他部件都完好无缺的现象。
脆性破坏前容器结构不出现或是只有局部的极小塑性变形，而在结构的大范围内没有宏观的整体屈服迹象或其他明显征兆，因此这种脆性破坏会造成出奇不意的极大危害。
2、钢材的低温脆断2.1低温脆性断裂的基本特征。
（1）低温脆断事故的发生总是与结构、材料的使用温度降低密切连系在一起的，当然不同材料的低温脆断发生在各自不同的低温范围内。
（2）低温脆断破坏时的材料其塑性很低，韧性很差，材料处于脆性状态，在压力的作用下，很容易断裂，故称为低温脆性断裂。
（3）低温脆断破坏时，结构元件内部的应力水平很低，通常低于材料的屈服强度，甚至低于材料的设计应力（材料的许用应力），所以也可称为低应力脆性断裂。
2.2低温韧脆转变。
当温度逐渐降低时，材料的破坏型式将由延性断裂转变为脆性断裂，其转变点的温度称为韧脆转变温度。
这是材料低温韧性的重要指标。
影响材料低温韧性的因素有以下几点：（1）晶体结构因素。
体心立方结构的铁素体钢脆性转变温度较高，脆性断裂倾向较大；面心立方结构金属如铜、铝、镍和奥氏体钢则没有这种温度效应，即不产生低应力脆断。
3.5Ni镍系低温钢板各标准对应牌号的化学成分和力学性能分析
3.5Ni镍系低温钢板各标准对应牌号的化学成分和力学性能分析1、3.5Ni钢材质分析3.5Ni低温压力容器用镍合金钢板、3.5Ni船舶及海洋工程用低温韧性钢、08Ni3DR低温压力容器用钢板、SA203GrD，SA203GrE，SA203GrF美标压力容器用镍合金钢板这六种材质都是3.5Ni钢，3.5Ni钢是含镍量为3.5%左右的低温环境用钢。
2、3.5Ni钢执行标准：3.5Ni低温压力容器用镍合金钢板执行标准：GB/T 24510（本标准适用于液化气体储运装置用厚度不大于150mm的镍合金钢板）3.5Ni船舶及海洋工程用低温韧性钢执行标准：GB/T37602-2019（本标准适用于液化气体运输船、极地船及低温海洋工程用碳锰低温钢和镍系低温钢，适用于厚度不大于60mm的钢板）08Ni3DR低温压力容器用钢板执行标准：GB 3531-2014（本标准适用于制造-196℃~-20℃低温压力容器用厚度为5mm~120mm的钢板）SA203GrD，SA203GrE，SA203GrF美标压力容器用镍合金钢板执行标准：ASME SA203/SA203M（本标准中的镍合金钢板主要适用于焊接压力容器，这级别的钢板上限厚度为100mm）3、3.5Ni钢交货状态:1> 3.5Ni低温压力容器用镍合金钢板应以调质状态交货，经需方同意，厚度不大于12mm的钢板也可以采用正火、正火+回火状态交货2> 3.5Ni船舶及海洋工程用低温韧性钢可以以热机械轧制（TMCP）、正火、正火+回火或淬火+回火状态交货3> 08Ni3DR低温压力容器用钢板以正火或正火+回火状态，或淬火+回火状态交货，回火应温度不低于600℃4> SA203GrD美标压力容器用镍合金钢板应以正火状态交货，经需方同意，为了改善钢的韧性，也可以淬火+回火状态交货，回火温度应不低于595℃4、3.5Ni各牌号化学成分附：表中SA203GrD、E、F表中所列成分都是钢板厚度在50mm 及以下的成分，50mm以上时，SA203GrD中C≤0.20，Mn≤0.80，SA203GrE、F中C≤0.23，Mn≤0.805、3.5Ni各牌号力学性能3.5Ni低温压力容器用镍合金钢板力学性能08Ni3DR低温压力容器用钢板力学性能SA203GrD，SA203GrE，SA203GrF美标压力容器用镍合金钢板力学性能。
低温压力容器设计要点说明
低温压力容器目前我国没有专门的低温压力容器标准，JB4732都不划分低温与常温的温度界限。
★低温管壳式换热器见GB151-1999附录A★低温压力容器见GB150.3-2011附录E(老版150为附录C)●为什么低温压力容器需要关注：温度低，材料的韧性降低，会产生低温脆性破坏，而低温脆性破坏前应力远未到达材料的屈服极限（或许用应力），破坏时没有明显的征兆，所以低温压力容器的设计、选材、制造和检验等各个环节要求都有不同程度的提高。
●低温压力容器的定义设计温度为＜－20℃(新标准GB150-2011第3.1.15条定义，老标准为≤－20℃)的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器，以及设计温度低于-196℃的奥氏体不锈钢制容器。
相关两个定义●最低设计金属温度（MDMT）GB150.1-2011第4.3.4d条：在确定最低设计金属温度时，应当充分考虑在运行过程中，大气环境低温条件对容器金属温度的影响。
大气环境低温条件系指历年来月平均最低气温（指当月各天的最低气温值之和除以当月天数）的最低值。
●低温低应力工况GB150.3-2011附录E第E1.4条：低温低应力工况系指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50Mpa时的工况。
（注：一次应力为平衡压力与其他机械载荷所必须的法向应力或且应力）这个定义与老标准有差别，设计应力与环向应力的区别，用设计应力更严谨。
新标准明确了在进行容器的“低温低应力工况”判定时，除了对壳体元件进行一次总体薄膜应力的核定外，还应对承受一次弯曲应力的容器元件进行考查，如平封头、管板、法兰等。
●关于低温低应力工况下，选材按照设计温度加50℃（或者，加40℃）的规定GB150.3-2011附录E第E2.2条：当壳体或受压元件使用在“低温低应力工况”下，可以按设计温度加50℃（对于不要求焊后热处理的设备，加40℃）后的温度值选择材料，但不适用于：a)Q235系列钢材；b)标准抗拉强度下限值Rm≥540Mpa的钢材；c)螺栓材料。
低温压力容器设计要点分析
理论前沿与综合论坛177低温压力容器设计要点分析刘佃刚，刘康（潍坊金健钛设备有限公司）摘要：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。
关键词：低温压力容器；设计要点；失效形式一、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。
二、低温压力容器设计常见问题根据低温压力容器的实际应用， 例举低温压力容器设计中存在的几点问题， 汇总后做如下分析。
（一）材料问题低温压力容器所使用的材料要冲击韧性， 金属材料的低温冲击韧性是由缺口位置在低温条件下的裂纹敏感度和微观变形能力决定的， 缺口位置才能决定低温压力容器最终脆性破坏的性能。
低温压力容器的材料问题主要表现在冲击韧性不达标方面， 受压材料、非受压材料以及连接元件等， 都存在着材料设计问题。
低温压力容器及管道系统在用检验
6
叠片绝热支承
7
氮排气管
8
氢排气管
9
氢安全阀
10
氮安全阀
•图5 液氮保护的液氢容器
低温压力容器和管道典型结构⑹
• ⑵ 液氢和液氦压力容器
1 抽气铅管 2 铅管护罩 3 颈管 4 铜翅片 5 多层绝热 6 外壳 7 传导屏 8 内胆 9 加强圈 10 支承短管 11 吸附腔 12 吊钩 13 不锈钢丝绳 14 底座
② 3.5% Ni：(-100℃，AKV≥47J) ③ 5% Ni：（–120～－170℃）
④ 9% Ni (-170℃，AKV≥47J)； 3、镍合金（镍含量30%～99%的合金）
镍基合金（镍含量大于或等于50%的合金）镍铜合金（ 蒙乃尔）、镍铬铁合金（因康镍合金、INCONEL）、镍钼合金 （哈氏合金）。
•图6 100L多屏绝热液氦容器
低温压力容器和管道典型结构⑺
• ⑶ 液化天然气储存容器
•图7 东京煤气公司130000 M3地下液化天然气储罐
低温压力容器和管道典型结构⑻
• ⑷ 低温液体输送压力管道及设备
•1、摆动杆；2、可拆卸的罩；3、阀。
•图8 低温阀门
低温压力容器的结构材料
低温压力容器内胆常采用奥氏体不锈钢、铝合金、铜合金（钛）；液化
划分的温度界限各不相同，如表2所示。
2、按应力分析法设计的压力容器规范要求容器在整个使 用（包括制造）过程中，无论在常温或低温下使用，都应具 有一致的韧性要求，以防止在各个使用环节上发生脆性断裂 。因此，按应力分析法进行设计的压力容器规范，如ASMEⅧ2，中国的JB4732都不划分低温与常温的温度界限。
•图3 WYN-180型运输用低温容器
低温压力容器和管道典型结构⑷
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2016年第3期
技术研究
1 压力容器的低温界限以及脆性破坏的特征
1.1 压力容器的低温界限
当前，在世界的各个国家的压力容器的低温界限是不
一样的，因为每个国家对压力容器的常规设计容器是不一
样的
[1]
。同时，在压力容器的选材、制造以及设计的过程
中，安全始终是最重要的，也是会引起各大监控部门的注
意，并且得到有关的监察部门认可的。
在GB 150.3-2011附录E中规定，设计温度低于-20℃
的碳素钢和低合金钢制压力容器称之为低温容器。对于上
述钢制压力容器，由于环境温度的影响导致操作条件下容
器壳体的金属温度低于-20 ℃时也属于低温容器范围。
1.2 压力容器脆性破坏的特征
压力容器脆性破坏，通常和低温脆性是相关的，因为
低温脆性不存在显而易见的塑变，同时整个容器的应压数
值是小于整个容器材料强度极限的，这样很有可能就会造
成低于材料的极限，由此就被称作是低应力的脆性破坏。
同时，这种低应力的脆性破坏所具有的特点有：（1）安
全的附件是不运作的。（2）破坏时，整个压力容器的韧
性会很差。（3）破坏之后，整个压力容器是不会有明显
的变形的。（4）压力容器断口，观察可见整个断口处是
光亮平滑并且会呈现出晶粒状。（5）破坏时，整个破坏
的速度是非常快的，并且经常可见的就是碎片飞出。由此
可知，根据这些压力容器脆性破坏的特征，结合相关的断
裂力学的原理分析后，可知整个压力容器的材料设计以及
观塑性的变形能力都会对压力容器的抗低应力以及脆性破
坏起着决定性的作用。
2 压力容器材料的低温性能提高要素
2.1 化学成分的选择
对于低压容器的制作，化学成分的选择对整个低压
容器材料的性能提高是主要的影响因素。通常情况下，
控制住材料低温韧性的重要元素成分是：（1）含碳量要
不大于0.2%。近几年，国外对使用低碳的发展是不大于
0.15%，甚至是有发展至不大于0.06%的微碳趋势。（2）
在含碳量稳定的情况之下，就要尽可能提高整个高锰的元
素含量，并且可以细化为晶粒，这样更加有利于提高材料
的低温韧性。（3）还有更加有效的镍元素，因为在含有
3%低压容器的镍元素时，在-100℃的情况下，低温的材
料还是可以保持很高的韧性，在含有9%的镍元素时，钢
材在-196℃的情况下，可以用于液氮容器。由此可知，
只有严格把控好氮、氧、硫以及磷等元素的含量，还有把
控好相关的杂质含量，就可以很好的更低压容器塑造良好
的低温韧性。
2.2 热的处理方法
在低压容器的制作过程中，要选择合适的工艺以及热
处理的方式，这样可以很好地对脆性相的析出进行有效的
抑制，同时，也可以对析出相的大小、数量、形态、均匀
组织以及分布进行改变，这样可以更加有效地对低温韧性
以及钢的强度进行改善。
2.3 轧制工艺和冶炼方法
在低压容器的制作过程中，要选择合适的轧制工艺和
冶炼方法，就可以很有效的对冶炼的缺陷进行规避。这样
也可以很好地阻断了杂质以及有害的元素对钢材的纯净度
影响，可以很好地细化晶粒，更加有效可靠地对钢材的冲
击功和塑性进行加工，很好地改善整个材料的低温韧性。
3 低温压力容器的材料选用原则
对于低压容器的制作，安全使用是最基本的前提条
件，这也是对低温压力容器的设计条件。同时，在实际的
工程操作之中，可以很容易发现低温压力容器的使用条件
是各不相同的，尤其是具有工作介质的腐蚀性能、热学性
能、毒性程度以及易燃易爆很有可能导致的人身危害以及
各不相同的危险情况，并且这些都是很难预想的。
低温压力容器材料选择的要求以及原则是
[1]
：（1）低
温压力容器的受压元件必须是采用钢，而且是镇静钢。
（2）低温压力容器所承受的载荷和受压元件是有着最直
接联系的，由此可知，低温压力容器受压元件采用的钢是
要具有极好的焊接性以及韧性的。当处于条件和环境很恶
劣的情况之下，容器的支架等元件选用的材料是需要和低
温压力容器外身有相同材料的。（3）通常情况之下，低
温压力容器选用的碳素钢以及低合金钢都是应该采用正火
处理，等一些列的详细要求，就是为了更好的提高低温压
力容器低温韧性。
4 结束语
综上所述，在设计低温压力容器时，选用合理有效的材
料，可以降低甚至是防止低温脆性的破坏，要深入了解低温
脆性破坏的条件和要求，要不断提高冶炼的技术，改善组织
的结构和控制住合金元素的含量可以更加有效的提高低温性
能，并且要不断研发新材料来降低低温压力容器脆性破坏。
参考文献
[1]段瑞.低温压力容器支座材料选用[J].石油化工设
备，2013，30（06）：132-133.
低温压力容器的材料选取浅析
高士良
杭州中泰深冷技术股份有限公司 浙江 杭州 311402
摘要：本文探析了压力容器的低温界限以及脆性破坏的特征、低温性能提高要素以及材料选用原则。
关键词：低温 压力容器 材料选用
Material selection for low temperature pressure vessel
Gao Shiliang
Hangzhou Zhongtai Cryogenic Technology Co.，Hangzhou 311402，China
Abstract：This paper explains the characteristics of brittle failure，low temperature limit and performance improvement for
pressure vessel as well as low temperature and the principles of material selection.
Keywords：low temperature；pressure vessel；material selection