低温压力容器设计理念的比较
国内外关于低温压力容器设计理念的比较
阮 黎祥
（ 中国石化 集 团 上 海工 程有 限公 司 ， 上海
２０４ ） ０ ０ ０
摘 要： 通过对 Ｇ ５ （ Ｂ １０ 压力容器》 Ａ Ｍ 与 Ｓ ＥⅧ 一 １以及 Ｅ ３４ Ｎ １４ ５关于低温压力容器设计理念的对 比， 出应 用 Ｇ ５ （ 力容器 》 指 Ｂ１０ 压 进行 低 温压力 容器 设计 时应 引起注 意 的地方 。 同时提 出我 国低 温
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浅谈低温压力容器的设计
浅谈低温压力容器的设计江苏·常州李政2011年12月摘要对低温压力容器从材料、环境温度、制造检验、其它等方面论述了低温容器设计上的要求。
关键词低温压力容器设计材料温度制造检验GB150-1998《钢制压力容器》附录C规定，设计温度低于或等于-20℃的钢制压力容器称之为低温容器。
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℃后，高于-20℃，就不属于低温容器。
由于环境温度的影响，壳体的金属温度低于或等于-20℃时也属于低温容器。
环境温度系指容器使用地区历年来“月平均最低气温的最低值”。
低温下操作的压力容器由于随着使用温度的降低，容器所用钢材及其连接焊缝会由延性状态转变为脆性状态，当容器由于材料、制造、焊接等引起的缺陷时，在低于材料的脆变温度下受力会导致容器脆断，发生灾难性事故。
所以对于低温压力容器，对设计、制造、检验、验收的要求都比常温容器的要求要高许多，设备的造价也比常规压力容器要高25%左右，故设计时是否将其作为低温压力容器来设计，对容器的安全可靠、节约成本都有十分重要的意义。
笔者根据多年的工作经验，对按规则进行设计的低温容器进行归纳和总结。
1 低温界限压力容器的低温与常温界限各国有不同的规定。
例如：美国ASME第Ⅷ篇第1分篇规定为＜-29℃，日本JISB8243规定为＜-10℃，我国规定为≤-20℃为低温。
如果仅根据温度的高低来决定是否按低温压力容器要求设计并不完全合理。
有时壁温虽然为低温，但应力也很低，这时若按低温容器设计则将造成浪费；有时压力容器处于环境低温下，但又按常温设计，则往往会有发生冷脆的危险。
2 夏比（V型缺口）低温冲击试验设计温度＞-20℃时按常温设计，若≤-20℃则按低温容器设计，并作低温冲击试验。
低温容器用钢（含钢板、钢管、锻件）的冲击试验温度应低于或等于壳体或其受压元件的最低设计温度。
当壳体或其受压元件使用在符合低温低应力工况时，钢材的冲击试验温度应低于或等于最低设计温度加50℃（若温度加50℃后，高于-20℃时，按表1规定）。
低温压力容器的设计
低温压力容器的设计首先，低温压力容器的设计需要选择适用的材料。
由于低温环境下材料的强度和韧性会大大降低，因此需要选择能够在低温下保持良好性能的材料。
常用的材料包括316不锈钢、碳钢和铝合金等。
这些材料具有较高的低温强度和耐腐蚀性能，能够保证容器在低温环境下的安全运行。
其次，低温压力容器的结构设计需要考虑安全性和稳定性。
容器的结构通常采用圆筒形状，能够均匀分布压力，提高容器的承载能力。
容器内部需要设计合理的隔热层，以减小低温环境对容器壁的冷却作用，同时防止外界热量进入容器内部。
容器的底部通常采用弯头结构，能够方便液体的排放。
另外，低温压力容器的设计还需要考虑容器的密封性能。
由于低温液体具有较小的体积膨胀系数，容器在运行过程中存在较大的压力变化。
因此需要设计有效的密封装置，确保容器能够长时间保持压力稳定。
常用的密封装置包括金属密封、橡胶密封和波形管密封等。
这些密封装置能够在低温环境下有效防止气体泄漏。
此外，低温压力容器的设计还需要考虑容器的维修和检测。
容器通常需要定期进行维修和检测，以确保容器的安全运行。
设计时需要预留足够的维修通道和检测孔，方便对容器内部进行维修和检测。
总之，低温压力容器的设计需要综合考虑材料的特性、结构的安全性和稳定性等因素。
合理的设计能够保证容器在低温环境下安全稳定地运行，从而满足液化气体储存、液态气体运输等领域的需求。
设计中需要选择适用的材料、合理的结构、有效的密封装置，并考虑容器的维修和检测等因素。
通过科学的设计，可以提高低温压力容器的使用寿命和安全性能。
低温压力容器的设计说明
低温压力容器的设计说明摘要：本文详细介绍了低温压力容器设计进展及制造特色说明，并与传统的压力容器进行了比较分析。
结合实际制造经验及文献介绍钢板压力容器的一些制造工艺及要求，指出利用现代压力容器用钢生产大型部件的技术，是压力容器设计结构改进、制造工艺发展的关键。
关键词：压力容器大型锻件焊接结构支撑结构材料早期制造的传统压力容器，一般采用板焊结构，即主要采用板材热成形，然后焊成一个整体，顶盖法兰、筒体法兰及冷却剂接管通常采用锻件。
新型低温压力容器以其独特的技术特点和使用便利性，符合现代工业的要求。
本文仅就碳钢、低合金钢,按常规设计的压力容器壳体,在小于-20℃的工况条件下对低温压力容器的设计做以介绍。
一、低温压力容器的低温设计特色低温压力容器的设计应从设备在设定低温下的工作状况、介质的状态是否受环境影响及有无保温或保冷措施等方面，去做具体的问题分析。
一般情况下，压力容器所发生的破裂，总体上可分为两类:一类为塑性破裂，另一类为脆性破裂，而传统低温压力容器的破坏属于后一类，即受压元件在拉应力的作用下，其应力水平在低于材料的屈服强度，或低于许用应力的情况下突然发生破裂，这一现象被称为低应力脆断。
传统压力器均受这种因素的影响容易造成损坏。
因此，基于这一破裂现象发生的前后，均没有或只有局部极小的塑性变形，而没有整体屈服迹象，目前世界各国对于新型低温压力器的设计过程中，凡按常规设计的压力容器规范,对受压元件的低应力脆断，都做出了相应的规定和给出了各自的低温界限。
因为设计温度的确定是低温压力容器设计中一项至关重要的因素，设计温度大于-20℃，和设计温度小于-20℃，在设计、选材、制造等方面是截然不同的。
而根据以往实践经验来看，压力器的小于-20℃这一低温界限，对实际的韧-脆性的转变只是在一定的温度范围内发生而言的，有着一定的宽松尺度，但就其工程设计来讲，还是较为极端的。
所以按常温进行选材、设计、制造还是不具有足够安全性的。
低温压力容器的设计分析
低温压力容器的设计分析低温压力容器是指在低于零度的环境中工作的容器，通常用于存储和运输液态气体，液氮、液氧、液氩等均为常见的低温液体。
由于低温环境下物质的特性会发生变化，因此低温压力容器的设计必须考虑到这些因素，以确保容器在安全可靠地工作。
本文将对低温压力容器的设计要点和分析进行探讨。
一、设计要点1.材料选用2.结构设计3.绝热设计由于低温液体的蒸发潜热较高，容器内的温度会迅速下降，导致容器表面结霜。
为了减少热量的散失，提高容器的绝热性能是必要的。
可以采取增加绝热层厚度、使用保温材料等措施来提高容器的绝热性能。
4.安全阀设计低温液体具有较大的蒸气压，一旦容器内压力过高，就会导致容器爆炸。
因此，在设计中必须考虑安全阀的设置，确保在容器内压力超过设定值时能够及时安全地排放压力。
5.排水设计由于低温液体的存在，容器内部会有凝露水和结冰现象。
这些水汽会降低容器的强度和耐腐蚀性，因此必须设计合理的排水系统，定期排除容器内的凝露水和结冰。
6.储罐涂层为了保护容器免受腐蚀和低温影响，可以在容器表面涂上特殊的防腐涂层。
这些涂层能够增强容器的抗腐蚀性能，延长容器的使用寿命。
二、设计分析针对低温压力容器的设计，需要进行结构分析和性能测试，以验证容器的强度和安全性。
1.结构分析在设计初期，需要进行有限元分析等结构分析，评估容器的受力和变形情况。
通过模拟不同工况下的受力情况，确定容器的最大受力位置和最大应力值，以确保容器在工作过程中不会发生结构破坏。
2.强度测试设计完成后，需要进行强度测试，验证容器的最大承载能力是否符合设计要求。
常见的测试方法包括液压试验、氢氦试验、抗冲击测试等。
通过这些测试，可以验证容器的强度和安全性，确保容器在工作中不会发生泄漏或爆炸等情况。
3.低温性能测试设计完成后，还需要进行低温性能测试，评估容器在低温环境下的工作性能。
通过模拟低温环境下的工作情况，测试容器在不同温度下的性能表现，验证容器的低温抗裂性能和绝热性能。
低温压力容器的设计
现代生物工程技术用于调味品生产 “雪琪”创造“清水变鸡汤”奇迹
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2006.No17 ５２
决策管理 Policy& Management
科技视野
ｆ）容器焊有接管及载荷复杂的附件，需焊后消除应力而 不能进行整体热处理时，应考虑部件单独热处理的可能性；
ｇ）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，应为全焊透结构，且焊缝圆滑过渡；
①设计温度不低于 － ４６ ℃时，“低温低应力工况”容 器的设计温度按表 １ 进行调整。
②设计温度低于－ ４６ ℃但不低于－ １００ ℃时，仅当容器 壳体或其受压元件的一次总体薄膜应力降至小于或等于钢材 标准常温屈服点的六分之一，且不大于５０ＭＰａ 时，设计温度调 整值可以取 ５ ０ ℃。
③设计温度低于 － １００ ℃时，设计温度调整值为 ０。 调整后的设计温度等于或低于－ ２０ ℃时，压力容器的选 材（包括钢材及焊接接头冲击试验温度） 、设计、制造、检 验要求均按调整后的设计温度来确定。调整后的设计温度高 于－ ２０ ℃但低于０ ℃时，压力容器的钢材及其焊接接头的冲 击试验温度，应等于或低于调整后的设计温度，其他设计、制 造、检验要求可不必遵循 ＨＧ２０５８５－９９８《钢制低温压力容器 技术规定》的规定。调整后的设计温度不低于 ０ ℃时，压力 容器的选材、设计、制造、检验要求均不必遵循 ＨＧ２０５８５－ ９ ８ 《钢制低温压力容器技术规定》的规定。
浅谈国内外关于低温压力容器设计理念的比较
浅谈国内外关于低温压力容器设计理念的比较在低温压力容器设计方面，国内外的设计理念存在一定的差异。
基于这种情况，本文对美国ASME VII-1规范、欧盟EN13445规范及国内GB150规范进行了叙述，然后对国内外低温压力容器设计理念进行了比较分析，从而为我国低温压力容器标准的改进提供思路。
标签：低温压力容器；设计理念；比较1 国外低温压力容器设计理念在国外低温压力容器设计方面，可以选择较为先进的美国ASME VII-1规范和欧盟EN13445规范进行国外设计理念的分析。
其中，美国ASME VII-1规范采用的是线弹性断裂力学理念进行低温压力容器设计，以防止容器出现脆断问题。
在该规范中，对容器材料厚度、结构应力、最低操作温度和材料组别等因素进行了综合考虑，并完成了两个曲线算图的制定，以确定容器结构及材料是否需要开展冲击试验。
针对不能免除冲击试验的容器，需要根据公式计算厚度*焊接接头系数/有效厚度进行冲击试验温度提高值的确定。
如果该比值不超过0.35，可不进行冲击试验。
在欧盟EN13445中，共提出三种防脆断设计方法，要求低温容器设计满足其中一项要求。
针对任一金属材料，都可以使用第一种基于经验的设计方法，即根据经验对材料厚度及类别进行了冲击试验温度的设定，需要根据薄膜应力/需用应力的计算结果进行设计参考温度提高值的确定。
针对最小屈服强度不超过500MPa的部分材料，可使用基于断裂力学和经验的设计方法，方法内容与美国ASME规范类似，但需要根据材料屈服强度进行冲击功合格值的确定。
此外，针对以上方法无法覆盖的材料，可使用基于断裂学分析的方法，需开展断裂性韧性试验，以确认容器安全性。
2 国内低温压力容器设计理念国内在低温压力容器设计方面，施行的是GB150《压力容器》标准。
该标准参照ASME VII-1规定进行了低合金钢材料低温容器韧性要求的制定，并使用了基于经验的转变温度法。
此外，该规定将-20℃设定为低温容器的划分界限，显得略为保守。
低温压力容器设计要点
低温压力容器设计要点低温压力容器是指在低温环境下工作的压力容器，通常用于储存和输送液态或气态的低温介质，如液氧、液氮、液氢等。
由于低温介质对材料和容器的设计和性能提出了严格的要求，因此低温压力容器的设计需要考虑以下关键要点：1.材料选择：低温容器的材料选择是非常重要的。
一般情况下，常用的材料有不锈钢、铝合金、铜以及特殊合金如镍基合金。
这些材料应具有良好的低温韧性和耐蚀性，以确保容器在低温下的工作稳定性。
2.结构设计：低温压力容器的结构应具备足够的强度和刚度。
特别是对于液态低温介质的容器，由于介质的自身重力会引起应力，因此容器的顶部和底部应设计为圆弧形来分散应力。
此外，还应考虑容器的热胀冷缩问题，以及在低温下容器材料的收缩和变形。
3.绝热设计：低温压力容器需要具备良好的绝热性能，以减少介质的热量损失和外界热量对容器的影响。
绝热层通常采用多层结构，并使用低导热系数的材料，如碳纤维、泡沫塑料等。
此外，还应在绝热层与内壁之间设置避免冷桥和减少热传导。
4.安全阀和泄压装置：低温压力容器应配置安全阀和泄压装置，以确保在压力超过设计限制时能够快速泄压，避免容器的破裂和爆炸。
这些装置应根据介质和工作条件的不同，选择适当的泄压压力和速度。
5.泄漏和检测：低温容器的泄漏对安全和环保都带来很大的风险。
因此，容器设计应考虑泄漏的预防和检测。
可以采用密封性能好的接口和密封件，并配置泄漏检测装置，如压力传感器和泄漏探测器，及时发现和处理潜在的泄漏问题。
6.工作温度调节：低温容器在不同的工作条件下需要能够进行温度的调节和控制。
可以采用液体循环或蒸汽加热系统来控制容器内介质的温度，避免温度过高或过低导致容器破裂。
7.安全性设计：低温压力容器应满足相关的安全规范和标准，如ASME（美国机械工程师协会）的规定。
容器的强度和可靠性应经过充分的验证和测试，并且需要进行定期的检查和维护，以确保其安全可靠的运行。
总之，低温压力容器的设计涉及材料选择、结构设计、绝热性能、安全阀和泄压装置、泄漏和检测、工作温度调节以及安全性设计等多个方面。
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低温压力容器设计理念的比较
1低温界定比较
结合大量的实践经验来看，对于压力容器来说，在出现的低温脆断破
裂现象前后各个阶段当中都没有或仅仅存有局部区域内非常小的塑性
变形表现，但大多不会出现整体结构上的屈服问题。
当前，国内外按
凡按常规设计的压力容器规范，针对受压元件的低应力脆断问题都做
出了相对应的规定，在规定当中还对具体的低温界限做出了合理划分。
美国现行压力容器规范ASMEVII–1规范当中对低温界限的划分标准为
﹣3.0℃以下；日本现行压力容器规范JISB8243规范当中对低温界限
的划分标准为﹣10.0℃以下；德国现行压力容器规范AD规范当中对低
温界限的划分标准为﹣10.0℃以下；法国现行压力容器规范非直接受
压设备设计规范当中对低温界限的划分标准为﹣20.0℃及以下；英国
现行压力容器规范BS5500规范当中对低温界限的划分标准为0℃以下。
而对于我国来说，结合多年以来的实践经验证实：在压力容器使用环
境温度高于﹣20.0℃的情况时，按照常温标准实行压力容器的选材、
设计、制造均是能够保障其安全性的。
所以，在现行的GB150-2011规
范当中，仍然按照﹣20.0℃作为低温压力容器的低温界定标准。
2设计理念比较分析
就当前在压力容器设计领域中最常使用的三类规范：美国ASMEVII–1规范、欧盟EN13445规范、以及我国现行GB150规范作为研究对象，
对其相关低温压力容器设计方面的规定实行对比分析：对于美国ASMEVII–1规范、欧盟EN13445规范来说，在低温压力容器设计中均
遵循了与断裂力学相关的原理与方法，通过对材料组别，应力水平，
材料厚度，以及元件最低操作温度等相关指标的分析，评估冲击试验
的可行性（若可行，则需要进一步分析冲击试验下所对应的温度条件），这显然更加符合钢材脆性断裂下的实际原理。
同时，在欧盟
EN13445规范当中，还详细给出了建立在断裂力学原理基础之上的分析方法，作为其前两种方法的补充，即针对采纳超标准材料或经过无损
检测发现超标缺陷，常规方法不适用的条件下，可利用后续方法作为
补充，所以实际应用价值更加突出。
但对比我国现行GB150规范来看，虽然在GB150规范当中也建议通过对材料实行冲击性试验的方式来评
估材料冲击韧性，但设计思想还存有一定的滞后性，与美国ASMEVII–
1规范、欧盟EN13445规范中的设计思想还存有一定的差别。
同时，根据本文以上分析，在我国现行GB150规范当中，对于低合金
钢材料低温容器的温度界限划分按照﹣20.0℃标准实行设置，但这种
设计理念下并没有考虑到材料厚度以及在材料厚度范围内实际缺陷尺
寸等相关因素对低温容器材料冲击韧性造成的影响。
为进一步对比三
种规范在低温容器设计上存有的差异，以Q345R（16MnR）正火板为例
实行分析：根据美国ASMEVII–1规范中的相关规定，对于150.0mm的
Q345R（16MnR）正火板来说，即便在温度高于0℃的条件下，仍然无法真正意义上的幸免脆性断裂问题的发生，而20.0mm的Q345R（16MnR）正火板即便应用于﹣35.0℃的条件下也可不必实行低温冲击性试验。
但在我国现行GB150规范的要求当中，对于25.0~200.0mm的Q345R
（16MnR）正火板，要求必须做0℃或﹣20.0℃条件下的冲击性试验。
换句话来说，在材料厚度较大的情况下，若按照我国现行的GB150规
范中的要求来实行设计，则除了需要对标准条款实行考虑意外，还需
要结合实际情况分析是否需要提升对材料韧性的要求，否则所带来的
设计风险是非常巨大的。
而从材料冲击试验温度调整规定的角度上来说，美国ASMEVII–1规范、欧盟EN13445规范中均可采纳元件中的实际薄膜应力与许用应力
的比值来推断材料同意使用温度的降低值，而我国现行GB-150规范中
对此仅规定了一种低温低应力工况，而在化工容器设计中也确实存有
着应力水平虽较低但未低至l/6屈服强度的现象，对此，GB150《压力
容器》并未如国外标准一样作出在低温降应力工况下材料冲击试验温
度的调整规定，具体规定如表1数据所示，显得较为保守。
3结束语
对于压力容器来说，在其使用过程当中，常见的破裂有两种表现形式，其一是塑性破裂，其二是脆性破裂。
对于本文所研究的低温压力容器
来说，发生率较高的破裂表现形式为脆性破裂。
其主要机制是：在拉
应力作用之下，受压元件的应力水平低于材料的屈曲强度或者是在较
许用应力较低的情况下而出现的突发性破裂现象，通常也将这种破裂
现象称之为低应力脆断。
因为此种现象有一定的突发性以及不可预知
性特点，故而在发生后可能会产生非常严峻的不良后果。
在这个背景
之下，对相关规范标准中相关低温压力容器设计理念实行对比有着非
常长远的现实意义与价值。
文章即在对我国现行GB-150中相关低温压
力容器设计要点实行介绍的基础之上，将其与美国ASMEVII–1规范、
欧盟EN13445规范中的设计理念实行对比分析，希望能够在实践工作
中引起高度注重与重视。
低温压力容器设计理念的比较。