低温压力容器的设计
低温压力容器设计要点综述及注意事项
低温压力容器设计要点综述及注意事项1.材料选择：低温环境下，材料的韧性和抗裂纹扩展能力变差，因此需要选择具有良好韧性和抗裂纹能力的材料。
常用的低温材料包括低温碳钢、不锈钢和合金钢等。
2.壁厚计算：低温环境下容器的壁厚要比常温情况下的要大，因为材料的强度和刚度在低温下降低。
根据管道和容器设计规范进行壁厚计算，并考虑到温度梯度对壁厚的影响。
3.焊接和焊缝设计：焊接是低温容器制造中重要的连接方式。
在低温条件下，焊接合金的力学性能和韧性降低，容易产生焊接缺陷。
因此，需要采用合适的焊接工艺和焊接材料，并对焊缝进行非破坏性检测和超声波探伤等检测方法。
4.密封设计：低温容器的密封设计要符合严格的要求，以确保容器在低温环境下不发生泄漏。
需要采用适当的密封材料和密封结构，同时对容器进行泄露试验以保证其安全可靠。
5.附件选择：低温容器的附件如阀门、仪表等也需要选择适用于低温环境的材料和设计。
特别是阀门，在低温环境下易发生密封不良和结冰等问题，因此需要选择低温阀门并进行密封性能测试。
6.冻结防止措施：低温容器在长期运行中易受冻结影响，冻结会导致容器变形、扩展和密封失效等问题。
需要采取合适的冻结防止措施，如加热系统和隔热材料等。
7.安全性考虑：低温容器设计必须符合相关的安全规范和标准，如ASME等。
特别需要考虑容器在低温环境下可能发生的脆性断裂、泄漏、压力失控等安全问题，并采取相应的安全措施。
8.考虑工艺需求：低温容器的设计还需要考虑工艺需求，如低温液体的进出口、排放、循环和控制等。
容器的流动性能和控制能力对工艺操作的影响需要充分考虑。
总之，低温压力容器的设计要点和注意事项包括材料选择、壁厚计算、焊接和焊缝设计、密封设计、附件选择、冻结防止措施、安全性考虑和工艺需求等方面。
在设计过程中，需要充分考虑低温环境对容器和其附件的影响，并确保设计符合相关的安全要求。
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%。
低温压力容器设计应注意的问题
设计温度
• 1.计算法。如果在当前环境下，低温压力器件两侧都会发生热量传递。那么应该使用热 量传递计算公式，将相应数据代入到公式中，计算出低温压力容器金属平均温度。
• 2.经验法。如果低温压力容器与工作介质发生直接接触，在具有相应保冷、保温设施条 件的基础上，可以检测出介质的工作温度。然后，在此基础上减掉5-10℃，将其作为低 温压力容器的设计温度参考范围。
余应力。
谢谢大家
• 3.特殊情况。如果当前低温压力容器所处空间并没有配备相应的保冷保暖设施，那么在 进行低温压力容器设计过程中，就需要对其设计温度进行重新计算，依据所处环境的实 际情况合理制定设计温度。
材料选择
• 由于低温压力容器在不同的温度环境下，会发生性质的改变。当温度降到时，应该保证该材料在整个工作 温度区间内有足够的韧性。在设计过程中，需注意以下几个问题。
• 1.低温压力容器所选材料，必须采用韧性度极佳的钢材料 ;
• 2.用于低温压力容器制作的材料，必须要经过V型缺口低温冲击试验，在符合实验标准的基础上 才可以正式应用于低温压力容器的制作 ;
• 3.当制作工艺中钢板厚度超过标准区间，必须要使用超声波检测法进行质量检验。
结构设计
• 为保证低温压力容器有足够的柔性。在设计过程中一定要保证将应力消除视为整个低温压力容器结构设计的核心。所以，在结构设计方面需要注意以下几点。 • 1.低温压力容器结构尽量简单化，可以有效避免内部结构复杂所引起的应力变化 ; • 2.保证工作温度平稳 ; • 3.各部件焊接要使用连续焊接的方式 ; • 4.避免低温压力容器内部发生应力集中 ; • 5.对低温压力容器进行整体补强时，在使用补强板的过程中，需要为整个操作流程设计全焊透结构，焊缝部分要进行圆滑过渡。
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
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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。
低温压力容器设计要点
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。
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图6
100L多屏绝热液氦容器
低温压力容器和管道的典型结构⑺
⑶ 液化天然气储存容器
2018/10/7 图7
东京煤气公司130000 M3地下液化天然气储罐
8
低温压力容器和管道的典型结构⑻
⑷ 低温液体输送压力管道及设备
2018/10/7
1、摆动杆；2、可拆卸的罩；3、阀。 图8 低温阀门
9
低温压力容器的结构材料
表2 各国按常规设计钢制容器规范的低温界线
国家 美国 日本 规范名称 ASMEⅧ-1 JISB8270 低温界线 ＜－30℃ ＜－10℃
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德国 AD规范 ＜－10℃
法国 非直接火受压设备设计规范 ≤－20℃
英国 BS5500 ＜0℃
1
低温压力容器和管道的典型结构⑴
⑴ 液氧、液氮和液氩压力容器
4
低温压力容器和管道的典型结构⑷
⑴ 液氧、液氮和液氩压力容器
1、外壳体；2、内容器；3、吊杆；4、排液阀；5、排液管。
2018/10/7
图4
38M3铁路液氧槽车
5
低温压力容器和管道的典型结构⑸
⑵ 液氢和液氦压力容器
1 2 3 4 5 6 7 液氮注入和排除 液氢阀 液氢注入和排除 辐射屏 聚四氟乙烯缓冲块 叠片绝热支承 氮排气管
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 化天然气的内胆也可用9%Ni镍钢和36%Ni钢（镍合金）；液氟容器内胆多 用蒙乃尔合金或不锈钢。低温压力容器外壳常用碳钢（如Q235 、 16MnR 等）。内胆与外壳连接管道和构件常用奥氏体不锈钢、蒙乃尔合金。
低温液体名称 硫化氢 二氧化碳 乙炔 乙烷 乙烯 氪 甲烷 氧 氩 氟 氮 氖 重氢 2018/10/7 氢 化学符号 H2S CO2 C2H2 C2H6 C2H4 Kr CH4 O2 r F2 N2 Ne D2 H 沸点（℃） －60.3 －78.4 －84.02 －88.63 －103.71 －153.36 －161.45 －182.93 －185.86 －188.12 －195.8 －246.06 －249.49 －252.77 铝合金、铜 铜、0Cr18Ni9Ti 真空型绝热
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 盖 内颈管 内胆 外壳 拉手 支承垫 铝壳 吸附剂 弹簧 抽气管 抽气管护罩
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图1
15L杜瓦容器
2
低温压力容器和管Βιβλιοθήκη 的典型结构⑵⑴ 液氧、液氮和液氩压力容器
1、仪表箱；2、液氧蒸发器；3、抽真空管；4、盖板
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图2
CF-100000液氧储槽
低温钢制压力容器（低温用钢）
19世纪末以来，在严寒地带的铁轨、桥梁和结构件曾发生 一系列低温脆性断裂事故。 钢的冷脆是压力容器材料脆化最重要的类型。所谓冷脆 性是指金属材料在低温下呈现韧性降低，脆性增大的现象。 对于在低温下工作的受压元件，考虑钢材冷脆性是选用钢材 的基本要求。对于高温下工作的承压设备，虽然在运行状态 下塑性良好，但在室温下进行水压试验时，仍有可能发生脆 性破坏，这也属于冷脆问题。本世纪纪 40 年代以来，许多压 力容器、管道、化工设备及大型结构等焊接结构，多次发生 脆性破坏，造成了巨大的损失。为了避免发生破坏，在水压 试验时规定了不同的最低温度值。 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。
低温压力容器的低温界限
1、按常规设计的压力容器规范多采用经验的总结，包括 失效、破坏的经验总结。所以各国根据各自的使用经验，人 为划分低温界线。我国压力容器规范多年来习惯把小于或等 于-20℃作为低温界线。实践表明这样划分具有足够的安全 性。目前世界各国按常规设计的压力容器规范，对低温压力 容器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ASMEⅧ-2， 中国的JB4732都不划分低温与常温的温度界限。
10
采用的金属材料 3.5Ni钢 06MnNb钢
容器结构
双壁
5.5Ni钢、9Ni钢 铝合金 36%Ni钢 9Ni钢、铜 铝合金 0Cr18Ni9Ti 20Mn23Al
真空型绝热
低温钢制压力容器（标准规范）
国内： 1 GB150-1998《钢制压力容器》； 2《压力容器安全技术监察规程》； 3 JB4732《钢制压力容器分析设计标准》。 国外： 1 美国ASME锅炉压力容器规范Ⅷ-1、Ⅷ-2； 2 英国 BS5500-1997《非直接受火熔焊压力容器规 范》； 3 德国AD《压力容器规范》； 4 日本JISB8270-1993《压力容器基础标准》； 5 日本JISB8240-1993《制冷用压力容器结构》； 6 法国 CODAP-1995《压力容器构造》。 2018/10/7 11
2018/10/7 12
低温钢制压力容器-影响低温韧性因素
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。 2、化学成分的影响：对低温压力容器而言，增加含碳量将增大材料 的脆性，提高脆性转变温度，低温用钢含碳量不超过 0.2%。锰、镍改善 钢材低温韧性，少量V、Ti、Nb、Al弥散析出碳化物和氮化物，进行沉淀 强化改善钢材低温韧性。 3、晶粒度的影响：晶粒尺寸是影响钢低应力脆断重要因素。细晶粒 使金属有较高断裂强度，且使脆性转变温度降低。 4、夹杂物的影响：磷易产生晶界偏析，钢中的氧以各种氧化物的形 式在晶界析出，显著提高钢的脆性转变温度，导致低应力脆断。 5、热处理和显微组织影响：对钢的低应力脆断有很大影响。调质处 理可以改善钢材低温韧性，但回火温度不应过高；正火处理用得最多； 退火处理组织粗大，一般不采用。 6、冷变形的影响：冷变形使钢的韧性降低，应变时效使低温韧性恶 化，脆性转变温度升高。 7、应力状态的影响：焊接接头中有裂纹存在又具有残余应力时，低 应力脆断性质更为明显。 2018/10/7 13
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9 10
氢排气管
氢安全阀 氮安全阀
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图5
液氮保护的液氢容器
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低温压力容器和管道的典型结构⑹
⑵ 液氢和液氦压力容器
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
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抽气铅管 铅管护罩 颈管 铜翅片 多层绝热 外壳 传导屏 内胆 加强圈 支承短管 吸附腔 吊钩 不锈钢丝绳 底座
3
低温压力容器和管道的典型结构⑶
⑴ 液氧、液氮和液氩压力容器
1、真空封口；2、支承；3、输液管；4、定点液位计；5、引线管；6、挡板；7、外 壳；8、吸附剂；9、安全阀；10、增压系统；11、压差液位计；12、盖板；13、仪 表板、14、内胆；15、增压管。
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图3
WYN-180型运输用低温容器