低温低应力工况压力容器的设计
低温压力容器及低温低应力容器的设计探讨
摘
要： 主要 介 绍 了低 温 压 力 容 器 的定 义 、 失效模式及设计 中的注意事项 ， 详 细 分 析 了 形 成 低 温 压 力 容 器 主 要 失 效
模 的 低 温 脆 裂 的 必要 条 件 。 从而在低温 压力容器的设计过程 中， 通过对设计温度 、 低温材料选用 、 结构优化设计 、 焊 接工艺 、 无 损 检 测 等 方 面 的技 术 优 化 ， 确 保低 温压 力容 器 的使 用 安 全 。 关键词 ： 低温容器 ； 低 温 低 应力 工况
中图分类号 ： Ｔ Ｈ ４ ９
目前 在 石 油 化 工 、 制冷 、 低 温 工 程 等 行 业 使 用 的压 力 容 器 中 ． 低 温压 力 容 器 占有 一 定 的 比重 。该 类 压 力容 器 工作 温度 较低 ． 容 器材 料 的脆 性 相应 增 大． 其 受 压 元 件 在 拉 应 力 的作 用 下 。 应 力 水 平 在 低
力 容器 焊接 规程 》 的要求 ：
３ １设计 温 度低 于一 Ｉ Ｏ ０ ￣ Ｃ 时 。应 按 Ｎ Ｂ ／ Ｔ ４ ７ ０ １ ４ —
２ ０ １ １ 《 承压设备焊接工艺评定》 进 行 焊 缝 金 属 的低 温夏 比 ｆ Ｖ形 缺 口 ）冲击 试 验 ．且应 符合 Ｇ Ｂ Ｉ ５ １ —
的材 料许 用应 力 ＼ 『 １ 与 相应 焊接 接 头 系数 ‘ ｐ的乘 积
设 计 要 求》 、 Ｇ Ｂ １ ５ １ — １ ９ ９ ９ （ 管壳 式 换热 器 》 附录 Ａ“ 低
温管 壳 式 换热 器 ” 中规 定 ， 低 温 压 力容 器 、 换 热： 器是 指容 器 、 换 热器 的设 计 温 度 低 于 或等 于 一 ２ ０ ℃， 以及
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）。
低温压力容器设计注意点
低温压力容器设计注意点一、材料1、受压元件用钢必须是氧气转炉或电炉冶炼的镇静钢，并采用炉外精炼工艺（GB150—P141—C2.1.1）（HG/T20585-2011—P586—6.0.2）《固规》—P4—2.2条2、用于设计温度低于-20℃并且标准抗拉强度下限值小于540MPa的钢材，P≤0.25％、S≤0.012％；《固规》—P5—2.3.2条第（3）款用于设计温度低于-20℃并且标准抗拉强度下限值大于或者等于540MPa的钢材，P≤0.020％、S≤0.010％。
《固规》—P5—2.3.2条第（4）款3、直接与受压元件焊接的非受压元件用钢应符合以下要求：（GB150—P141—C2.1.2）（1）承受较大载荷需做强度计算的非受压元件用钢，应具有与受压元件相当的韧性（2）应是焊接良好的钢材4、与低温压力容器受压元件直接焊接的非受压附件材料，其低温韧性及焊接接头性能需与受压元件匹配：（HG/T20585-2011—P590—6.0.12）（1）与受压元件直接焊接的受力元件如支座垫板等应采用与受压元件相同的材料（2）对奥氏体不锈钢制低温压力容器，所有焊接附件也应为奥氏体不锈钢（3）直立容器裙座过渡段应与本体材料相同，过渡段长度不小于4倍保温厚度，且不小于500mm5、锻件应按《低温承压设备用低合金钢锻件》NB/T47009和《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》NB/T47010，不低于II级要求，设计压力大于或等于1.6MPa时，应不低于III级。
（HG/T20585-2011—P589—6.0.8）6、碳素钢、碳锰钢制容器用焊材，应选用与母材成分和性能相同或相似的高韧性材料，也可选用低镍合金焊材。
当焊缝两侧母材具有不同冲击试验要求时，焊接材料的选用应符合C4.3.2要求（GB150-P143-C2.2.1）7、焊材应符合以下要求：（HG/T20585-2011—P589—6.0.9）（1）低温压力容器受压元件或受压元件与非受压元件焊接用手工电弧焊焊条，应选用《碳钢焊条》GB/T5117和《低合金钢焊条》GB/T5118的低氢碱性焊条。
浅析低温下压力容器设计需注意的问题
浅析低温下压力容器设计需注意的问题浅析低温下压力容器设计需注意的问题【摘要】一般情况下设计温度在-20℃以下的压力容器，由于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局部应力造成容器发生塑性变形，引起发生脆性破裂，甚至发生严重的事故。
因此，本文分析了在低温下设计压力容器时在材料、结构等方面应注意的问题，力求压力容器设计的稳定。
【关键词】压力容器制造注意问题低温技术作为工业装置，不仅在气、液体生产、存储及运输中起到很大的作用，更促使了低温压力容器的广泛应用。
然而，此压力容器工作温度通常较低，这将导致容器金属的脆性相应的增加。
当温度低于一定的水平，将会产生脆性破坏，然而，低温压力容器通常不会出现局部性的小塑性变形，而是直接发生脆性破裂，这样出人意外的破坏就是导致事故发生的罪魁祸首。
1 确定设计温度低温压力容器设计中确定设计温度尤为重要，根据《压力容器（GB150.3-2011）》中的规定，再确认设计温度的同时还要顾及介质温度及环境温度等条件，任何方面都要考虑到。
金属韧性受到温度的影响会产生变化，所以在进行确定设计温度的同时应考虑全面。
例如：温度方面要考虑南方北方温度的不同。
北方气温较低，将容器放置在没有取暖设备的厂房中应充分考虑气温的问题。
因此，设计温度高于或低于-20 ℃，对压力容器的设计及制造的要求都有所不同。
2 材料的选择由于低温压力容器的质量主要取决于所采用的材料在低温工况中的机械性能，因此我们必须采用低温下韧性较好的金属材料。
金属材料在低温工况下容易发生脆性断裂，从而产生失效，对此，我们要采取措施来改变金属材料本身的韧性。
比如，在炼制钢材时可以加入镍，镍的加入可以改变位错运动，避免产生较大的应力集中，以此提高钢材的韧性。
另外，我们可以将低温用钢经过正火处理，以此细化晶粒，减少由于终轧温度和冷却速率不同而造成的显微组织不均匀。
根据金属材料的不同使用温度，低温压力容器用钢可分为以下三类：（一）设计温度低于-20℃，高于-40℃时，材料多选用低碳锰钢；（二）设计温度低于-40℃，高于-196℃时，材料可选用中镍钢；（三）设计温度低于-196 摄氏度，高于-273℃时，材料可选用铬镍奥式体高合金钢。
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
等矿物微量元素，能滋补强身、改 善体质和增强免疫力； 鸡肉也富含丰 富的蛋白质） ，成为营养型绿色调味
厂推出的鲍鱼鸡 润，又能在煲、炒、烧、烩等烹饪过程中，长时间固守鸡
粉，在上海、北京、深圳、台湾、香港等地的商务酒楼和 汁鲜味。鲍鱼鸡粉的问世，为重庆鸡精行业的提档升级翻
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。
压力管道设计中的低温低应力工况及其应用
压力管道设计中的低温低应力工况及其应用尹 侠 周剑秋 李庆生(南京化工大学)摘 要 简要分析了目前国内低温管道设计的技术状况,提出在低温管道设计中也存在低温低应力工况,和低温压力容器设计中的有关内容相似,并通过实例分析验证了其工程实用性。
关键词 低温管道 低温低应力工况低温管道在石油化工企业中应用比较广泛,一般把5 以下的物料管道统称为低温管道。
在低于5 的工况下,低碳钢管材逐渐由延性状态向脆性状态转变,温度低于无塑性转变温度以后,管材处于脆性状态,使用就应有一定条件的限制。
所以,设计温度低于无塑性转变温度的管道属于实质上的低温管道。
目前,压力管道设计已愈来愈受到有关部门和单位的重视,设计单位必须进行资质审批,设计技术也逐步规范化。
但由于目前国内还没有形成一套成熟的技术规范,因而在设计中还存在着许多不确定的因素,尤其是低温管道的设计,国内还未见详细的文献报道,因此有关低温管道的设计方法就值得分析和研究。
1 管道设计中的低温低应力工况低温管道设计和普通管道设计相比,主要要多考虑两个问题:第1是低温脆性,这就要求设计人员合理选择冲击韧性高的钢材,同时从配管设计和管系制作上防止脆裂和脆断;第2是保冷结构设计和由于保冷需求而产生的一系列设计要求。
关于保冷方面的设计内容在文献[1~3]中已有较为详细的论述,实际操作也可行。
本文主要讨论如何防止管线发生低温脆断的设计方法。
为防止低温脆断的发生,对接焊缝和钢材都应进行夏比(V形缺口)冲击试验。
但对于压力不高、应力不大的低温压力管线,在设计时能否不要求进行冲击试验呢?这个问题归结起来就是低温压力管线设计中是否也存在类似低温压力容器设计中的低温低应力工况的问题。
目前,国内还无技术文件对此作出定义,但ASME/ANSI B31 5规范[4]材料篇有条规定:在-101 ~-28 之间的温度范围内服役的铁金属管道,如果在压力和热收缩的同时作用下,或者在支承点之间弯曲的影响下所产生的最大环向或纵向抗拉应力不超过材料许用应力的40%,则不要求做冲击试验。
低合金钢制低温压力容器的认定及设计、制造要点
低合金钢制低温压力容器的认定及设计、制造要点低合金钢制低温压力容器是石油化工生产流程中常见的设备，广泛用于过程物料的贮存、热量交换、物理化学反应等场合。
它是指设计温度低于或等于-20~℃的低合金钢制压力容器(包括由于受环境温度的影响，壳体的金属温度低于或等于-20℃的压力容)。
在压力容器的设计过程中，往往有人误将操作温度为-20℃及以下的压力容器全部当作低温压力容器来设计，忽视了满足一定条件的“低温低应力工况”可不受低温压力容器一系列控制条件约束的问题，给制造、检验和验收带来了不必要的麻烦，增加了制造成本，忽视了压力容器设计的经济性。
1低合金钢制低温压力容器“低温低应力工况”的确定（1）GB150-1998《钢制压力容器》附录C 《低温压力容器》和GB151—1999 《管壳式换热器》附录A 《低温管壳式换热器》中，都对“低温低应力工况”作出了明确的定义，即指壳体或受压元件的设计温度虽然低于或等于-20℃，但其环向应力小于或等于钢材标准常温屈服点的1／6且不大于50MPa 的工况，即说明壳体或受压元件使用在“低温低应力工况”下。
若其设计温度升高50℃后，高于-20℃，就不必遵循低温压力容器的规定。
也就是说，满足这样条件的压力容器就不属于低温压力容器的范围了，设计人员应对此类压力容器进行常规设计。
（2）HG20585- 1998 《钢制低温压力容器技术规定》中对“低温低应力工况”的定义是指容器壳体或其受压元件在低温(小于等于-20℃) 操作条件下一次总体薄膜应力σ降到GB150规定的材料许用应力[σ]与相应焊接接头系数φ的乘积的75％以下的工况。
按HG20585-1998《钢制低温压力容器技术规定》第三条的规定对设计温度可以分三种情况调整：①设计温度不低于-46℃时，“低温低应力工况”压力容器的设计温度调整(提高)按表1进行。
调整后的设计温度等于设计温度t与温度调整值Δt之和。
②设计温度低干-46℃但不低干-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1／6，且不大于50MPa时，设计温度调整值可以取50℃。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
低温低应力工况压力容器的设计
【摘要】低温压力容器在设计、选材和制造等各个方面都要比常温容器的设计有更高的要求。
本文主要分析了低温低应力工况的概念，设计温度和低温低应力工况的确定和低温低应力工况压力容器的设计。
【关键词】低温；低应力；工况；压力；容器；设计
低温压力容器是一种石油化工生产中经常用到的容器，它是指设计温度≤-20℃的压力容器（包括因为受到环境影响壳体的金属温度≤-20℃的压力容器）。
在制作压力容器的过程中，人们容易将设计图样中设计温度≤-20℃的压力容器视为低温压力容器，而没有注意到一定条件的“低温低应力工况”可不受低温压力容器等条件的制约，造成了很多不必要的麻烦，也徒增了成本。
1 低温低应力工况的概念
相关的成文规范中对“低温低应力工况”的定义是：指壳体或受压元件的设计温度虽然≤-20℃，但其环向应力≤钢材标准常温屈服点的1/6且≯50MPa的工况。
就算壳体或受压元件再使用时满足“低温低应力工况”，但是如果其设计温度升高了50℃，比-20℃要高，就不适用相关规定了，这样条件下的压力容器就不是低温压力容器了。
也有规范中对“低温低应力工况”的定义是：容器壳体或其受压元件在低温（≤-20℃）下一次总体薄膜应力δ降到GB150规定的材料许用应力[δ]与相应焊接接头系数φ的乘积的75%以下的工况。
相关规范将设计温度分为了三种情况。
首先，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。
表1 “低温低应力工况”容器的设计温度
应力比δ/[δ]φ设计温度调整值△t/℃
0.75 0
0.60 10
0.45 20
0.375 30
0.33 40
0.3 50
注：应力值处于中间值时，△t可取内插值
其次，设计温度在-46℃和100℃之间，仅当容器壳体或其受压元件的一次总体薄膜应力降至≤钢材标准常温屈服点的1/6，且≯50MPa时，设计温度调整值可以取50℃。
再次，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≤20℃时，压力容器的选材和设计等都按调整后的设计温度来确定。
当-20℃20mm，应进行逐张超声波检测，看是否符合相关要求。
4.2 低温下的结构设计
结构设计要消除结构的集中应力和尖角，确保足够的柔性。
设计时要注意以下几点：
应尽量简单，减少约束；避免形状突变，减少局部高应力；接管端部应打磨成圆角，圆弧过渡；避免产生过大的温度梯度；支座、支腿应设置垫扳。
不能直接焊在壳体上；附件的连接焊缝不应采用不连续焊或点焊；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；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。
4.3 焊接要求
低温压力容器施焊前应按JB4708—2000进行焊接上艺评定试验，包括焊缝和热影响区的低温夏比（V型缺口）冲击试验；每台低温压力容器都应制备产品焊接试板；
焊接时要采用全焊透结构；要选用低氧型焊条；不应使用不连续的焊接型式；严格控制焊接线能量；对接焊缝的余高≯焊件厚度的l0%，且≯3mm；焊缝表面不的有裂纹、气孔和咬边等缺陷，应尽量打磨光滑；不得在焊接部位引弧。
钢板厚度>16mm的碳素钢和低合金钢制低温压力容器要进行焊后热处理，处理的工艺应与焊接工艺评定时的热处理工艺一致，热处理应包括受压元件与非受压元件的连接焊缝。
4.4 检验要求
对于A、B类对接接头，符合下列情况之一者应做100%射线检测（或超声检测）：
容器设计温度<一40℃；容器设计温度虽≥一40℃，但接头厚度大于25mm；根据设计压力和介质的燃、爆、毒性等工作条件由设计文件规定做100%检测的容器。
进行局部射线（或超生）检测的对接接头，其检测长度不少于50%接头总长。
对于满足上述检测规定的容器，其T犁接头、对接焊缝、角焊缝，均需要做100%磁粉或渗透检测，合格级别为I级合格。
总之，在进行低温低应力压力容器的设计时一定要符合相关规范，规范设计中的每一个步骤，切实提高压力容器的可靠性和安全性。
参考文献：
[1]龙纪.低温压力容器设计中应注意的问题[J].贵州化工，2010（05）.
[2]申长吉.压力容器设计过程中常见的问题分析[J].自动化应用，2011（06）.。