低溫壓力容器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題

孫少鵬

摘要：低溫技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了低溫壓力容器的應(yīng)用，低溫壓力容器是低溫工業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，其應(yīng)用日趨普遍。受低溫環(huán)境或低溫介質(zhì)的影響，容器材料的韌性下降，容器可能會(huì)發(fā)生脆性破壞，這種破壞形式不呈現(xiàn)顯著的塑性變形，脆性破壞前沒(méi)有任何征兆，因此這種脆性破壞危害巨大，對(duì)人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生極大的隱患。防止低溫壓力容器的脆性破壞應(yīng)該從低溫壓力容器的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的控制。文章結(jié)合低溫脆斷的特點(diǎn)，從上述幾個(gè)方面對(duì)低溫壓力容器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：低溫壓力容器；脆性破壞；設(shè)計(jì)；選材

中圖分類號(hào)：TH49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1低溫脆性斷裂的基本特征

（1）低溫脆斷的發(fā)生與材料使用溫度的降低密切相關(guān)。（2）低溫脆斷破壞時(shí)材料的塑性很低，處于脆性狀態(tài)，稱為低溫脆性斷裂。（3）斷裂時(shí)容器元件內(nèi)部的應(yīng)力水平低于材料的屈服強(qiáng)度，甚至低于材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力（許用應(yīng)力），稱為低應(yīng)力脆性斷裂。（4）低溫脆斷的裂紋源一般是材料自身缺陷處或幾何形狀突變處，破壞幾乎沒(méi)有宏觀的塑性變形。（5）低溫脆裂發(fā)生后裂紋擴(kuò)展速度極高，在鋼材中傳播直至到達(dá)材料的高韌性區(qū)或更低的應(yīng)力區(qū)，速度可達(dá)空氣聲速的2～3倍。（6）材料的脆斷斷口有晶粒狀特點(diǎn)，斷口平滑光亮。（7）在遠(yuǎn)離脆斷斷口位置材料的強(qiáng)度和塑性仍然滿足設(shè)計(jì)要求。

2斷裂機(jī)理

一般碳素鋼和低合金鋼具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)決定了材料隨著溫度降低強(qiáng)度增加而韌性降低；這類金屬材料具有冷脆特點(diǎn)，在溫度降低時(shí)，材料的韌性急劇下降。在溫度高于脆性轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料處于韌性狀態(tài)，低于脆性轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)為脆性狀態(tài)。若容器中存在不可避免的缺陷時(shí)，在低于脆性轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。因此，低溫壓力容器用鋼必須具有足夠的低溫韌性和較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度.

3低溫壓力容器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題

3.1設(shè)計(jì)溫度的確定

在溫度不同的環(huán)境中，諸如設(shè)計(jì)，材料選擇和制造等因素的選擇是完全不同的。設(shè)計(jì)溫度基于-20°C。高于此溫度并低于此溫度時(shí)，設(shè)計(jì)有很大差異。，在設(shè)計(jì)過(guò)程中的正確設(shè)計(jì)溫度應(yīng)當(dāng)由設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，溫度和設(shè)計(jì)壓力應(yīng)該在設(shè)計(jì)載荷被認(rèn)為是和溫度，環(huán)境溫度、介質(zhì)溫度、保溫或者保冷措施應(yīng)依次進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)溫度為在可以通過(guò)以下方法來(lái)確定該項(xiàng)目的低溫壓力容器：沿著所述橫截面厚度的元件的金屬的平均溫度被稱為金屬溫度的系統(tǒng)，并且當(dāng)所述流體的溫度是在元件溫度的兩側(cè)不一致，表面溫度可被如果計(jì)算計(jì)算表面溫度。計(jì)算傳熱計(jì)算模式。當(dāng)執(zhí)行特定操作時(shí)，必須捕獲所有數(shù)據(jù)。這些方法包括：流體與壁之間的熱傳遞，引導(dǎo)金屬熱元件，土壤的熱阻等。然而，許多數(shù)據(jù)的目前不能被檢測(cè)到，如介質(zhì)的傳熱系數(shù)，熱系數(shù)的值的K值阿爾法因此，實(shí)際計(jì)算主要基于經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于目前具有生產(chǎn)設(shè)施的相同類型的容器，加壓部件的金屬部件的溫度通常在實(shí)際測(cè)量中被測(cè)量是正確的。對(duì)于露天工廠或沒(méi)有加熱措施的工廠中的容器，夾套的溫度必須考慮周圍空氣溫度條件的影響。

3.2低溫壓力容器界線問(wèn)題

在對(duì)低溫壓力容器的使用期間的界線進(jìn)行確定時(shí)，通常會(huì)定義在-20℃，但在對(duì)材料的低溫狀態(tài)下性能判斷仍然存在誤差問(wèn)題，這樣并不能達(dá)到理想的使用效果，對(duì)于低溫界線的確定也是從缺口部分來(lái)進(jìn)行的。鋼材料在壓力環(huán)境下，自身使用性能穩(wěn)定性會(huì)發(fā)生很大的變化，因此在設(shè)計(jì)期間會(huì)將壓力控制在材料所能夠承受的范圍內(nèi)，這樣才不會(huì)造成嚴(yán)重的隱患問(wèn)題。鋼材在設(shè)計(jì)階段所選擇的厚度與使用溫度有很關(guān)系，進(jìn)入到低溫使用環(huán)境下，需要將鋼材的厚度加大，這樣才能夠確保其內(nèi)部壓力保持在使用穩(wěn)定的環(huán)境下，但目前的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中由于對(duì)低溫界線確定不明確，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展的后續(xù)設(shè)計(jì)也不能判斷出合理的鋼材選擇厚度，長(zhǎng)時(shí)間在這樣的環(huán)境下不利于壓力容器的安全使用.

3.3壓力容器的焊接問(wèn)題

在對(duì)接縫處進(jìn)行焊接處理時(shí)，需要根據(jù)使用中的壓力值計(jì)算來(lái)進(jìn)行，這樣才能更合理地判斷其中所存在的問(wèn)題。焊接材料選擇，焊接過(guò)程中的溫度控制都很容易出現(xiàn)誤差問(wèn)題，需要在設(shè)計(jì)階段對(duì)這些參數(shù)值做出計(jì)算，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展的焊接施工才能更加安全穩(wěn)定。焊接問(wèn)題在設(shè)計(jì)階段比較常見(jiàn)，同時(shí)也關(guān)系到設(shè)計(jì)任務(wù)開(kāi)展是否可以順利進(jìn)行。壓力容器的密閉性一旦不達(dá)標(biāo)，使用期間會(huì)出現(xiàn)不同程度的泄漏問(wèn)題，威脅到使用者的人身安全，對(duì)內(nèi)部材料也不能起到保護(hù)作用。在對(duì)焊接接頭部分的系數(shù)進(jìn)行計(jì)算確定時(shí)，根據(jù)常見(jiàn)的技術(shù)性問(wèn)題來(lái)探討其原理，確定焊接接頭系數(shù)有利于容器制作過(guò)程對(duì)焊接時(shí)間的控制。針對(duì)壓力容器的使用安全以及焊接問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格按照規(guī)定來(lái)進(jìn)行計(jì)算，并以提升使用安全性為前提，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)探討可能遇到的問(wèn)題，在焊接處理過(guò)程中針對(duì)常見(jiàn)問(wèn)題采取規(guī)避措施，達(dá)到更理想的工作效果，最終的工作質(zhì)量也能夠得到保障。明確了設(shè)計(jì)階段常見(jiàn)的問(wèn)題，有針對(duì)性的采取解決預(yù)防措施，更有助于提升工作任務(wù)的完成質(zhì)量，壓力容器使用過(guò)程中的安全控制也更能順利進(jìn)行.

3.4低溫壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于低溫壓力容器主要在低溫下使用，溫度的變化易對(duì)容器強(qiáng)度及穩(wěn)定性造成影響，所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量消除應(yīng)力集中的尖角部位。除此之外，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①低溫壓力容器結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單，以此減少焊接的復(fù)雜性；②盡量減少局部出現(xiàn)高應(yīng)力，控制結(jié)構(gòu)形狀突變幾率；③考慮溫度梯度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；避免截面應(yīng)力的劇烈變化；④避免焊接過(guò)程中將容器支座的焊點(diǎn)設(shè)計(jì)在殼體上；⑤進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理時(shí)，應(yīng)盡量選用整體補(bǔ)強(qiáng)方案，厚壁管補(bǔ)強(qiáng)次選。

3.5低溫壓力容器的檢驗(yàn)

低溫壓力容器由于使用條件較為苛刻，對(duì)材質(zhì)強(qiáng)度及整體穩(wěn)定性的要求較高，需要進(jìn)行較為嚴(yán)格的檢驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求裝載易燃易爆和有毒物質(zhì)的壓力容器，必須全部進(jìn)行射線或者超聲檢測(cè)。在對(duì)接頭進(jìn)行局部射線檢測(cè)時(shí)，要求檢測(cè)長(zhǎng)度高于接頭長(zhǎng)度的50%。在低溫壓力容器液壓試驗(yàn)時(shí)，要求測(cè)試液體溫度接近容器設(shè)計(jì)的最低溫度。在進(jìn)行低溫壓力容器抗沖擊試驗(yàn)中，對(duì)于抗沖擊材料的吸收功需要對(duì)照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按批逐件進(jìn)行，有條件的還要進(jìn)行復(fù)驗(yàn).

3.6制造與檢驗(yàn)

在完成設(shè)計(jì)過(guò)程后，必須在制造容器之前進(jìn)行若干測(cè)試和處理，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量，例如：B.熱處理和松弛熱處理。對(duì)于熱成型，熱成型和其他成分，其形成后，熱處理以達(dá)到更好的使用。每一步的檢查都與成品的質(zhì)量密切相關(guān)。對(duì)于容器壁厚>25mm且環(huán)境溫度為-40℃的A型和B型焊縫，應(yīng)進(jìn)行超聲波或全光束測(cè)試。此外，低溫壓力容器還必須對(duì)A型和B型焊縫進(jìn)行所需的無(wú)損檢測(cè)，并重新測(cè)試其重要部位。試驗(yàn)長(zhǎng)度不應(yīng)小于250毫米，不應(yīng)短于其焊接接頭的長(zhǎng)度。一半。如果進(jìn)行液壓測(cè)試，則流體溫度必須大于或等于接頭和殼體材料的沖擊測(cè)試溫度加上20℃如果溫度不同，液體溫度必須更高。

設(shè)計(jì)者應(yīng)認(rèn)真研究標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的技術(shù)及管理規(guī)定，提高解決壓力容器設(shè)計(jì)問(wèn)題的能力，特別是解決特殊結(jié)構(gòu)壓力容器的能力，以增加設(shè)計(jì)、建造中的技術(shù)含量，保障壓力容器安全。

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