低溫下壓力容器設(shè)計(jì)需注意的問(wèn)題框架構(gòu)建

摘 要：低溫壓力容器的設(shè)計(jì)工作繁雜，要求較高的嚴(yán)密性。一般情況下，設(shè)計(jì)壓力容器的溫度低于-20℃時(shí)，由于壓力容器存在一定缺陷與殘余應(yīng)力等問(wèn)題，導(dǎo)致容器局部的應(yīng)力過(guò)高，進(jìn)而造成容器的塑性變形，使容器出現(xiàn)脆性破裂，造成嚴(yán)重的安全事故發(fā)生?；诖?，本文對(duì)低溫下設(shè)計(jì)壓力容器這一問(wèn)題作出分析，簡(jiǎn)要闡述了低氣溫下設(shè)計(jì)壓力容器需要注意的材料與結(jié)構(gòu)等環(huán)節(jié)，旨在提高壓力容器的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：低溫;壓力容器;設(shè)計(jì)要點(diǎn)

低溫技術(shù)屬于工業(yè)裝置，在存儲(chǔ)、運(yùn)輸氣體與液體方面有著重要作用，使低溫壓力容器受到廣泛應(yīng)用。但壓力容器的溫度偏低，極大程度上增加了容器金屬的脆性，當(dāng)溫度低于正常水平后，自然會(huì)發(fā)生脆性破壞的問(wèn)題。除此之外，低溫壓力容器通常直接發(fā)生脆性破裂，小范圍塑性變形的可能性不高，極易造成事故發(fā)生。

1 設(shè)計(jì)低溫壓力容器的三點(diǎn)問(wèn)題

1.1 設(shè)計(jì)低溫壓力容器的材料

制造低溫壓力容器的材料應(yīng)當(dāng)具備良好的沖擊韌性，重點(diǎn)是在缺口位置與低溫環(huán)境下，由裂紋的敏感度以及微觀變形具體性能所決定的，決定容器后期脆性破裂的重點(diǎn)位置即缺口。設(shè)計(jì)低溫壓力容器的主要問(wèn)題為材料，而材料的主要問(wèn)題是由沖擊韌性沒(méi)能符合標(biāo)準(zhǔn)造成的。例如受壓與非受壓材料，以及所需的連接元件等，都是材料設(shè)計(jì)的問(wèn)題。例如，受壓材料，研究分析低溫壓力容器在溫度設(shè)計(jì)方面的不同影響。受壓材料存在較多類型，具有一定差異，導(dǎo)致在低溫環(huán)境下，造成脆性破裂的原因也不相同。以碳錳鋼為例，碳錳鋼的使用溫度應(yīng)控制在-40℃以上，若環(huán)境不符合此標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)造成容器出現(xiàn)脆性斷裂的情況，即韌性問(wèn)題。在設(shè)計(jì)低溫容器的過(guò)程中，受壓材料的使用比例較高，對(duì)低溫容器影響巨大。此外，不僅是韌性問(wèn)題，更需要周密控制設(shè)計(jì)材料處于低溫環(huán)境下，發(fā)生的裂紋擴(kuò)展以及塑性變形問(wèn)題，才能有效保障壓力容器在低溫條件下，符合設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 設(shè)計(jì)低溫壓力容器的溫度

設(shè)計(jì)低溫壓力容器時(shí)應(yīng)注意的溫度問(wèn)題，是指工作溫度應(yīng)當(dāng)符合實(shí)際溫度，設(shè)計(jì)低溫壓力容器時(shí)，若出現(xiàn)非正常問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程中所需的金屬材料與設(shè)定溫度不符。因此，設(shè)計(jì)低溫壓力容器時(shí)，需要嚴(yán)格按照國(guó)家制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)各個(gè)類型的材料需要具備對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度，若溫度不符合要求，后續(xù)設(shè)計(jì)容器時(shí)的效果會(huì)受到不良影響。如，原定的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)控制在-20℃，才能確保設(shè)計(jì)低溫壓力容器時(shí)的穩(wěn)定性，但在實(shí)際的制造過(guò)程中，將溫度控制在-10℃或-15℃之間，溫度與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不一致，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)出的低溫壓力容器與溫度標(biāo)準(zhǔn)不符。并且，在設(shè)計(jì)低溫壓力容器時(shí)，應(yīng)高度重視設(shè)計(jì)的溫度問(wèn)題，明確溫度高低對(duì)設(shè)計(jì)低溫容器的整體影響，情況嚴(yán)重時(shí)，若溫度與標(biāo)準(zhǔn)不符，會(huì)遺留一定的安全隱患，導(dǎo)致后續(xù)的工作中無(wú)法正常使用低溫壓力容器。

1.3 低溫壓力容器的焊接

需嚴(yán)格設(shè)計(jì)低溫壓力容器的焊接問(wèn)題。在焊接容器時(shí)，所采用的方法、后期處理及焊接設(shè)計(jì)，需要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，復(fù)驗(yàn)的過(guò)程中能夠發(fā)現(xiàn)一些焊接設(shè)計(jì)問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)并制造低溫壓力容器后，需要進(jìn)行反復(fù)的檢驗(yàn)與查驗(yàn)，其目的是為了降低后續(xù)使用容器時(shí)發(fā)生的一些不良破壞問(wèn)題。例如，某個(gè)低溫壓力容器在制造過(guò)程中，使用鋼板焊接筒體與封頭，在制造過(guò)程中沒(méi)能發(fā)現(xiàn)異常問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)時(shí)，檢測(cè)出連接部位的鋼板厚度超出標(biāo)準(zhǔn)要求，由此得知容器的焊接環(huán)節(jié)不合格。除此之外，低溫壓力容器在焊接時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)一些其他問(wèn)題，如焊縫不合格，這種情況會(huì)導(dǎo)致低溫壓力容器存在一定的安全隱患。

2 解決設(shè)計(jì)低溫壓力容器問(wèn)題的三點(diǎn)措施

2.1 解決設(shè)計(jì)材料的措施

沖擊韌性能夠檢驗(yàn)低溫壓力容器的設(shè)計(jì)材料是否與標(biāo)準(zhǔn)要求相符。材料韌性與低溫之間息息相關(guān)，二者相輔相成。溫度越高，沖擊韌性的性能也更好，同時(shí)，隨著溫度上升數(shù)值，能夠良好表現(xiàn)沖擊韌性的性能。高強(qiáng)鋼溫度在升高時(shí)，其沖擊韌性也會(huì)小幅度增加。提高低溫壓力容器的沖擊韌性有兩種方法，一是將鎳元素加入到低溫壓力容器的設(shè)計(jì)中，加入后能夠使低溫壓力容器的材料發(fā)生改變，防止集中應(yīng)力，這樣能夠有效提高容器的機(jī)體韌性，容器中的鎳元素含量在13%以上時(shí)，幾乎不會(huì)發(fā)生容器脆性斷裂的問(wèn)題。因此，將鎳元素積極推行到低溫壓力容器的材料設(shè)計(jì)中，能夠良好保障容器的沖擊韌性。又比如，將V、Nb等適當(dāng)加入到容器的鋼材料中，能夠與鋼材料發(fā)生一定反應(yīng)，形成化合物，并呈現(xiàn)出粒子狀態(tài)，有效擴(kuò)大了容器晶界面積，并確保低溫壓力容器鋼結(jié)構(gòu)具備良好的低溫韌性。

2.2 解決溫度問(wèn)題的措施

設(shè)計(jì)低溫壓力容器的溫度應(yīng)當(dāng)將其控制在，正常的條件下。同時(shí)，其設(shè)計(jì)溫度應(yīng)當(dāng)高于容器所使用的，最低溫的金屬材料，并遵循國(guó)家制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行溫度的設(shè)計(jì)。我國(guó)設(shè)計(jì)低溫壓力容器的溫度要求數(shù)值十分明確，可以參照國(guó)家的相關(guān)要求進(jìn)行溫度設(shè)計(jì)。低溫情況下的容器在工作時(shí)，材料強(qiáng)度不可超過(guò)500MPa，這樣才能確保低溫壓力容器的穩(wěn)定性能。在進(jìn)行溫度設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮材料、工藝與檢測(cè)，可根據(jù)設(shè)計(jì)的溫度標(biāo)準(zhǔn)增加50℃，使低溫壓力容器發(fā)生脆性破裂的可能降低。在解決溫度問(wèn)題時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行低溫壓力的檢測(cè)，保障其溫度設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 解決焊接問(wèn)題的措施

首先，低溫壓力容器進(jìn)行焊接時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循我國(guó)相關(guān)規(guī)定完成焊接。行業(yè)相關(guān)人員需要自行編制出焊接壓力容器的工藝指示，將低溫壓力容器的各項(xiàng)焊接操作明確指出，并進(jìn)行相關(guān)的評(píng)估檢測(cè)工作，檢測(cè)低溫壓力容器的焊接設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)。其次，使用焊接線時(shí)，應(yīng)合理應(yīng)用，最大限度保障低溫壓力容器的兩側(cè)機(jī)體材料與標(biāo)準(zhǔn)相符。最后，在進(jìn)行低溫壓力容器的焊接設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮焊接工藝的評(píng)定，參照其具體結(jié)果，盡量選擇能量小的焊接線在規(guī)定范圍中應(yīng)用，這樣能夠有效避免低溫壓力容器存在過(guò)多的焊接線，相關(guān)工作人員可以采取多道焊接的方式，提高低溫壓力容器的穩(wěn)固性能。

3 設(shè)計(jì)低溫壓力容器需注意事項(xiàng)

低溫壓力容器在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)較多問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)對(duì)容器整體的制造與后期使用帶來(lái)不良影響。因此，在設(shè)計(jì)低溫壓力容器時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意容器的使用材料與實(shí)際溫度，并做好焊接工作。同時(shí)，需要明確三者之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)容器時(shí)的溫度與材料存在載荷條件，容器各個(gè)位置在焊接金屬時(shí)也會(huì)受到溫度的控制。低溫壓力容器在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要注意，保證設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與安全性，做好焊接的熱處理，降低焊接部位的應(yīng)力，有效防止容器發(fā)生脆性破裂，使低溫壓力容器符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在設(shè)計(jì)低溫壓力容器時(shí)，其需要遵循的要求與標(biāo)準(zhǔn)較多，因此需要相關(guān)人員做好記錄工作，確保將各個(gè)環(huán)節(jié)與步驟的設(shè)計(jì)內(nèi)容精準(zhǔn)記錄，這樣能夠有效幫助設(shè)計(jì)人員，提高設(shè)計(jì)低溫壓力容器的水平。此外，應(yīng)當(dāng)組織好設(shè)計(jì)低溫壓力容器試驗(yàn)各項(xiàng)評(píng)定的具體應(yīng)用，并借助規(guī)范化的試驗(yàn)操作流程，保障低溫壓力容器能夠符合相關(guān)使用標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著低溫壓力容器的不斷普及，其工藝設(shè)計(jì)與制造與普通壓力容器相較具有諸多差異，低溫壓力容器逐漸受到廣泛關(guān)注與認(rèn)可。在設(shè)計(jì)低溫壓力容器時(shí)，需要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，確保其制造過(guò)程與結(jié)果符合相關(guān)要求。在處理低溫容器中的常見(jiàn)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮實(shí)際情況，不斷提高低溫壓力容器的質(zhì)量，確保其持續(xù)發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：

安然（1988- ），女，漢族，遼寧省鞍山市人，中級(jí)工程師，本科，主要研究方向：壓力容器及非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)。