低溫壓力容器設(shè)計探究

劉亞楠

(中鹽工程技術(shù)研究院有限公司，天津 300450)

近年來，隨著我國化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，化工產(chǎn)品的產(chǎn)能和種類都有較大提高。為服務(wù)化工產(chǎn)品生產(chǎn)，化工設(shè)備設(shè)計、制造業(yè)得到了較快發(fā)展。其中低溫壓力容器作為其中一個方向，其設(shè)計問題也受到了越來越廣泛的關(guān)注。文章針對低溫壓力容器的特點，對低溫壓力容器的相關(guān)設(shè)計問題進(jìn)行闡述。

1 低溫壓力容器的失效形式

隨著使用溫度的降低，低溫壓力容器的失效主要形式是脆性斷裂。低溫脆性斷裂是在沒有預(yù)兆的情況下發(fā)生的，在結(jié)構(gòu)失效之前沒有明顯的塑性變形，一旦發(fā)生斷裂，失效速度很快，斷口齊平、與最大主應(yīng)力方垂直，光亮平滑，呈晶粒狀，壁厚無明顯塑性變??；脆性斷裂的應(yīng)力水平通常低于殼體材料的屈服強渡，甚至低于許用應(yīng)力。因此脆性失效具有低應(yīng)力破壞特征。應(yīng)力低到什么程度導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效與材料的力學(xué)性能、操作溫度、缺陷形狀和大小、殘余應(yīng)力和是否進(jìn)行熱處理等諸多因素有關(guān)。

常溫下工作的由塑性很好的碳素鋼或低合金鋼等低強度鋼制造的薄壁壓力容器，一般來說發(fā)生脆性斷裂的危險性不是很大。但是對于由中、高強度金屬材料焊接制成的厚壁壓力容器，發(fā)生脆性斷裂的概率較大，因此在加工及使用過程中要引起重視。在化工行業(yè)，特別是石油化工及制冷行業(yè)所用的低溫壓力容器，具有壁厚、尺寸大、受介質(zhì)腐蝕等作用，以及通常這種容器是由高強度材料制造，因此在設(shè)計該類型的壓力容器時，除了確保容器強度條件之外，還需要進(jìn)行必要的防脆斷設(shè)計或評定。

2 低溫壓力容器溫度界定

目前，國內(nèi)外的相關(guān)壓力容器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中都對設(shè)計溫度界限做出了規(guī)定，但是各個國家對低溫溫度的界定都不相同，美國ASME Ⅷ-1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定低溫界限為-30 ℃以下；德國的AD標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的低溫界限為-10 ℃以下；日本的JIS B 8270標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的低溫界限為-10 ℃以下；英國的BS 5500標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的低溫界限為0 ℃以下[1]；我國現(xiàn)行的GB150《壓力容器》規(guī)定低溫壓力容器的設(shè)計溫度界限為-20 ℃以下，此外GB150《壓力容器》同時規(guī)定了低溫低應(yīng)力工況，即殼體或其受壓元件的設(shè)計溫度雖然低于-20 ℃，但設(shè)計應(yīng)力(在該設(shè)計條件下，容器元件實際承受的最大一次總體薄膜和彎曲應(yīng)力)小于或等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強度的1/6，且不大于50 MPa時的工況。但對于碳素鋼和低合金鋼制容器，當(dāng)殼體或者其受壓元件在低溫低應(yīng)力狀況下，若其設(shè)計溫度加50 ℃(對于不要求焊后熱處理的容器，加40 ℃)后不低于-20 ℃，除另有規(guī)定外不必遵循關(guān)于低溫容器的規(guī)定[2]。

3 低溫壓力容器的選材

低溫壓力容器的材料選擇比非低溫容器要求更高，低溫鋼材在冶煉方法、化學(xué)成分、熱處理等生產(chǎn)工藝有更加嚴(yán)格的規(guī)定。在設(shè)計低溫壓力容器時，首先要考慮選用在低溫下具有較好韌性的鋼材。要提高材料的低溫韌性，可以在冶煉的過程中加入必要的元素，例如可以加入適量的V、Nb等元素，或控制軋制和控制冷卻工藝，或進(jìn)行正火處理，細(xì)化晶粒，增加韌性。表1列出了常見低溫介質(zhì)所用鋼材種類，可供設(shè)計時選用參考[3]。

鋼材在用于制造低溫壓力容器之前，需要進(jìn)行夏比V口低溫沖擊試驗。試驗溫度應(yīng)根據(jù)容器受壓元件的最低設(shè)計溫度確定，應(yīng)等于或者低于設(shè)計溫度(一般情況下取等于設(shè)計溫度)；當(dāng)設(shè)計條件與低溫低壓力工況相符時，沖擊試驗溫度按設(shè)計溫度増加50 ℃之后的值考慮，當(dāng)調(diào)整之后的沖擊試驗溫度高于或等于0 ℃時，可不需進(jìn)行低溫沖擊試驗。夏比V口沖擊試驗方法，應(yīng)符合GB/T 229《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》的規(guī)定，試驗時每3個試樣為一組。常用鋼材的沖擊功要求見表2。

表1 低溫壓力容器常用材料Tab.1 Common materials for cryogenic pressure ressels

表2 低溫沖擊功要求Tab.2 Low temperature impact energy requirements

4 低溫壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

低溫壓力容器的強度按照GB150《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)章節(jié)計算，計算時低溫壓力容器所用受壓元件鋼材的許用應(yīng)力，應(yīng)采用其常溫20 ℃時的數(shù)值。

相對于普通壓力容器，低溫壓力容器在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要另外注意以下方面：

(1)結(jié)構(gòu)盡可能簡單，減少焊接件的拘束程度；

(2)在材料選擇上，盡量單一；

(3)結(jié)構(gòu)應(yīng)避免產(chǎn)生過大的溫度梯度；

(4)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量減少局部應(yīng)力集中以及截面的急劇變化；

(5)與受壓元件連接的附件，應(yīng)采用連續(xù)焊接且不應(yīng)與A類、B類焊接接頭重合；

(6)用于支撐容器的鞍座、支腿和耳座等非受壓元件不應(yīng)直接與本體直接焊接，在二者中間應(yīng)設(shè)置墊板或連接板，其材料應(yīng)與容器本體材料相同；

(7)當(dāng)容器上有接管和載荷復(fù)雜的附件，需要進(jìn)行焊后熱處理消除應(yīng)力，但因體積限制不能整體熱處理時，需要考慮對焊接部位進(jìn)行局部熱處理；

(8)如果遇到需要對接管進(jìn)行補強的情況，優(yōu)先選擇厚壁管或者車制鍛造管進(jìn)行補強；

(9)關(guān)于低溫壓力容器的錐形封頭或變徑段的半錐角規(guī)定如下：半錐角最大不得超過45°；當(dāng)半錐角≤30°時，允許采用無折邊結(jié)構(gòu)；當(dāng)半錐角>30°時，應(yīng)設(shè)置折邊，折邊結(jié)構(gòu)的彎曲半徑應(yīng)≥0.1倍直徑且≥3倍壁厚，并帶有≥25 mm的直邊；

(10)接管選用，應(yīng)遵循以下原則：與殼體相焊接的接管壁厚不應(yīng)小于5 mm，如果小尺寸接管壁厚不滿足要求，可以采用鍛造后車制的非標(biāo)管，延伸出的部分采用標(biāo)準(zhǔn)接管尺寸方便與法蘭焊接。連接彎頭不得采用接管直接焊接拼接。當(dāng)接管與殼體相焊且采用插入式結(jié)構(gòu)時，接管頂端的尖角需要處理成圓角，圓角半徑最小為3 mm。如果采用鋼板卷制接管，接管的A類、B類焊接接頭應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)。

低溫壓力容器焊接應(yīng)注意：A類、B類焊接接頭應(yīng)采用雙面焊或者相當(dāng)于雙面焊的全焊透對接接頭；對因結(jié)構(gòu)限制不能采用雙面焊接的B類焊接接頭，可采用焊后不拆墊板的單面對接接頭；E類焊接接頭除結(jié)構(gòu)要求外應(yīng)避免間斷焊和點焊；殼體拼接不得采用十字焊縫，相鄰?fù)补?jié)和封頭縱焊縫應(yīng)該相錯，相錯距離應(yīng)大于較厚板的4倍，且不小于100 mm。

5 小結(jié)

低溫壓力容器在使用過程中，其發(fā)生脆性破壞的可能性很高，所以要求設(shè)計人員在設(shè)計過程中，要結(jié)合容器介質(zhì)、溫度、壓力與材料特性等多種因素綜合考慮，并結(jié)合實際的應(yīng)用環(huán)境，對容器的選材、強度結(jié)構(gòu)、制造和檢驗提出全面合理的要求，在保證經(jīng)濟(jì)適用的前提下，設(shè)計出安全可靠的容器。