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

宋传静

河南省锅炉压力容器安全检测研究院驻马店分院 河南省驻马店 463000

摘要:随着石油工业的发展，对技术的要求越来越高，对设备的要求也是如此，低温压力容器就是石油工业发展的一种约束力量，因此这种容器设计的如何将成为石油工业发展关注的一个重点问题，为此本文从不同的方面对这一问题进行了探讨。

　　关键词: 低温压力容器 ; 设计 ;注意事项

近年来，石油化工企业中，压力容器的使用较多。再加上，因气体液化、分离、气体生产、储存与应用等十分普遍，因此，在发展低温技术过程中，低温压力容器的使用所占的比例是非常大的。所以，一般来说，此类压力容器在工作时，其温度是比较低的，这样一来，增大了容器材料脆性。在拉应力作用下，受压元件的应力水平小于材料屈服强度时，会突然产生脆性断裂现象。而在发生此种断裂前后，都没有活着只有局部产生很小的塑性变形，并不是整体都出现屈服。因此，在日常生产当中，此种断裂是很难被察觉到的，特别是对石油化工企业安全性带来较大的危害。

1 加强低温压力容器设计研究的意义

　　伴随着第三次科技浪潮的兴起，全球科技发展迅猛，新材料更是成为当今社会关注的热点。在日常生产生活中，经常用到低温压力容器，如液化天然气的生产及运输、特殊气体及液体的保存等，在石油化工中应用尤为普遍。低温压力容器在使用过程中由于其所处环境温度较低，容器脆性表现明显，再受到撞击或者温度剧烈变化时容易造成容器受损或爆炸，造成严重的生命和经济财产损失。为此对低温压力容器设计进行全方位的探析，对于低温压力容器的生产和使用具有重要的现实意义。

2 低温压力容器设计存在的问题

2.1低温压力容器的选材

　　（1）低温压力容器受压元件材料的选择

　　低温用钢材的质量在低温压力容器质量中占有很大的重量，从使用温度来看，低温用钢大体分为三类，即低碳碳锰钢适用于-40℃以上温度，低碳钢、中镍钢适用于-40℃～-196℃时，℃铬镍奥氏体钢适用于-196℃～-273℃。

　　脆性断裂是钢材在低温的状态下失效的主要原因，钢材一旦处于低于脆性转变温度时，只要有足够的缺口或者缺陷时就可能导致低应力下的脆性断裂。AKV是钢材在低温下的冲击值，它是钢材缺口或缺陷在低温下塑性变形能力和对裂纹扩展的敏感性，即低温韧性的一种反应值。因此选材时对钢材的低温韧性的选择是制造低温压力容器的首要条件，所以我们必须要在充足的低温韧性的前提下，选择相对高强度的钢材，只有这样才能确保我们的低温压力容器的质量。较好的低温韧性的获得需要低温压力荣勇钢在冶炼方法上采用特殊的冶炼方法，和特殊的钢材。特殊钢材必须经过严格的检测，不允许有任何的缺陷。除此之外，为了确保钢材塑性要求，应力集中部位的应力再分配能力的提高，钢材的屈强比可以小些，但是不允许大[1]。

　　（2）非受压元件材料的选择

　　连接低温压力容器受压元件的非受压元件材料的低温韧性与焊接接头性能必须和受压元件相匹配。其中对于低温压力容器来说，支座在选材时是尤为重要的，主要体现在：低温韧性与受压元件相同的同种材料适用于设计温度不高于-70℃的低温容器；支座材料的低温韧性比受压元件低一个等级的材料适用于设计温度高于-70℃而低于-20℃的低温容器。考虑环境温度的影响是选用支座材料在极低环境温度下安装必须考虑的因素之一。

2.2确定低温压力容器的设计温度

　　低温压力容器的设计温度关系着容器的使用范围、使用寿命，因此，确定低温压力容器的设计温度对低温压力容器的整体设计至关重要。根据《压力容器》的设计规定，在进行低温压力容器温度设计时，要综合考虑生产介质的温度、生产环境的温度等多方面因素，全面分析可能影响低温压力容器设计的各个因素，排除非关键因素，着重分析、解决关键影响因素，以确保低温压力容器的温度设计符合容器的使用要求。由于低温压力容器的使用环境温度较低，容器材料的脆性会发生极大的变化，因此，在温度设计中，也要加强这方面的考虑。例如：在对环境因素的分析中，要考虑到容器的使用地点，在环境温度上，南北方的环境温度差异是十分明显的，因此，在容器设计上，对容器的各方面性能要求存在着一定程度的差异。

2.3结构设计问题

　　在设计低温压力容器时，为提高容器设计质量，需要严格遵循《压力容器》设计规范标准，以此来保证设计的合理性及科学性。但是，在实际设计过程中，不遵循设计要求的现象比较常见，随意性较强，导致低温压力容器设计不够规范，结构组成不合理，存在较多的质量缺陷，在投入使用后容易出现各种问题。并且，当容器结构不符合设计规定以及使用需求时，容易降低容器的硬度和强度，也容易提升容器的脆弱性，不利于低温压力容器的正常、安全使用。

2.4焊接作业问题

　　在对低温压力容器进行组合配套时，是通过焊接作业完成的，焊接作业情况会对容器设计水平及制作质量造成较大影响。从当前的低温压力容器焊接处理情况来看，不规范焊接现象比较常见，比如所用焊接线能量过高，焊缝比较密集，并且存在交叉现象，不仅会降低容器使用性能的良好性，还会影响其美观性。同时，没有对焊缝进行打磨处理，其表面比较粗糙，有棱角存在问题也比较常见。另外，完成焊接作业后，没有对残余焊接应力加以有效处理，容器脆断倾向比较严重。

3 低温压力容器制造和检验

　　3.1在对低温钢材进行加工之前，首先对钢材进行复验，检查低温压力容器质量是否达到设计要求。低温压力容器的钢材进行加工时，还要对低温冲击值加以复验，这样一来，才可以确保低温钢材有较强的低温韧性，不容易产生灾难性破坏。除此之外，也需要对低温三类压力容器以及球罐钢材完成全项目复验，也就是说，检查材料化学性、机械性能以及低温冲击值是否达到设计要求[2]。

　　3.2制造低温压力容器的封头钢板，其当厚度超出标准范围时，还要进行超声波检验，其合格级是三级。

　　3.3对于低温压力容器对接焊缝，其满足情况时，就必须进行超声波检测；而且要求检测的长度不能低于各个焊接接头长度的50%，也就是说不能少于250mm。然而，对于需要进行超声波检测的低温容器来说，对T型接头、对接焊缝以及角焊缝等都要进行渗透检测。除此之外，关于受压元件和非受压元件连接焊缝，也要严格按照规范要求进行检验。

　　3.4对于其钢板厚度超出16mm的碳素钢或者是低合金钢等，对元件焊接首先要进行焊后热处理，其热处理内容主要包含：受压元件和承受大荷载强度计算的非受压元件焊接缝，例如：壳体和支座垫板、支座零部件的连接焊缝等。在对低温压力容器进行焊接之后，需要进一步消除应力热处理之外，还需要消除焊接残余应力，同时去除掉焊缝金属的氢气，特别是对加工变形区组织来说，需要大大提高低温的人选，只有这样，才能够大大降低低温容器产生脆性断裂的发生，与此同时，这也是确保低温压力容器质量的一个有效手段。

结语

　　总之，在低温压力容器制作过程中，要严格按照设计要求进行设计制作，提高容器的制作质量，并在实际使用过程中不断解决容器出现的设计缺陷问题，进而不断提高低温压力容器的设计、制作质量。

　　参考文献

[1] 孟雅薇.葛志强.关于低温压力容器设计的若干问题的分析[J].科技创新与应用，2012（32）：114.

[2] 高军.低温压力容器用钢及其焊接与检测[J].机械研究与应用，2011（17）：12-22