壓力容器設(shè)計(jì)中的環(huán)境溫度與最低設(shè)計(jì)金屬溫度

李春光 關(guān)慶賀

（中國石油遼陽石油化纖公司機(jī)械廠 遼陽 111003）

壓力容器設(shè)計(jì)中的環(huán)境溫度與最低設(shè)計(jì)金屬溫度

李春光 關(guān)慶賀

（中國石油遼陽石油化纖公司機(jī)械廠 遼陽 111003）

環(huán)境溫度在容器設(shè)計(jì)中不僅影響設(shè)計(jì)壓力的合理確定，而且更影響最低設(shè)計(jì)金屬溫度的確定直至影響材料的正確選擇。通過對規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)的解讀，結(jié)合液化石油氣儲罐設(shè)計(jì)對此進(jìn)行了討論，認(rèn)為環(huán)境溫度應(yīng)視為容器的特例工況條件，容器設(shè)計(jì)應(yīng)將與其對應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力一起作為設(shè)計(jì)載荷條件，不僅要對容器的壁厚進(jìn)行校核，而且尚需根據(jù)容器的一次應(yīng)力判斷并確認(rèn)是否需要修訂完善容器設(shè)計(jì)的選材、制造及檢驗(yàn)等技術(shù)要求，使容器設(shè)計(jì)文件正確完整，保證容器制造的安全可靠性。

容器設(shè)計(jì) 環(huán)境溫度 最低設(shè)計(jì)金屬溫度

安裝在室外無保冷設(shè)施常溫儲存的丁烷儲罐WG0.79-2000-20型和丙烷儲罐WG1.77-2000-20型[1]，設(shè)計(jì)條件及結(jié)構(gòu)尺寸分別見表1和表2。

表1 丁烷儲罐設(shè)計(jì)條件與結(jié)構(gòu)尺寸

表2 丙烷儲罐設(shè)計(jì)條件與結(jié)構(gòu)尺寸

設(shè)計(jì)施工圖時(shí)，如何考慮環(huán)境溫度，確定最低設(shè)計(jì)金屬溫度。若圓筒選用Q345R，是否需提出低溫沖擊試驗(yàn)要求。

1 規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)的解讀

環(huán)境溫度系TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程及釋義》簡稱《容規(guī)》[2]和GB150[3]修訂后所增加的設(shè)計(jì)條件中的自然條件，以利于設(shè)計(jì)者考慮的因素更為全面，尤其是設(shè)計(jì)常溫儲存容器時(shí)，最低設(shè)計(jì)金屬溫度的確定應(yīng)考慮環(huán)境溫度的影響，從而正確地進(jìn)行選材。這里的環(huán)境溫度系指容器使用地的月平均最低氣溫（月各天的最低氣溫值相加后除以當(dāng)月的天數(shù)）的最低值，可從設(shè)計(jì)常用數(shù)據(jù)及氣象資料查到。

最低設(shè)計(jì)金屬溫度系指容器在運(yùn)行過程中設(shè)計(jì)預(yù)期的各種可能條件下各元件金屬溫度的最低值。容器設(shè)計(jì)確定最低設(shè)計(jì)金屬溫度的目的是為正確選材，合理提出材料及其焊接接頭在最低設(shè)計(jì)溫度下的沖擊試驗(yàn)要求，以保證容器的安全可靠性。設(shè)計(jì)常溫儲存容器時(shí)，其最低設(shè)計(jì)金屬溫度不應(yīng)高于環(huán)境溫度。

若環(huán)境溫度≤-20℃，則最低設(shè)計(jì)金屬溫度取為小于等于環(huán)境溫度后，應(yīng)將最低設(shè)計(jì)溫度與其對應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力一起作為設(shè)計(jì)載荷條件對容器進(jìn)行一次應(yīng)力計(jì)算，并判斷是否符合“低溫低應(yīng)力工況”，然后再修訂完善容器材料采購及制造的技術(shù)條件。值得注意的是：“低溫低應(yīng)力工況”系指雖符合低溫界限的低溫容器，但其一次拉應(yīng)力卻低于或等于規(guī)定的“低應(yīng)力”水平（鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強(qiáng)度ReL的1/6且不大于50MPa）的工況[4]。

施工圖中標(biāo)注環(huán)境溫度即限定了容器的使用地，又為確定最低設(shè)計(jì)金屬溫度提供了條件；而注明最低設(shè)計(jì)金屬溫度或“低溫低應(yīng)力工況”則是為容器設(shè)計(jì)確定選材、制造及檢驗(yàn)的技術(shù)要求提供依據(jù)。值得注意的是：鋼材采購應(yīng)按GB150-3.7規(guī)定選用鋼材的使用溫度下限滿足最低設(shè)計(jì)溫度的韌性要求；若為“低溫低應(yīng)力工況”，則當(dāng)最低設(shè)計(jì)溫度+50℃后所得溫度低于0℃但卻高于或等于-20℃時(shí)，僅對容器的鋼材及其焊接接頭提出等于或低于所得溫度的沖擊試驗(yàn)要求；而當(dāng)所得溫度不低于0℃時(shí)，僅容器的材料應(yīng)符合HG/T 20585-2所列材料標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[5]。

2 環(huán)境溫度的應(yīng)用

因?yàn)?，設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力一起作為設(shè)計(jì)載荷條件是容器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。所以，容器設(shè)計(jì)應(yīng)全面考慮并將環(huán)境溫度視為特例工況條件。下面回答上面兩個(gè)實(shí)例的提問，分別對環(huán)境溫度應(yīng)用于容器設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。

實(shí)例1丁烷儲罐：首先根據(jù)環(huán)境溫度確定儲罐的最低設(shè)計(jì)溫度為-30℃[6]，再根據(jù)丁烷在-30℃下的蒸汽壓0.028MPa（相應(yīng)真空度為0.097MPa取正丁烷值）[7]，確定對應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力為-0.1MPa（即設(shè)計(jì)外壓為0.1MPa），然后對儲罐壁厚進(jìn)行外壓穩(wěn)定性校核，經(jīng)SW6計(jì)算程序[8]校核計(jì)算，最后對儲罐圓筒壁厚修訂為12mmQ345R。

查丁烷在-20℃下的蒸汽壓為0.072MPa（相應(yīng)真空度為0.028MPa取異丁烷值)，以此設(shè)計(jì)載荷條件用SW6計(jì)算程序[6]校核臥式容器圓筒的一次應(yīng)力見表3。

表3 丁烷儲罐-20℃工況下圓筒的一次應(yīng)力 MPa

可見，-20℃工況下儲罐圓筒的一次拉應(yīng)力均小于ReL/6且不大于50MPa，所以-20℃工況下使用的儲罐圓筒處于“低溫低應(yīng)力工況”狀態(tài)。盡管按GB150.2-4.1.11表4規(guī)定12mmQ345R鋼板使用溫度下限為-20℃，但即使是最低設(shè)計(jì)溫度為環(huán)境溫度-30℃時(shí)，加50℃后（為20℃）選12mmQ345R鋼板也能滿足沖擊韌性要求，而不必增加對鋼板的-20℃低溫沖擊試驗(yàn)要求。所以，無需對50℃工況的儲罐設(shè)計(jì)進(jìn)行修訂完善。

實(shí)例2丙烷儲罐：同樣根據(jù)環(huán)境溫度確定儲罐的最低設(shè)計(jì)溫度為-30℃[6]，再根據(jù)丙烷在-30℃下的蒸汽壓0.167MPaA（相應(yīng)表壓力為0.067MPaG）[7]，確認(rèn)無需考慮儲罐的外壓穩(wěn)定性問題。

查丙烷在-20℃下的蒸汽壓為0.242MPaA（相應(yīng)表壓力為0.142MPaG），以此設(shè)計(jì)載荷條件用SW6計(jì)算程序校核臥式容器圓筒的一次應(yīng)力見表4。

表4 丙烷儲罐-20℃工況下圓筒的一次應(yīng)力 MPa

可見，-20℃工況下儲罐圓筒的一次拉應(yīng)力均小于ReL/6且不大于50MPa，所以-20℃工況下使用的儲罐圓筒處于“低溫低應(yīng)力工況”狀態(tài)，同樣無需對50℃工況的儲罐設(shè)計(jì)進(jìn)行修訂完善。

容器的其它受壓元件用鋼材如鋼板、鋼管、鍛件及螺柱等的設(shè)計(jì)選材、制造與檢驗(yàn)等技術(shù)要求以此按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行修訂完善的確認(rèn)。

3 結(jié)束語

綜上討論，得出以下結(jié)論：

1）環(huán)境溫度應(yīng)視為容器設(shè)計(jì)的特例工況條件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將由環(huán)境溫度確定的最低設(shè)計(jì)溫度與其對應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力一起作為設(shè)計(jì)載荷條件；

2）若最低設(shè)計(jì)溫度對應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力為真空度，則應(yīng)對容器壁厚進(jìn)行外壓穩(wěn)定性校核；

3）若最低設(shè)計(jì)溫度對應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力為表壓力，則應(yīng)對容器的一次應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，視其“低溫低應(yīng)力工況”情況，確認(rèn)是否需要修訂完善容器設(shè)計(jì)的選材、制造及檢驗(yàn)等技術(shù)要求，以使設(shè)計(jì)文件正確與完整性，保證容器制造的安全可靠性。

1 NB/T47001－2009 鋼制液化石油氣臥式儲罐型式與基本參數(shù)[S].

2 TSG R0004－2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程及釋義[S].

3 GB150－2011壓力容器器及釋義[S].

4 李世玉.壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程[M].北京:新華出版社,2005.

5 HG/T20585－2011 鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定[S].

6 HG/T20580－2011 鋼制化工容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)規(guī)定[S].

7 石智豪.壓力容器介質(zhì)手冊[M].北京:北京科學(xué)技術(shù)出版社,1992

8 SW6－2011過程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件.

The Environment Temperature and Minimum Design Metallic Temperature for PressureVessel Design

Li Chunguang Guan Qinghe

The environment temperature not only affects the reasonable design pressure in the container design, but also influences the determination of minimum design metallic temperature and the proper selection of materials. Through the understanding of the discipline standard, combined with liquefied petroleum gas storage tank design, we think that ambient temperature shall be regarded as a special working condition of the container, and should be together with its corresponding design pressure as design load conditions in container design. It not only need to check the wall thickness of the container, but also need to judgment and confirm whether you need the revision consummates the container design material selection, manufacturing, inspection and other technical requirements according to primary stress. It makes the container design files correctly with integrity, to ensure the safety and reliability of the container manufacturing.

Container design Environment temperature Minimum design metal temperature

B

1673－257X(2014)06－41－02

李春光（1979～)，男，工程師，從事壓力容器建造工作。

2014－02－18）