低溫壓力容器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題

李長(zhǎng)龍 楊博

摘 要：在工業(yè)生產(chǎn)中，低溫壓力容器的使用非常普遍，低溫壓力容器的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)具有非常重要的意義。在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該在選材方面給予足夠的重視，要對(duì)材料的性能和各項(xiàng)指標(biāo)范圍進(jìn)行確定，保證在溫度下降的情況下，材料的脆變溫度在自身的承受范圍內(nèi)，不會(huì)因?yàn)槌鱿薅榷l(fā)生脆斷。文章從金屬溫度、材料的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及焊接等方面進(jìn)行了闡述，對(duì)于低溫壓力容器的設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：低溫壓力容器；設(shè)計(jì)溫度；結(jié)構(gòu)

低溫壓力容器由于其設(shè)計(jì)的環(huán)境溫度較低，而且在操作過(guò)程中其壁溫處在一個(gè)較低的溫度下運(yùn)行，所以對(duì)其鋼材的抗拉強(qiáng)度及屈服點(diǎn)等都有嚴(yán)格的要求。目前低溫壓力容器在石油化工企業(yè)的生產(chǎn)、貯運(yùn)等環(huán)節(jié)中中得到廣泛的應(yīng)用，其為生產(chǎn)企業(yè)提來(lái)一定便利的同時(shí)，由于其自身工作溫度較低，容器材料脆性較差，所以在拉應(yīng)力作用下極易發(fā)生脆性破壞。低溫壓力容器由于其元件在拉應(yīng)力作用下，一旦超出材料自身屈服強(qiáng)度，則會(huì)發(fā)生脆性破壞，而且在低溫壓力容器發(fā)生脆性破壞前，其容器結(jié)構(gòu)并不會(huì)有大范圍的整體屈伸跡象及明顯的征兆，通常不會(huì)出現(xiàn)或是只會(huì)出現(xiàn)極小的局部塑性變形，對(duì)生產(chǎn)的安全性帶來(lái)較大的影響。所以在進(jìn)行低溫壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，其具有較高的要求及標(biāo)準(zhǔn)。

1 金屬溫度的確定

設(shè)計(jì)溫度是低溫壓力容器設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一個(gè)因素，所以需要對(duì)設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行確定，因?yàn)椴煌脑O(shè)計(jì)溫度其在設(shè)計(jì)、選材和制造方面的影響也會(huì)有所不同。所以需要在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，根據(jù)設(shè)計(jì)的載荷條件、環(huán)境溫度、介質(zhì)的溫度和保溫、保冷的要求等多方面對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行分析，從而對(duì)設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行確定。

1.1 低溫壓力容器金屬溫度的確定，其理論上是指沿截面厚度的溫度平均值，但元件金屬兩側(cè)的流體溫度不同時(shí)，其可以通過(guò)流體與壁面間的給熱、污垢熱阻和元件金屬的熱量傳導(dǎo)等利用傳熱計(jì)算來(lái)對(duì)金屬的表面溫度進(jìn)行確定，但在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，由于介質(zhì)傳熱系數(shù)和給熱系數(shù)的值不容易確定，所以實(shí)際計(jì)算都是以經(jīng)驗(yàn)值來(lái)進(jìn)行的。

1.2 以物料溫度確定金屬溫度。低溫壓力容器其受壓元件與工作介質(zhì)直接接觸時(shí)，而且壓力容器外部具有良好的保溫或是保冷設(shè)施時(shí)，這時(shí)壁體的與環(huán)境溫度極為接近，或是殼體壁溫與物料溫度接近時(shí)，這時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)就可以將金屬溫度取為物流溫度。

1.3 而對(duì)于一些已經(jīng)在生產(chǎn)運(yùn)行當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用的低溫壓力容器，由于其屬于同類，所以在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其金屬溫度進(jìn)行確定時(shí)，則直接通過(guò)實(shí)際測(cè)定來(lái)確定即可。

1.4 部分車間或是廠房?jī)?nèi)部分容器處于露天或無(wú)采暖的情況下進(jìn)行放置，這時(shí)容器由于處于自然溫度下，所以其殼體的金屬溫度在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)其低溫環(huán)境下受到氣溫條件的影響因素進(jìn)行充分的考慮。

2 低溫壓力容器材料的選擇

低溫壓力容器由于具有其特殊性，所以在選材上需要對(duì)其設(shè)計(jì)溫度、材料的韌性、壁厚、拉應(yīng)力、焊接等問(wèn)題進(jìn)行充分的考慮，同時(shí)還需要對(duì)低溫壓力容器的用途、使用條件和安全要求等進(jìn)行補(bǔ)充要求的提出，從而確保選材的科學(xué)性。

2.1 低溫容器受壓元件用鋼材應(yīng)是鎮(zhèn)靜鋼，承受載荷的非受壓元件也應(yīng)該是具有相當(dāng)韌性且焊接性能良好的鋼材。

2.2 對(duì)于低溫狀態(tài)下的用鋼，都需要經(jīng)過(guò)正火處理，因?yàn)榻?jīng)過(guò)正文處理后的鋼不僅可以有效的減少終軋溫度和冷卻速率不同而引起的顯微組織不均勻，，同時(shí)對(duì)鋼材無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度也會(huì)有所降低。

2.3 對(duì)低溫用碳素鋼和低合金鋼各類鋼材，除因材料截面尺寸太小，必須按HG20585標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行低溫夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)。

2.4 對(duì)于低溫容器用碳素鋼和低合金鋼殼體鋼板，當(dāng)鋼板厚度8>20mm時(shí)，應(yīng)按JB/T4730逐張進(jìn)行超聲波檢測(cè)，合格級(jí)別為Ⅲ級(jí)。

2.5 奧氏體高合金鋼螺栓材料使用在一100℃以下時(shí)，可以考慮經(jīng)應(yīng)變硬化處理以保證需要的強(qiáng)度。奧氏體高合金鋼使用在一196℃以下，還應(yīng)考慮某些附加材料試驗(yàn)要求。

2.6 使用溫度在-100℃到-70℃區(qū)間的低合金鋼材料，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)適用的鋼材產(chǎn)品，可以選用國(guó)外的適用材料，或是直接選用奧氏體高合金鋼。

2.7 焊接材料的選擇比較關(guān)鍵，應(yīng)該按照母材的成分和性能進(jìn)行選擇，盡量選擇相近的材料，并且具有低溫韌性。選擇焊條時(shí)，以低氫堿性為佳，埋弧焊的焊劑以堿性或者中性為佳。

3 低溫壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低溫壓力容器要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要避免出現(xiàn)應(yīng)力集中、尖角等情況發(fā)生，確保結(jié)構(gòu)具有一定的韌性，所以需要在設(shè)計(jì)工作中對(duì)一些問(wèn)題進(jìn)行特別關(guān)注。盡可能的確保結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，減少焊接件受到約束程度，各截面的溫度梯度要盡可以的減小，在結(jié)構(gòu)拐角及過(guò)渡處應(yīng)避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，確保容器元件的各個(gè)部分都能夠圓滑過(guò)渡；對(duì)于容器在耳座、鞍座及支腿等部位，在焊接時(shí)需要利用墊板和連接板，避免直接與容器殼體進(jìn)行焊接；在進(jìn)行非受壓元件及附件焊接時(shí)，其焊縫在采用連續(xù)焊；利用整體補(bǔ)強(qiáng)和厚壁管進(jìn)行接管補(bǔ)強(qiáng)，合理的對(duì)焊縫進(jìn)行布置，避免出現(xiàn)集中和交叉的情況；對(duì)于一些載荷復(fù)雜的附件在焊后不能整體進(jìn)行熱處理時(shí)，需要進(jìn)行單獨(dú)的熱處理。A類焊縫和B類焊縫需要采用全焊透對(duì)接焊縫，而對(duì)于C類和D類焊縫則采用截面全焊透結(jié)構(gòu)即可。

4 低溫壓力容器的焊接

低溫壓力容器施焊前應(yīng)按JB4708進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接線能量，選用較小的的焊接線能量，以多道施焊為宜。不得在母材的非焊縫區(qū)內(nèi)引弧，焊接接頭（包括對(duì)接接頭和角接接頭）應(yīng)嚴(yán)格避免焊接缺陷，要求焊縫表面呈圓滑過(guò)渡，不應(yīng)有急劇形狀變化。焊后消除應(yīng)力處理可以減小接頭區(qū)域內(nèi)的焊接殘余應(yīng)力，從而降低了在低溫條件下的脆斷傾向。每臺(tái)低溫壓力容器都應(yīng)制備產(chǎn)品焊接試板。

5 檢驗(yàn)

5.1 對(duì)于A、B類對(duì)接接頭，容器設(shè)計(jì)溫度低于-40℃；容器設(shè)計(jì)溫度雖高于或等于-40℃，但接頭厚度大于25mm；根據(jù)“容規(guī)”劃為第三類的壓力容器；根據(jù)設(shè)計(jì)壓力和介質(zhì)的燃、爆、毒性等工作條件由設(shè)計(jì)文件規(guī)定作100%檢測(cè)的容器等需要進(jìn)行射線或超聲檢測(cè)。

5.2 作局部射線或超聲檢測(cè)的對(duì)接接頭，其檢測(cè)長(zhǎng)度不少于50%接頭總長(zhǎng)，且不少于250mm。

5.3 對(duì)下列焊接接頭作表面磁粉或滲透檢測(cè)：對(duì)符合第1條容器的焊接接頭，而無(wú)法進(jìn)行射線或超聲檢測(cè)者；對(duì)于要求做100%射線或超聲檢測(cè)的容器，其全部C、D類焊接接頭的各種焊縫以及受壓元件與非受壓元件的連接焊縫。

6 結(jié)束語(yǔ)

低溫壓力容器由于其具有特殊性，而且使用范圍也較廣，所以需要在其設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中嚴(yán)格按照低溫壓力容器的相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行，不僅需要明確介質(zhì)和環(huán)境的溫度，而且還要對(duì)容器材質(zhì)的拉應(yīng)力大小進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于是否是低溫壓力容器進(jìn)行正確的決定，避免浪費(fèi)制造和檢驗(yàn)費(fèi)用。

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