低溫壓力容器設(shè)計中的關(guān)鍵問題

姜 營

(中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250000)

低溫壓力容器設(shè)計中的關(guān)鍵問題

姜 營

(中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250000)

低溫壓力容器的特點是易產(chǎn)生脆性破壞，脆性破壞會導致災(zāi)難性事故。文章分析了低溫脆性斷裂的基本特征和斷裂機理，并探討了低溫壓力容器選材、設(shè)計、制造檢驗等過程中應(yīng)該注意的關(guān)鍵問題，以期對低溫壓力容器的設(shè)計提供借鑒和幫助。

低溫壓力容器；脆性破壞；設(shè)計；選材

低溫技術(shù)的發(fā)展促進了低溫壓力容器的應(yīng)用，低溫壓力容器是低溫工業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，其應(yīng)用日趨普遍。受低溫環(huán)境或低溫介質(zhì)的影響，容器材料的韌性下降，容器可能會發(fā)生脆性破壞，這種破壞形式不呈現(xiàn)顯著的塑性變形，脆性破壞前沒有任何征兆，因此這種脆性破壞危害巨大，對人們的生命、財產(chǎn)安全產(chǎn)生極大的隱患。防止低溫壓力容器的脆性破壞應(yīng)該從低溫壓力容器的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造檢驗等環(huán)節(jié)進行有效的控制。文章結(jié)合低溫脆斷的特點，從上述幾個方面對低溫壓力容器設(shè)計中的關(guān)鍵問題進行總結(jié)。

1 低溫脆性斷裂的基本特征和斷裂機理

1.1 低溫脆性斷裂具有以下基本特征[1]

(1)低溫脆斷的發(fā)生與材料使用溫度的降低密切相關(guān)。

(2)低溫脆斷破壞時材料的塑性很低，處于脆性狀態(tài)，稱為低溫脆性斷裂。

(3)斷裂時容器元件內(nèi)部的應(yīng)力水平低于材料的屈服強度，甚至低于材料的設(shè)計應(yīng)力(許用應(yīng)力)，稱為低應(yīng)力脆性斷裂。

(4)低溫脆斷的裂紋源一般是材料自身缺陷處或幾何形狀突變處，破壞幾乎沒有宏觀的塑性變形。

(5)低溫脆裂發(fā)生后裂紋擴展速度極高，在鋼材中傳播直至到達材料的高韌性區(qū)或更低的應(yīng)力區(qū)，速度可達空氣聲速的2～3倍。

(6)材料的脆斷斷口有晶粒狀特點，斷口平滑光亮。

(7)在遠離脆斷斷口位置材料的強度和塑性仍然滿足設(shè)計要求。

1.2 低溫脆性斷裂機理

一般碳素鋼和低合金鋼具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)決定了材料隨著溫度降低強度增加而韌性降低；這類金屬材料具有冷脆特點，在溫度降低時，材料的韌性急劇下降。在溫度高于脆性轉(zhuǎn)變溫度時，材料處于韌性狀態(tài)，低于脆性轉(zhuǎn)變溫度時，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)為脆性狀態(tài)。若容器中存在不可避免的缺陷時，在低于脆性轉(zhuǎn)變溫度時，材料就會發(fā)生脆性斷裂。因此，低溫壓力容器用鋼必須具有足夠的低溫韌性和較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

2 低溫壓力容器的選材

低溫壓力容器由于使用溫度較低，容器材料的脆性、韌性等物理性質(zhì)容易發(fā)生極大的變化，如脆性增大、韌性降低等，使得容器產(chǎn)生致命的破壞[2]。低溫壓力容器用鋼材除滿足GB150選材原則[3]及要求外，還應(yīng)針對具體使用環(huán)境對鋼材提出高于GB150指標的補充要求。

鋼板的軋制方向、熱處理狀態(tài)、應(yīng)變時效、加載速度、殘余應(yīng)力等都會影響鋼材的低溫韌性。因此，要加強對材料的選擇，如冶煉時在鋼種加入少量的Nb、V等微合金元素；控制軋制和控制冷卻工藝；要求正火處理，以細化晶粒，減少鋼材軋制產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷，降低鋼材脆性轉(zhuǎn)變溫度。低溫材料在焊接后，其熱影響區(qū)的低溫沖擊功降低，在容器設(shè)計和鋼材訂貨時應(yīng)保證充分的韌性裕量，對鋼材提出合理的、更高的沖擊功指標，或降低母材的沖擊試驗溫度。表1列出了常見的適合低溫介質(zhì)的材料[4]，供設(shè)計者參考。

表1 低溫壓力容器常用材料

(本表未考慮低溫低應(yīng)力工況的影響)

注：1.鋼號的括號內(nèi)溫度為該材料標準規(guī)定的使用溫度下線；2.液化氣體的括號內(nèi)溫度為該液化氣體的標準沸點。

3 低溫壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在低溫條件下鋼材對結(jié)構(gòu)處或缺陷處的應(yīng)力集中敏感性加大，從而加大了低溫脆性破壞傾向。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意消除尖角，消除應(yīng)力集中，在設(shè)計中應(yīng)注意以下問題：

(1)結(jié)構(gòu)盡可能簡單，減少元件間的約束程度。

(2)應(yīng)避免產(chǎn)生過大的溫度梯度。

(3)結(jié)構(gòu)中應(yīng)避免截面的急劇變化，減少應(yīng)力集中。

(4)附件的連接焊縫應(yīng)采用連續(xù)焊并避開設(shè)備上的A、B類焊縫。

(5)容器的鞍座、支腿、耳座或裙座與筒體焊接時應(yīng)設(shè)置墊板或連接板，墊板或連接板選材應(yīng)按低溫用材考慮。

(6)接管補強應(yīng)盡量采用整體補強或厚壁管補強，若采用補強板補強，截面應(yīng)為全焊透結(jié)構(gòu)，焊縫應(yīng)圓滑過渡。

(7)結(jié)構(gòu)中應(yīng)避免焊縫交叉和集中。

(8)容器焊有復雜部件時，需焊后消除應(yīng)力而不能整體熱處理時，應(yīng)考慮部件單獨熱處理。

(9)焊縫結(jié)構(gòu)：A類焊縫應(yīng)采用雙面對接焊，或采用保證焊透、與雙面焊具有同等質(zhì)量的單面對接焊；B類焊縫也應(yīng)采用與A類焊縫相同的全焊透對接焊縫，除非結(jié)構(gòu)限制，允許采用不拆除墊板的單面對接接頭。C、D類焊縫，原則上要求采用全截面焊透結(jié)構(gòu)。

4 低溫壓力容器制造、檢驗特點

4.1 對原材料要求

根據(jù)材料標準和訂貨技術(shù)條件對容器用材進行檢驗驗收，當有要求時應(yīng)按規(guī)定的項目進行化學成分和力學性能的復驗。對低溫鋼材的沖擊吸收功要求應(yīng)按標準或圖樣規(guī)定按批或逐張(件)進行沖擊試驗的復驗。

4.2 加工成型

除非采用熱加工成形或采取消除應(yīng)力熱處理的工藝措施，否則應(yīng)避免任何刻劃、打鋼印、過量冷變形、錘擊、強力變形組裝等會產(chǎn)生殘余應(yīng)力的操作方式。

對于溫成形或熱成形的容器元件，應(yīng)采取措施控制成形工藝，如避開回火脆性區(qū)，或進行成形后熱處理，以保證木材的使用狀態(tài)。

4.3 焊接

低溫用鋼的焊接關(guān)鍵是要避免焊縫金屬及熱影響區(qū)形成粗晶組織而導致低溫韌性降低，因此要嚴格控制焊接線能量，采用小焊接線能量、多層多道施焊避免焊道過熱，多道焊時要控制層間溫度。

對低溫容器焊接時不得在母材的非焊縫區(qū)內(nèi)引弧；焊接接頭包括對接接頭和角接接頭應(yīng)嚴格避免焊接缺陷，如弧坑或焊縫成形不良，不得有未焊透、未熔合、裂紋、氣孔、咬邊等缺陷；同時應(yīng)盡量減小余高，不得有凸形角焊縫；焊縫表面應(yīng)圓滑過渡。

4.4 焊后熱處理

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，從而降低低溫條件下的脆斷傾向。GB150規(guī)定鋼板厚度大于16mm的碳素鋼和低合金鋼制低溫壓力容器或受壓元件要進行焊后熱處理，熱處理的工藝應(yīng)與焊接工藝評定時的熱處理工藝一致。熱處理應(yīng)包括受壓元件與非受壓元件的連接焊縫。

4.5 產(chǎn)品焊接試板及其檢驗

每臺低溫容器都應(yīng)制備產(chǎn)品焊接試板，試板材料(包括母材和焊接材料)是制造容器的同樣材料，以同樣的焊接工藝和焊接條件與容器產(chǎn)品同時焊接完成。對低溫容器用材料的低溫韌性要求，體現(xiàn)在對材料及其焊接接頭在規(guī)定的試驗溫度時的沖擊吸收功要求。沖擊試驗溫度不得高于容器的設(shè)計溫度。

4.6 無損檢測

(1)低溫壓力容器的對接接頭符合下列情況的，應(yīng)100%射線檢測[6](或超聲檢測)：

——容器設(shè)計溫度低于-40℃；

——容器殼體厚度大于25mm；

——根據(jù)容規(guī)劃為第三類的壓力容器；

——根據(jù)設(shè)計壓力和介質(zhì)的燃、爆、毒性程度等工作條件由設(shè)計文件規(guī)定的。

(2)作局部射線(或超聲)檢測的對接接頭，檢測長度不得少于50%接頭總長。

(3)下列焊接接頭作表面磁粉(或滲透)檢測：--符合上述(1)條容器的焊接接頭，而無法進行射線或超聲檢測的

——對于要求做100%射線或超聲檢測的容器，其全部C類、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。

(4)無損檢測按照NB/T47013，合格級別按GB150對壓力容器的同樣規(guī)定。

5 總結(jié)

總之，在低溫壓力容器的設(shè)計中，應(yīng)嚴格按照相關(guān)規(guī)范要求，并結(jié)合實際應(yīng)用環(huán)境，對低溫壓力容器的設(shè)計、選材、制造檢驗提出全面、合理的要求，以保證設(shè)計出安全可靠的產(chǎn)品。

[1] 李世玉. 壓力容器設(shè)計工程師培訓教程[M]. 北京：新華出版社，2005：362-380.

[2] 中國石油和化學工業(yè)協(xié)會.HG/T 20585-2011， 鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定[S]. 北京： 中國計劃出版社,2011.

[3] 全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會. GB 150.1～150.4-2011 壓力容器[S].北京：中國標準出版社，2012.

[4] 張 勇. 低溫壓力容器用鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展概況[J].壓力容器，2006，23(4):31-34.

[5] 楊文峰. 低溫壓力容器的設(shè)計[J]. 中國特種設(shè)備安全，2008，24(9):19-21.

[6] 劉劍利.低溫壓力容器檢驗過程中的問題分析[J].工業(yè)技術(shù)，2016，24(9):19-21.

(本文文獻格式：姜 營.低溫壓力容器設(shè)計中的關(guān)鍵問題[J].山東化工，2017，46(06)：111-113.)

Key Problems in the Design of Low Temperature Pressure Vessels

JiangYing

(CNOOC Shandong Chemical Engineering Co., Ltd., Jinan 250101，China)

The characteristic of low temperature pressure vessels was prone to brittle failure and brittle failure will lead to catastrophic accidents. This paper analyzes the basic characteristics of the low temperature brittle fracture and fracture mechanism, and discusses the key problems of the low temperature pressure vessel's selection of material, design, manufacturing, inspections, etc, in order to provide reference and help to the design of low temperature pressure vessels.

low temperature pressure vessel; brittle failure; design; selection of material

2017-02-14

姜 營(1989—)，女，山東泰安人，助理工程師，碩士學位，現(xiàn)從事壓力容器設(shè)計工作。

TH49

A

1008-021X(2017)06-0111-03