低溫壓力容器設(shè)計要點及注意事項
在工業(yè)裝置中氣體的液化、液化氣體的生產(chǎn)、儲運和應(yīng)用日趨廣泛，低溫技術(shù)的發(fā)展促進了各種低溫壓力容器的運用。低溫壓力容器設(shè)計較常溫容器設(shè)計復(fù)雜，筆者就低溫壓力容器的使用特點及存在的的失效模式，設(shè)計時低溫壓力容器的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝檢驗應(yīng)注意的事項作了分類分析，為在工作中低溫壓力容器設(shè)計給予更多的參考。
關(guān)鍵詞:低溫壓力；容器；設(shè)計要點；注意事項
低溫技術(shù)是在液態(tài)空氣工業(yè)上發(fā)展起來的，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，低溫技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。而低溫壓力容器是低溫工業(yè)過程的關(guān)鍵設(shè)備，極大促進了低溫壓力容器建造的發(fā)展。低溫壓力容器使用溫度低，鋼材在低溫下使用其韌性和塑性與常溫相比會不同程度地下降，脆性增大。當(dāng)?shù)蜏貕毫θ萜鞯氖褂脺囟鹊陀谝欢囟葧r，在有足夠尖銳的缺口或缺陷處，就可能導(dǎo)致低應(yīng)力下的脆性斷裂，這種斷裂會突然發(fā)生。在生產(chǎn)裝置中有許多壓力容器、化工設(shè)備、管道等多次發(fā)生脆性斷裂，造成巨大損失。為了避免發(fā)生事故，這就需要在設(shè)計時，從低溫容器設(shè)計溫度的確定、材料的合理選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、焊接材料選擇、制造檢驗、焊后消除應(yīng)力熱處理等方面做出合理的設(shè)計。
1設(shè)計溫度的確定
設(shè)計溫度低于－20℃是判定碳素鋼、低合金鋼、雙相不銹鋼和鐵素體不銹鋼容器是否是低溫容器的關(guān)鍵；設(shè)計溫度低于－196℃是判定奧氏體不銹鋼容器是否是低溫容器的關(guān)鍵。在進行設(shè)計時，要對影響容器溫度的相關(guān)因素進行全面了解和分析，容器的使用地點、安裝位置是室內(nèi)還是室外、正常工作環(huán)境溫度下對容器殼體金屬溫度的影響以及容器內(nèi)介質(zhì)溫度對金屬的影響。
2材料選擇要點
由于低溫壓力容器主要的失效模式為脆性斷裂，而鋼材在低溫下脆性增大，韌性降低。對材料的選擇與非低溫容器材料的選擇相比提出了更高的要求。低溫鋼材在冶煉方法、化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)等方面加以嚴(yán)格規(guī)定和要求，并且對所使用的鋼材提出低溫沖擊要求。用于設(shè)計溫度低于－20℃并且抗拉強度下限值小于540MPa的鋼材P≤0．025%，S≤0．012%；用于設(shè)計溫度低于－20℃并且抗拉強度下限值大于540MPa的鋼材P≤0．02%，S≤0．01%。低溫壓力容器受壓元件之間及與受壓元件直接焊接的非受壓元件材料應(yīng)是焊接性能良好的鋼材。目前我國低溫用鋼按使用溫度主要分為以下三類。1)設(shè)計溫度低于－20℃不低于－40℃，這類容器是以16MnDR鋼材為代表，主要使用于安裝在室外受環(huán)境溫度影響的空氣儲罐、氮氣儲罐等。2)設(shè)計溫度低于－40℃不低于－196℃，可以選用Ni系列低溫鋼材進行制造低溫容器；用于設(shè)計溫度－70℃的09MnNiDR可以用于液氨設(shè)備的制造；08Ni3DR可以用于制造使用溫度－100℃的低溫容器；06Ni9DR可用于制造使用溫度－196℃的低溫容器。3)設(shè)計溫度低于－196℃不低于－273℃，通常選用奧氏體不銹鋼進行容器制造。如S30408等奧氏體不銹鋼。
3結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
3．1容器結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵守的要點
1)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，減少約束，避免產(chǎn)生多余的附加應(yīng)力，避免產(chǎn)生過大的溫度變化，選材一致。2)應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)形狀的突變，減小局部應(yīng)力，較高的局部應(yīng)力是產(chǎn)生裂紋的關(guān)鍵因素。3)接管與殼體連接處角焊縫要凹型圓滑過渡，接管端部內(nèi)壁處做圓角處理。4)接管補強應(yīng)盡可能采用整體補強或厚壁管補強，若采用補強圈結(jié)構(gòu)，應(yīng)為全焊透結(jié)構(gòu)，且焊縫圓滑過渡。5)支座與殼體的焊接應(yīng)設(shè)置墊板。
3．2密封緊固件的設(shè)計
低溫壓力容器法蘭用螺柱緊固件，不得采用一般的鐵素體商品緊固件，設(shè)計溫度低于－40℃～－70℃螺柱材質(zhì)應(yīng)選用35CrMoA；設(shè)計溫度低于－70℃～－100℃螺柱材質(zhì)選用30CrMoA。提出硫和磷化學(xué)成分限定含量，并且做低溫沖擊試驗。設(shè)計溫度低于以上溫度應(yīng)選用奧氏體鋼螺柱。螺柱應(yīng)采用中部無螺紋部分的芯桿直徑不大于0．95倍螺紋根徑或全螺紋的彈性螺柱。
3．3密封墊片的設(shè)計
密封墊片用非金屬材料應(yīng)采用石棉橡膠板、柔性石墨等在低溫下有良好彈塑性狀態(tài)的材料，使用溫度低于－40℃選用金屬材料的密封墊片(如金屬包覆墊片的金屬外殼、纏繞式墊片的金屬帶以及實心的金屬墊)，應(yīng)采用奧氏體不銹鋼、銅、鋁等在低溫下無明顯轉(zhuǎn)變特性的金屬材料。
4焊接接頭的設(shè)計與焊材的選擇
1)在低溫壓力容器工作時各種焊接接頭承受的力大小和性質(zhì)都不同，各種焊接接頭都有不同的設(shè)計要求。低溫壓力容器受壓部件的焊接接頭根據(jù)所在位置分為A、B、C、D、四類，分類原則同《壓力容器》GB150－2011規(guī)定。此外，把底座、支耳、托架、墊板及其他非受壓附件與容器內(nèi)外殼壁的連接接頭規(guī)定為E類焊接接頭。A類焊接接頭應(yīng)采用雙面對接焊，或采用保證焊透及雙面成型，與雙面焊具有同等質(zhì)量的單面對接焊。如果采用帶墊板的單面焊，焊后必須拆除墊板。B類焊接接頭雖然承受軸向應(yīng)力為主但也應(yīng)采用與A類焊接接頭相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計。C類焊接接頭不論采用哪種形式均為焊透結(jié)構(gòu)。法蘭與筒體、接管如采用平焊結(jié)構(gòu)當(dāng)為全截面焊透結(jié)構(gòu)時，適用于設(shè)計溫度不低于－40℃，且設(shè)計壓力不大于4．0MPa工況。D類焊接接頭接管與容器器壁的角接接頭應(yīng)采用完全焊透結(jié)構(gòu)。2)低溫壓力容器受壓元件或受壓元件與非受壓元件焊接采用手工電弧焊焊條應(yīng)選用低氫堿性焊條，采用埋弧自動焊應(yīng)選用堿性或中性焊劑。3)低溫壓力容器異種鋼焊接接頭的性能要求。鐵素體鋼與奧氏體鋼直接焊接，由于鐵素體鋼與奧氏體鋼的線脹系數(shù)差別較大，在低溫場合會引起溫差應(yīng)力，且在熔焊中鐵素體一側(cè)的碳向焊縫金屬轉(zhuǎn)移，會引起鐵素體側(cè)強度下降和焊縫金屬的塑性降低。焊接時應(yīng)遵循以下要求。(1)一般應(yīng)選用Cr23Ni13或Cr26Ni21型高鉻鎳或鎳基焊接材料，焊后原則上不再進行消除應(yīng)力熱處理；(2)該類異種鋼焊接工藝評定和產(chǎn)品焊接試板應(yīng)符合下列要求。①焊接接頭抗拉強度不低于兩側(cè)母材中最低抗拉強度的較小值。②鐵素體側(cè)的熔合線和熱影響區(qū)的沖擊功應(yīng)按鐵素體鋼的抗拉強度確定相應(yīng)的V型缺口沖擊功值KV2。③接頭應(yīng)做側(cè)彎試驗，彎心直徑等于4倍試樣厚度，180°。彎曲試驗后在拉伸面上的任何方向測量不得有超過1.5mm的開裂缺陷，熔合線處也不得有超過3mm的開裂缺陷。
5制造檢驗
低溫容器的焊接應(yīng)嚴(yán)格控制線能量，通常采用較細(xì)的焊條、小的焊接線能量多道施焊。低溫壓力容器對接焊縫在允許采用局部探傷時，檢測長度不得少于各焊接接頭長度50%，這是根據(jù)低溫壓力容器的特點從安全角度考慮的，其檢測長度的要求與常溫容器是不同的。如果按照常溫容器檢測長度不得少于各焊接接頭長度20%是不對的。低溫容器有A類縱向焊接接頭的容器，應(yīng)逐臺制備產(chǎn)品焊接試件，產(chǎn)品焊接試件須在產(chǎn)品制作過程中，由制作焊工以產(chǎn)品制作時同樣的材料、同樣的焊接工藝和焊接條件與產(chǎn)品焊接接頭同時焊接，不得由其他焊工制作或在產(chǎn)品完成后補做。
6焊后消除應(yīng)力熱處理
低溫容器的材質(zhì)和焊接接頭厚度如達到設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)熱處理規(guī)定，必須要對容器進行消除應(yīng)力熱處理。焊后熱處理能夠消除焊接過程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的力學(xué)性能，降低鋼材低溫脆性斷裂傾向。
