劉亞楠

(中鹽工程技術(shù)研究院有限公司，天津 300450)

近年來(lái)，隨著我國(guó)化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，化工產(chǎn)品的產(chǎn)能和種類(lèi)都有較大提高。為服務(wù)化工產(chǎn)品生產(chǎn)，化工設(shè)備設(shè)計(jì)、制造業(yè)得到了較快發(fā)展。其中低溫壓力容器作為其中一個(gè)方向，其設(shè)計(jì)問(wèn)題也受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。文章針對(duì)低溫壓力容器的特點(diǎn)，對(duì)低溫壓力容器的相關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行闡述。

1 低溫壓力容器的失效形式

隨著使用溫度的降低，低溫壓力容器的失效主要形式是脆性斷裂。低溫脆性斷裂是在沒(méi)有預(yù)兆的情況下發(fā)生的，在結(jié)構(gòu)失效之前沒(méi)有明顯的塑性變形，一旦發(fā)生斷裂，失效速度很快，斷口齊平、與最大主應(yīng)力方垂直，光亮平滑，呈晶粒狀，壁厚無(wú)明顯塑性變?。淮嘈詳嗔训膽?yīng)力水平通常低于殼體材料的屈服強(qiáng)渡，甚至低于許用應(yīng)力。因此脆性失效具有低應(yīng)力破壞特征。應(yīng)力低到什么程度導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效與材料的力學(xué)性能、操作溫度、缺陷形狀和大小、殘余應(yīng)力和是否進(jìn)行熱處理等諸多因素有關(guān)。

常溫下工作的由塑性很好的碳素鋼或低合金鋼等低強(qiáng)度鋼制造的薄壁壓力容器，一般來(lái)說(shuō)發(fā)生脆性斷裂的危險(xiǎn)性不是很大。但是對(duì)于由中、高強(qiáng)度金屬材料焊接制成的厚壁壓力容器，發(fā)生脆性斷裂的概率較大，因此在加工及使用過(guò)程中要引起重視。在化工行業(yè)，特別是石油化工及制冷行業(yè)所用的低溫壓力容器，具有壁厚、尺寸大、受介質(zhì)腐蝕等作用，以及通常這種容器是由高強(qiáng)度材料制造，因此在設(shè)計(jì)該類(lèi)型的壓力容器時(shí)，除了確保容器強(qiáng)度條件之外，還需要進(jìn)行必要的防脆斷設(shè)計(jì)或評(píng)定。

2 低溫壓力容器溫度界定

目前，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中都對(duì)設(shè)計(jì)溫度界限做出了規(guī)定，但是各個(gè)國(guó)家對(duì)低溫溫度的界定都不相同，美國(guó)ASME Ⅷ-1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定低溫界限為-30 ℃以下；德國(guó)的AD標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的低溫界限為-10 ℃以下；日本的JIS B 8270標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的低溫界限為-10 ℃以下；英國(guó)的BS 5500標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的低溫界限為0 ℃以下[1]；我國(guó)現(xiàn)行的GB150《壓力容器》規(guī)定低溫壓力容器的設(shè)計(jì)溫度界限為-20 ℃以下，此外GB150《壓力容器》同時(shí)規(guī)定了低溫低應(yīng)力工況，即殼體或其受壓元件的設(shè)計(jì)溫度雖然低于-20 ℃，但設(shè)計(jì)應(yīng)力(在該設(shè)計(jì)條件下，容器元件實(shí)際承受的最大一次總體薄膜和彎曲應(yīng)力)小于或等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強(qiáng)度的1/6，且不大于50 MPa時(shí)的工況。但對(duì)于碳素鋼和低合金鋼制容器，當(dāng)殼體或者其受壓元件在低溫低應(yīng)力狀況下，若其設(shè)計(jì)溫度加50 ℃(對(duì)于不要求焊后熱處理的容器，加40 ℃)后不低于-20 ℃，除另有規(guī)定外不必遵循關(guān)于低溫容器的規(guī)定[2]。

3 低溫壓力容器的選材

低溫壓力容器的材料選擇比非低溫容器要求更高，低溫鋼材在冶煉方法、化學(xué)成分、熱處理等生產(chǎn)工藝有更加嚴(yán)格的規(guī)定。在設(shè)計(jì)低溫壓力容器時(shí)，首先要考慮選用在低溫下具有較好韌性的鋼材。要提高材料的低溫韌性，可以在冶煉的過(guò)程中加入必要的元素，例如可以加入適量的V、Nb等元素，或控制軋制和控制冷卻工藝，或進(jìn)行正火處理，細(xì)化晶粒，增加韌性。表1列出了常見(jiàn)低溫介質(zhì)所用鋼材種類(lèi)，可供設(shè)計(jì)時(shí)選用參考[3]。

鋼材在用于制造低溫壓力容器之前，需要進(jìn)行夏比V口低溫沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度應(yīng)根據(jù)容器受壓元件的最低設(shè)計(jì)溫度確定，應(yīng)等于或者低于設(shè)計(jì)溫度(一般情況下取等于設(shè)計(jì)溫度)；當(dāng)設(shè)計(jì)條件與低溫低壓力工況相符時(shí)，沖擊試驗(yàn)溫度按設(shè)計(jì)溫度増加50 ℃之后的值考慮，當(dāng)調(diào)整之后的沖擊試驗(yàn)溫度高于或等于0 ℃時(shí)，可不需進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)。夏比V口沖擊試驗(yàn)方法，應(yīng)符合GB/T 229《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》的規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)每3個(gè)試樣為一組。常用鋼材的沖擊功要求見(jiàn)表2。

表1 低溫壓力容器常用材料Tab.1 Common materials for cryogenic pressure ressels

表2 低溫沖擊功要求Tab.2 Low temperature impact energy requirements

4 低溫壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低溫壓力容器的強(qiáng)度按照GB150《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)章節(jié)計(jì)算，計(jì)算時(shí)低溫壓力容器所用受壓元件鋼材的許用應(yīng)力，應(yīng)采用其常溫20 ℃時(shí)的數(shù)值。

相對(duì)于普通壓力容器，低溫壓力容器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要另外注意以下方面：

(1)結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單，減少焊接件的拘束程度；

(2)在材料選擇上，盡量單一；

(3)結(jié)構(gòu)應(yīng)避免產(chǎn)生過(guò)大的溫度梯度；

(4)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量減少局部應(yīng)力集中以及截面的急劇變化；

(5)與受壓元件連接的附件，應(yīng)采用連續(xù)焊接且不應(yīng)與A類(lèi)、B類(lèi)焊接接頭重合；

(6)用于支撐容器的鞍座、支腿和耳座等非受壓元件不應(yīng)直接與本體直接焊接，在二者中間應(yīng)設(shè)置墊板或連接板，其材料應(yīng)與容器本體材料相同；

(7)當(dāng)容器上有接管和載荷復(fù)雜的附件，需要進(jìn)行焊后熱處理消除應(yīng)力，但因體積限制不能整體熱處理時(shí)，需要考慮對(duì)焊接部位進(jìn)行局部熱處理；

(8)如果遇到需要對(duì)接管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的情況，優(yōu)先選擇厚壁管或者車(chē)制鍛造管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；

(9)關(guān)于低溫壓力容器的錐形封頭或變徑段的半錐角規(guī)定如下：半錐角最大不得超過(guò)45°；當(dāng)半錐角≤30°時(shí)，允許采用無(wú)折邊結(jié)構(gòu)；當(dāng)半錐角>30°時(shí)，應(yīng)設(shè)置折邊，折邊結(jié)構(gòu)的彎曲半徑應(yīng)≥0.1倍直徑且≥3倍壁厚，并帶有≥25 mm的直邊；

(10)接管選用，應(yīng)遵循以下原則：與殼體相焊接的接管壁厚不應(yīng)小于5 mm，如果小尺寸接管壁厚不滿(mǎn)足要求，可以采用鍛造后車(chē)制的非標(biāo)管，延伸出的部分采用標(biāo)準(zhǔn)接管尺寸方便與法蘭焊接。連接彎頭不得采用接管直接焊接拼接。當(dāng)接管與殼體相焊且采用插入式結(jié)構(gòu)時(shí)，接管頂端的尖角需要處理成圓角，圓角半徑最小為3 mm。如果采用鋼板卷制接管，接管的A類(lèi)、B類(lèi)焊接接頭應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)。

低溫壓力容器焊接應(yīng)注意：A類(lèi)、B類(lèi)焊接接頭應(yīng)采用雙面焊或者相當(dāng)于雙面焊的全焊透對(duì)接接頭；對(duì)因結(jié)構(gòu)限制不能采用雙面焊接的B類(lèi)焊接接頭，可采用焊后不拆墊板的單面對(duì)接接頭；E類(lèi)焊接接頭除結(jié)構(gòu)要求外應(yīng)避免間斷焊和點(diǎn)焊；殼體拼接不得采用十字焊縫，相鄰?fù)补?jié)和封頭縱焊縫應(yīng)該相錯(cuò)，相錯(cuò)距離應(yīng)大于較厚板的4倍，且不小于100 mm。

5 小結(jié)

低溫壓力容器在使用過(guò)程中，其發(fā)生脆性破壞的可能性很高，所以要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要結(jié)合容器介質(zhì)、溫度、壓力與材料特性等多種因素綜合考慮，并結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)容器的選材、強(qiáng)度結(jié)構(gòu)、制造和檢驗(yàn)提出全面合理的要求，在保證經(jīng)濟(jì)適用的前提下，設(shè)計(jì)出安全可靠的容器。