低温压力容器设计中的关键问题

摘要：低温技术的发展促进了低温压力容器的应用，低温压力容器是低温工业中的关键设备，其应用日趋普遍。受低温环境或低温介质的影响，容器材料的韧性下降，容器可能会发生脆性破坏，这种破坏形式不呈现显著的塑性变形，脆性破坏前没有任何征兆，因此这种脆性破坏危害巨大，对人们的生命、财产安全产生极大的隐患。防止低温压力容器的脆性破坏应该从低温压力容器的选材、结构设计、制造检验等环节进行有效的控制。文章结合低温脆断的特点，从上述几个方面对低温压力容器设计中的关键问题进行总结。

关键词：低温压力容器；脆性破坏；设计；选材

中图分类号：TH49 文献标识码：A

1低温脆性断裂的基本特征

（1）低温脆断的发生与材料使用温度的降低密切相关。（2）低温脆断破坏时材料的塑性很低，处于脆性状态，称为低温脆性断裂。（3）断裂时容器元件内部的应力水平低于材料的屈服强度，甚至低于材料的设计应力（许用应力），称为低应力脆性断裂。（4）低温脆断的裂纹源一般是材料自身缺陷处或几何形状突变处，破坏几乎没有宏观的塑性变形。（5）低温脆裂发生后裂纹扩展速度极高，在钢材中传播直至到达材料的高韧性区或更低的应力区，速度可达空气声速的2～3倍。（6）材料的脆断断口有晶粒状特点，断口平滑光亮。（7）在远离脆断断口位置材料的强度和塑性仍然满足设计要求。

2断裂机理

一般碳素钢和低合金钢具有体心立方晶格结构，这种结构决定了材料随着温度降低强度增加而韧性降低；这类金属材料具有冷脆特点，在温度降低时，材料的韧性急剧下降。在温度高于脆性转变温度时，材料处于韧性状态，低于脆性转变温度时，材料由韧性状态转为脆性状态。若容器中存在不可避免的缺陷时，在低于脆性转变温度时，材料就会发生脆性断裂。因此，低温压力容器用钢必须具有足够的低温韧性和较低的脆性转变温度.

3低温压力容器设计中的关键问题

3.1设计温度的确定

在温度不同的环境中，诸如设计，材料选择和制造等因素的选择是完全不同的。设计温度基于-20°C。高于此温度并低于此温度时，设计有很大差异。，在设计过程中的正确设计温度应当由设备进行设置，温度和设计压力应该在设计载荷被认为是和温度，环境温度、介质温度、保温或者保冷措施应依次进行分析。设计温度为在可以通过以下方法来确定该项目的低温压力容器：沿着所述横截面厚度的元件的金属的平均温度被称为金属温度的系统，并且当所述流体的温度是在元件温度的两侧不一致，表面温度可被如果计算计算表面温度。计算传热计算模式。当执行特定操作时，必须捕获所有数据。这些方法包括：流体与壁之间的热传递，引导金属热元件，土壤的热阻等。然而，许多数据的目前不能被检测到，如介质的传热系数，热系数的值的K值阿尔法因此，实际计算主要基于经验。对于目前具有生产设施的相同类型的容器，加压部件的金属部件的温度通常在实际测量中被测量是正确的。对于露天工厂或没有加热措施的工厂中的容器，夹套的温度必须考虑周围空气温度条件的影响。

3.2低温压力容器界线问题

在对低温压力容器的使用期间的界线进行确定时，通常会定义在-20℃，但在对材料的低温状态下性能判断仍然存在误差问题，这样并不能达到理想的使用效果，对于低温界线的确定也是从缺口部分来进行的。钢材料在压力环境下，自身使用性能稳定性会发生很大的变化，因此在设计期间会将压力控制在材料所能够承受的范围内，这样才不会造成严重的隐患问题。钢材在设计阶段所选择的厚度与使用温度有很关系，进入到低温使用环境下，需要将钢材的厚度加大，这样才能够确保其内部压力保持在使用稳定的环境下，但目前的设计环节中由于对低温界线确定不明确，在此基础上开展的后续设计也不能判断出合理的钢材选择厚度，长时间在这样的环境下不利于压力容器的安全使用.

3.3压力容器的焊接问题

在对接缝处进行焊接处理时，需要根据使用中的压力值计算来进行，这样才能更合理地判断其中所存在的问题。焊接材料选择，焊接过程中的温度控制都很容易出现误差问题，需要在设计阶段对这些参数值做出计算，在此基础上开展的焊接施工才能更加安全稳定。焊接问题在设计阶段比较常见，同时也关系到设计任务开展是否可以顺利进行。压力容器的密闭性一旦不达标，使用期间会出现不同程度的泄漏问题，威胁到使用者的人身安全，对内部材料也不能起到保护作用。在对焊接接头部分的系数进行计算确定时，根据常见的技术性问题来探讨其原理，确定焊接接头系数有利于容器制作过程对焊接时间的控制。针对压力容器的使用安全以及焊接问题，设计人员要严格按照规定来进行计算，并以提升使用安全性为前提，在此基础上重点探讨可能遇到的问题，在焊接处理过程中针对常见问题采取规避措施，达到更理想的工作效果，最终的工作質量也能够得到保障。明确了设计阶段常见的问题，有针对性的采取解决预防措施，更有助于提升工作任务的完成质量，压力容器使用过程中的安全控制也更能顺利进行.

3.4低温压力容器结构设计

由于低温压力容器主要在低温下使用，温度的变化易对容器强度及稳定性造成影响，所以在进行结构设计时，应尽量消除应力集中的尖角部位。除此之外，在进行结构设计时，还应注意以下几点：①低温压力容器结构要尽量简单，以此减少焊接的复杂性；②尽量减少局部出现高应力，控制结构形状突变几率；③考虑温度梯度对结构的影响；避免截面应力的剧烈变化；④避免焊接过程中将容器支座的焊点设计在壳体上；⑤进行补强处理时，应尽量选用整体补强方案，厚壁管补强次选。

3.5低温压力容器的检验

低温压力容器由于使用条件较为苛刻，对材质强度及整体稳定性的要求较高，需要进行较为严格的检验。根据设计要求装载易燃易爆和有毒物质的压力容器，必须全部进行射线或者超声检测。在对接头进行局部射线检测时，要求检测长度高于接头长度的50%。在低温压力容器液压试验时，要求测试液体温度接近容器设计的最低温度。在进行低温压力容器抗冲击试验中，对于抗冲击材料的吸收功需要对照设计标准按批逐件进行，有条件的还要进行复验.

3.6制造与检验

在完成设计过程后，必须在制造容器之前进行若干测试和处理，以确保产品的质量，例如：B.热处理和松弛热处理。对于热成型，热成型和其他成分，其形成后，热处理以达到更好的使用。每一步的检查都与成品的质量密切相关。对于容器壁厚>25mm且环境温度为-40℃的A型和B型焊缝，应进行超声波或全光束测试。此外，低温压力容器还必须对A型和B型焊缝进行所需的无损检测，并重新测试其重要部位。试验长度不应小于250毫米，不应短于其焊接接头的长度。一半。如果进行液压测试，则流体温度必须大于或等于接头和壳体材料的冲击测试温度加上20℃如果温度不同，液体温度必须更高。

设计者应认真研究标准和法规的技术及管理规定，提高解决压力容器设计问题的能力，特别是解决特殊结构压力容器的能力，以增加设计、建造中的技术含量，保障压力容器安全。

参考文献：

[1]姜营.低温压力容器设计中的关键问题[J].山东化工，2017，46（06）：111-113.

[2]闵勇.低温压力容器设计中的关键问题[J].化工管理，2015（01）：144.

[3]李长龙，杨博.低温压力容器设计中的关键问题[J].科技创新与应用，2014（14）：91.

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