浅谈低温压力容器的设计

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浅谈低温压力容器的设计浅谈低温压力容器的设计江苏·常州李政2011年12月摘要对低温压力容器从材料、环境温度、制造检验、其它等方面论述了低温容器设计上的要求。关键词低温压力容器设计材料温度制造检验GB150-1998《钢制压力容器》附录C规定，设计温度低于或等于-20℃的钢制压力容器称之为低温容器。当壳体或其受压元件使用在“低温低应力工况”下，若其设计温度加50℃后，高于-20℃，就不属于低温容器。由于环境温度的影响，壳体的金属温度低于或等于-20℃时也属于低温容器。环境温度系指容器使用地区历年来“月平均最低气温的最低值”。低温下操作的压力容器由于随着使用温度的降低，容器所用钢材及其连接焊缝会由延性状态转变为脆性状态，当容器由于材料、制造、焊接等引起的缺陷时，在低于材料的脆变温度下受力会导致容器脆断，发生灾难性事故。所以对于低温压力容器，对设计、制造、检验、验收的要求都比常温容器的要求要高许多，设备的造价也比常规压力容器要高25%左右，故设计时是否将其作为低温压力容器来设计，对容器的安全可靠、节约成本都有十分重要的意义。笔者根据多年的工作经验，对按规则进行设计的低温容器进行归纳和总结。1低温界限压力容器的低温与常温界限各国有不同的规定。例如：美国ASME第Ⅷ篇第1分篇规定为＜-29℃，日本JISB8243规定为＜-10℃，我国规定为≤-20℃为低温。如果仅根据常州市万象化工机械有限公司 浅谈低温压力容器的设计温度的高低来决定是否按低温压力容器要求设计并不完全合理。有时壁温虽然为低温，但应力也很低，这时若按低温容器设计则将造成浪费；有时压力容器处于环境低温下，但又按常温设计，则往往会有发生冷脆的危险。2夏比（V型缺口）低温冲击试验设计温度＞-20℃时按常温设计，若≤-20℃则按低温容器设计，并作低温冲击试验。低温容器用钢（含钢板、钢管、锻件）的冲击试验温度应低于或等于壳体或其受压元件的最低设计温度。当壳体或其受压元件使用在符合低温低应力工况时，钢材的冲击试验温度应低于或等于最低设计温度加50℃（若温度加50℃后，高于-20℃时，按表1规定）。若设计温度为-19～0℃，用于壳体的下列钢板作低温冲击试验，试验温度为钢板的使用温度a)使用温度低于0℃时，厚度大于25mm的Q245R，厚度大于38mm的Q345R、15MnVR，任意厚度的18MnMoNbR、13MnNiMoNbR和Cr-Mo钢板。b）使用温度低于-10℃时，厚度大于12mm的Q245R，厚度大于20mm的Q345R、15MnVR。若设计温度＞0℃，则免作低温冲击试验。见表1。表13环境低温下设计温度的决定常州市万象化工机械有限公司 浅谈低温压力容器的设计所谓环境温度是指容器使用地区历年来月平均气温的最低值。月平均最低气温是指当月各天的最低气温相加后除以当月的天数。在寒冷的地区，露天安放或置于无采暖厂房内受环境低温影响的压力容器，当其设计温度受环境温度控制时，其最低设计温度按如下原则确定：（1）盛装压缩气体且无保温设施的贮存容器，设计温度取最低环境温度降3℃.（2）盛装液体体积占容积的1/4以上的无保温的贮存容器设计温度取最低环境温度。（3）有保温或物料经常处于流动状态的容器，设计温度应根据物料的温度、流量、容器大小和散热情况等综合考虑壁温，通过计算分析或参考实例确定。（4）除为事故停车特设的容器外，考虑环境低温对容器壁温的影响应以正常运行条件为依据。一般不以事故状态的意外降温或停车后的自然降温来确定设计温度。对低应力或降应力工况如前述。4低温容器设计应注意的问题4.1低温下的选材低温（设计温度＜-20℃）下的选材应考虑设计温度、材料的低温冲击韧性、壁厚、使用时的拉应力、焊接及焊后热处理等问题。表2常州市万象化工机械有限公司 浅谈低温压力容器的设计表3表4常州市万象化工机械有限公司 浅谈低温压力容器的设计表5表6板材、钢管、锻件、螺栓及螺母的选材分别见表2～表6.表中的最低冲击试验温度即为钢材的最低使用温度。4.2结构常州市万象化工机械有限公司 浅谈低温压力容器的设计①结构尽可能简单，减少焊接件的拘束程度。②结构应避免产生过大的温度梯度。③结构应减少局部的应力集中以及截面的急剧变换；④附件的连接焊缝不应采用不连续焊或点焊。⑤容器的鞍座、耳座、支腿（球罐除外）或裙座宜设置垫板或连接板，尽量避免直接与容器壳体相焊。垫板或连接板按低温用材考虑。⑥容器焊有接管及载荷复杂的附件，需焊后消除应力而不能整体进行热处理时，应考虑部件单独热处理的可能性。⑦接管补强应尽可能采用整体补强或厚壁管补强，若采用补强板，应为全焊透结构，且焊缝圆滑过渡。⑧介质有危险（易燃或毒性为极度、高度危害）或压力大于等于1.6MPa时，T型接管应采用无缝挤压三通或加厚管开孔焊接。⑨与壳体相焊采用插入式结构时，管端的尖角须车削或打磨成R≥3mm的圆角。⑩设计压力≥1.6MPa且盛装易燃或毒性为极度、高度危害介质的容器法兰，或具有较大外加载荷的接管法兰，应采用对焊法兰。⑪弯头应采用煨弯或压制弯头，不得采用直管拼接（虾米腰）。4.3焊接①所有连接焊缝，不论采用哪种接头型式，均为焊透结构。②碳素钢、碳锰钢制容器用焊材，应选用与母材成分和性能相同或相似的高韧性材料，也可选用低镍合金焊材。③应严格控制焊接线能量，在焊接工艺评定所确认的范围内，选用较小的焊接线能量，以多道施焊为宜。常州市万象化工机械有限公司 浅谈低温压力容器的设计④焊接区域内，包括对接接头和角接接头的表面，不得有裂纹、气孔和咬边等缺陷。不应有急剧的形状变化，呈圆滑过渡。⑤按照JB4708进行焊接工艺评定，由不同组别号的母材组成焊接接头时，其焊接接头的低温冲击试验需重新评定。4.4检验①壳体的钢板厚度大于20mm时，应逐张进行超声波检测，符合JB/T4730.3-2005规定的Ⅲ级为合格。②每台低温压力容器至少应作一块产品焊接试板。当一台容器的主要受压元件（筒体、凸形封头）采用数种经评定的焊接工艺施焊时，应相应增加产品焊接试板的数量。③钢板厚度大于16mm的碳素钢和低合金钢制低温容器或元件应进行焊后热处理。④容器的对接接头（A、B类接头）凡符合下列条件之一者，应进行100%射线或超声检测：a)容器设计温度低于-40℃；b)设计压力大于等于1.6MPa；c)容器设计温度虽高于或等于-40℃，但接头厚度大于25mm；d)钢材厚度＞30mm的碳素钢、Q345R；e)钢材厚度＞25mm的15MnVR、15MnV、20MnMo和奥氏体不锈钢；f)进行气压试验的容器；g)图样注明盛装毒性为极度危害或高度危害介质的容器；⑤除100%射线或超声波探伤外，若采用局部探伤，长度不得小于各条焊缝长度的50%且不小于250mm。常州市万象化工机械有限公司 浅谈低温压力容器的设计⑥下列部位应进行100%的磁粉探伤或渗透探伤：a)符合4.4.④进行过100%射线探伤或超声波探伤的容器的所有角焊缝。b)符合4.4.④的对接焊缝，但无法进行射线或超声波检查者。c)钢材标准规定的最低抗拉强度σb＞540MPa的高强度钢容器壳体上的全部焊缝及热影响区表面。d)受压壳体上工装卡具、拉筋板等临时附件拆除的焊痕表面、焊补前的坡口及焊补的表面以及电弧擦伤处。4其它5.1液化石油气贮罐设计（1）贮存液化石油气的容器，其设计压力可按本地区的极端最高气温和介质最高温度（取二者高值）下的饱和蒸气压选取。而在-20℃以下时饱和蒸气压降低很多。如果-20℃时饱和蒸气压小于设计压力的30%（美、日标准为＜40%设计压力），则为低应力工况，均可按常温设计，不必考虑环境低温。几种介质的选材实例见表7.表7常州市万象化工机械有限公司 浅谈低温压力容器的设计（2）液化石油气贮罐在低温下应按真空状态校核。寒冷地区，冬季极端最低气温相当低。有时介质由于远距离输送或长期贮存，温度可降至大气温度。在-40℃的低温下，其饱和蒸气压明显降低，使罐贮或容器形成真空。如在设计时没有进行校核，容器有可能因真空而失稳。这些介质见表8.表8如一丁烷贮罐φ3200×10000，设计压力按40℃时饱和蒸气压为0.29MPa（表压），在-40℃时饱和蒸气压为-0.082MPa（表压），即接近真空。如用Q345R钢材制造，按设计压力计算壁厚为2.73mm，考虑腐蚀裕量并经圆整后取壁厚6mm已够。但按真空容器校核，则壁厚应为20mm。要想壁厚减薄，必须设置常州市万象化工机械有限公司 浅谈低温压力容器的设计加强圈。如果只按设计压力计算而不考虑真空，这个容器将要压扁失稳。5.1塔器裙座的选材室外塔裙座（受环境低温的影响）属于钢结构，不属于压力容器的筒体。以往的设计在标准中没有明确规定用什么材质。笔者建议最好是计算空塔时裙座上由重量和弯矩（取风弯矩及地震弯矩较大者）产生的应力。若为压应力，可选Q235-B；若为拉应力且小于140MPa×40%=56MPa，可选Q235-B，大于56MPa选Q345R，并在月平均最低温度下作冲击试验（Akv≥20J）。其应力计算按下式：σ=1.27Mmax/（Di2S）-3.12Qog/（DiS）式中Mmax——弯矩，N·mmDi——裙座内径，mmQo——空塔质量，kgS——裙座壁厚，mmσ正值为拉应力，负值为压应力。6结束语低温容器在丙烷脱蜡、氯气液化、天然气液化、石油装置中的分离乙烯、空分等低温工业过程中大量的使用，应结合GB150-1998和其它行业标准探讨结构设计、材料选用、强度计算等问题，以便设计出合理、安全、可靠的产品。参考文献〔1〕（美）罗伯特，邱斯.压力容器：美国《ASME规范》简介.第5版中国机械工程学会压力容器学会,1986〔2〕国家技术标准监督局GB150-1998.《钢制压力容器》附录C；国家石油和化学工业局HG20585-1998.《钢制低温压力容器技术规定》常州市万象化工机械有限公司