张永刚
北京石油化工工程有限公司西安分公司 陕西西安 710075
摘要：随着我国经济社会的发展和科技技术的进步，低温技术得到了迅速发展和广泛应用。笔者就低温压力容器的使用特点及存在的失效模式，设计时低温压力容器的选材、结构设计、焊接制造要求、焊后热处理、无损检测等应注意的事项作了分类分析，为工作中低温压力容器设计给予更多的参考。
关键词：低温压力容器；设计要点；注意事项；
引言
随着我国经济社会的发展和科技技术的进步，低温技术得到了迅速发展和广泛应用。低温压力容器发生失效破坏会造成出人意料的极大危害，因此在低温压力容器设计时必须科学合理，保证其质量。
1低温压力容器的失效形式
由于环境低温或介质低温的影响，随着使用温度的降低，低温压力容器的失效主要形式是脆性断裂。低温脆性断裂是金属材料在温度降低至临界值（一般为其韧脆转变温度）以下时，在没有预兆的情况下发生的，在容器结构失效之前没有明显的塑性变形，一旦发生断裂，失效速度很快，断口齐平、与最大主应力方垂直，光亮平滑，呈晶粒状，壁厚无明显塑性变薄；脆性断裂时，结构元件内部的应力水平通常低于材料的屈服强度，甚至低于材料的设计应力（材料的许用应力），因此脆性断裂具有低应力破坏特征。
在设计低温压力容器时，除了确保容器强度条件之外，还需要进行必要的防脆断设计或评定。低温脆性断裂与材料的力学性能、操作温度、缺陷形状和大小、残余应力和是否进行热处理等诸多因素有关。
2低温压力容器设计要点
2.1确定设计温度
我国对低温容器的划分是指设计温度低于－20℃的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器，以及设计温度低于－196℃的奥氏体不锈钢制容器。
对于低温容器，其设计温度是指在正常工作情况下，设定的不高于可能达到的最低金属温度。容器的不同部位在工作状态下的金属温度不同时，可以分别设定各部分的设计温度。
工艺流程中的压力容器，在正常操作状态下，介质温度按工艺要求是一定的，加之容器外表面往往具有保温或保冷设施，因此容器壳体壁温可以认为不受环境温度影响，介质温度直接决定着壳体壁温。但对于户外储存容器，当壳体的金属温度受大气环境气温条件影响时，其最低设计温度可按该地区气象资料，取历年来“月平均最低气温”的最低值。
在设计时，我们还应确定容器在运行过程中预期的各种可能条件下各元件金属温度的最低值，即最低设计金属温度。如在开车、停车、正常或非正常运行等情况下，各元件的金属温度的最低值。其数值有可能低于设计温度。
容器的选材、制造应考虑最低设计金属温度（低温低应力工况除外）。
2.2材料的选择
在低温工作条件下，首先确保压力容器材料具有足够的低温韧性是低温压力容器设计的关键。为了提高低温金属材料的韧性，在钢材炼制时加入镍元素，镍的加入可以改变位错运动，避免产生较大的应力集中。
用于低温条件下的钢材，除了应满足压力容器对一般材料的基本要求以外，在冶炼方法、化学成分、热处理状态等方面加以严格规定和要求，并且对所使用的钢材提出低温冲击要求。
对标准抗拉强度下限值大于或等于540MPa的低合金钢钢板和奥氏体-铁素体型不锈钢钢板，和用于使用温度低于－20℃的低温钢板和低温钢锻件，以及设计温度低于－40℃的碳素钢和低合金钢管用钢，除了应是氧气转炉或者电炉冶炼的镇静钢，还应当采用炉外精炼工艺。
用于设计温度低于-20℃并且标准抗拉强度下限值小于或者等于540MPa的钢材，P≤0.025％、S≤0.012％；用于设计温度低于－20℃并且标准抗拉强度下限值大于540MPa的钢材，P≤0.020％、S≤0.010％。
低温压力容器受压元件之间及与受压元件直接焊接的非受压元件材料应是焊接性能良好的钢材。
2.3结构设计要点
2.3.1容器结构的设计
（1）结构应尽可能简单，减少焊接件的约束程度，避免产生多余的附加应力，避免产生过大的温度变化，选材一致。（2）应尽量避免结构形状的突变，减小局部应力，较高的局部应力是产生裂纹的关键因素。（3）接管与壳体连接处角焊缝要凹型圆滑过渡，接管端部内壁处做圆角处理。（4）接管补强应尽可能采用整体补强或厚壁管补强，若采用补强圈结构，应为全焊透结构，且焊缝圆滑过渡。（5）支座与壳体的焊接应设置垫板。
2.3.2密封紧固件的设计
低温压力容器法兰用螺柱紧固件，不得采用一般的铁素体商品紧固件，设计温度低于－40℃～－70℃螺柱材质应选用35CrMoA或30CrMoA，其化学成分中磷、硫含量应为P≤0.020％、S≤0.010％；设计温度低于－70℃～－100℃螺柱材质选用30CrMoA，其化学成分中磷、硫含量应为P≤0.015％、S≤0.008％。设计温度低于以上温度应选用奥氏体钢螺柱。螺柱应采用中部无螺纹部分的芯杆直径不大于0．95倍螺纹根径或全螺纹的弹性螺柱。
2.3.3密封垫片的设计
密封垫片用非金属材料应采用石柔性石墨等在低温下有良好弹塑性状态的材料；使用温度低于－40℃时，选用的金属材料的密封垫片，应采用奥氏体不锈钢、铜、铝等在低温下无明显转变特性的金属材料。
2.4焊接接头和焊接要求
2.4.1焊接接头结构要求：
（1）A类、B类焊接接头应采用双面焊或相当于双面焊的全焊透对接接头。
（2）对于B类焊接接头，因结构限制不能采用双面焊时，允许采用焊后不拆除垫板的单面对接接头。
（3）C类、D类焊接接头原则均要求采用截面全焊头结构。对于一般平焊法兰采用非全截面焊透结构，仅适用于设计温度t≥－30℃或者设计压力P小于等于1.0MPa，且钢材的标准抗拉强度下限值Rm＜540 MPa
（4）E类焊接接头除结构要求外应避免间断焊和点焊。
2.4.2焊接要求
低温容器施焊前应按NB/T47014进行焊接工艺评定，最终确定用于指导容器生产的焊接工艺指导书。根据焊接方法选择合适的焊材，并对焊材按批进行熔敷金属扩散氢含量复验。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。对接焊缝的余高应尽量小，不得大于焊件厚度的10%，且不大于3mm；角焊缝应圆滑，不允许向外凸起； 焊缝表面不得有裂纹、气孔和咬边等缺陷。
2.5焊后热处理
焊后热处理最主要的目的就是为了消除或减小接头区域内的焊接残余应力，从而可以降低材料在低温条件下的脆断倾向。如果焊后热处理不当，很有可能产生变形、开裂、过热等缺陷，因此要选择合适的热处理工艺，按照相关规范进行操作。热处理工艺应与焊接工艺评定的热处理工艺一致。热处理应包括受压元件与非受压元件的连接焊缝。
2.6无损检测
（1）对于A、B类焊接接头，符合下列情况之一者应作100%射线检测（或超声检测）：
①设计温度低于－40℃；
②低温容器焊接接头厚度大于25mm；
③奥氏体不锈钢及其配套锻件的焊接接头厚度大于30mm；
④符合GB/T150.4规定的其他条件的情形；
⑤设计文件规定做100%检测的容器。
（2）作局部射线（或超声）检测的对接接头，其检测长度不少于50%接头长度。
（3）对下列焊接接头作表面磁粉（或渗透）检测：
①符合上述第（1）条低温容器的全部A、B、C、D、E类焊接接头；
②厚度大于20mm的奥氏体不锈钢的全部A、B、C、D、E类焊接接头；
③设计文件规定的焊接接头；
结语
低温压力容器在使用过程中，其发生脆性破坏的危害性极高，所以要求设计人员在设计过程中，要结合容器介质、温度、压力与材料特性等多种因素综合考虑，并结合实际的应用环境，对容器的选材、结构设计、制造和检验提出全面合理的要求，在保证经济适用的前提下，设计出安全可靠的容器。
参考文献
[1]于清，何磊.低温压力容器及低温低应力容器的设计分析[J].当代化工研究，2019(12):155-156.
[2]王健，田洪根，展西国.浅谈低温压力容器制造监督检验问题[J].低温与特气，2019,36(05):47-50.
[3]海莹，张科，王莎.低温钢制压力容器施工工艺要点[J].石化技术，2020,25(09):100.