上海兆泾机械设备制造有限公司 上海 201506
摘要：低温压力容器在日常工业生产中占有重要地位。提高低温压力容器的设计要求和操作人员对低温压力容器的重视程度，可以提高低温压力容器的使用效率和安全性。低温压力容器良好的性能也可以保证低温压力容器更好的用户体验和使用。低温压力容器由于在极低的温度下工作并且容器内部又有压力从在，使得低温压力容器的安全性能备受关注，因此低温压力容器的从设计到制造以及用户规范的操作均会影响设备的正常安全的使用，以下是关于低温压力容器设计要点及注意事项。另外，低温压力容器的生产成本高，制造工序复杂，其设计、制造、检验等要引起足够的重视提。
关键词：低温压力容器设备；设计构思；注意事项；
前 言：为了进一步提高低温压力容器的性能和水平，我国现行压力容器设计规范对低温压力容器的设计要求进行了规定和整理。其要求比常温压力容器更严格，因低温压力容器在带压的情况下长期低温工况运行。严格的要求目的是避免低温压力容器出现裂纹和低温脆断。
为此，对国内外低温压力容器的设计原则和实践进行了总结。
1 压力容器优化设计的重要意义
低温压力贮存容器是国民经济各部门必不可少的重要设备，广泛用于石油化工、能源和军事工业。低温压力贮存容器在开始使用前必须严格按照设计要求制造，经受严格环节包括安装和非常重要的控制、运行和维护要素。通常在设计、制造和检查低温压力贮存容器时，最重要的环节不能与最初的设计分开。经常有许多错误的例子，主要是因为对某些压力贮器的法律、标准和规范缺乏了解。因此，必须严格优化低温压力贮存容器的设计，以避免不必要的生命损失。
2 低温压力容器结构设计要点
2.1 应坚持压力容器设计要素
（1）结构应尽可能简单，加强拘束度限制，合理的材料选择；（2）避免急剧变形，降低局部应力。高的局部应力是形成裂纹的关键因素壳体与接管的焊缝应圆滑过渡，管端与内壁齐平并倒角。（3）尽可能的降低结构的突变。如果采用加强环结构，则应完全满焊结构，而焊缝的结应该是平整的。
2.2 密封紧固件
结构普通的碳钢紧固件不应用于低温压力贮存容器法兰的紧固上。用于温度低于-40℃~-70℃的用压力容器时通常选用35CrMoA，；用于计算温度低于-70℃-100℃的用30 CrMoA。并严格控制S和P含量，并保证该材质相应温度下的低温冲击功符合标准的要求。如果计算温度低于上述标准，则应选择奥氏体不锈钢钢螺柱。螺栓应是细牙螺纹，而无螺纹杆的中间直径不超过螺纹根直径或全螺纹直径的0.95倍。
2.3 密封元件设计
密封所用的非金属材料应为石棉橡胶板、柔性石墨和其他具有良好低温弹塑性条件的材料。温度低于-40°C时，应使用金属材料制成的垫片（如金属包覆垫片的金属外壳、缠绕垫片的金属条和实心金属垫片），应使用不锈钢和铝等低温性能稳定的材料。
3 低温压力容器优化设计分析
3.1 低温设计压力容器的过程中
低温压力容器成本的优化，而主要问题是成本，与成本相关的主要因素是材料的选择和应用结构。例如，有些部门需要采购低温压力容器，追求设备的低成本，选择的材料不能满足低温工况但是这种要求无形中会影响产品的安全性和设计使用年限，导致设计制造的压力容器不能满足用户的需要。（1）在设计过程中不要一味的追求设备非常安全，这里并不是说不保证设备安全，只是符合标准中规定的安全系数即可，如材料选择符合用户提出的工况要求即可例如设备的工作温度是-20℃那我们在设计时就选择-30℃或者-40℃的材料不用选择-70℃的材料，设计计算时不要过多的增加材料厚度导致材料厚度大幅度增加，从而增加成本。
3.2 维修改造在压力容器中更重要
虽然容器的强度计算在软件中进行，设计上的安全并不能完全保证用户在实际操作中违规操作行为导致发生设备破坏，低温压力容器的维修与改造必须要争得设计单位的许可或者需要有资质的设计单位进行重新设计并提出维修改造方案；措施：（1）严格按照压力容器的使用工况制定维修改造方案，因为低温压力容器一般情况下都是经过焊后热处理的，如果在维修改造过程中要进行焊接工作，那么维修改造完成后就需要重新进行热处理。（2）必须考虑维修改造后的无损检测方案，确保改造后的产品安全可靠。
（3）低温压力容器在改造后还要进行严格的压力试验。
3.3 在优化压力容器方面的腐蚀问题更加复杂
一些设计者选择了一些对腐蚀效果较差的材料来降低容器的生产成本，在使用了一段时间之后，这些设备可能会出现腐蚀问题，从而影响到整个使用。因此，防止容器内腐蚀的措施已经是设计必须解决的问题。通常情况下，可以采取措施改进：（1）充分了解生产过程中设备的技术条件和工况要求以及容器中介质特性，以便设计者选择合理的材料和确定设备的结构。（2）试图避免使用可能导致容易腐蚀的结构性和材料，防止容器底部残留的液体腐蚀，便于消除残留的液体。
4 设计焊接接头和选择焊接材料
4.1 当容器在低温下工作时焊接接头要求
焊接接头的力学性能各不相同，焊接接头的形式也是各不相同。（1）焊缝坡口：对于低温压力容器来说一般情况下应该采用窄道多层焊，对于厚板采用U型坡口或是X型坡口。（2）焊接方法：在焊接过程中尽量选择手工焊条电弧焊或者低焊接线能量的埋弧焊。（3）焊接参数：小电流、小电压多层多道焊，焊前预热并严格控制焊接线能量。（4）焊接接头的力学性能符合相应的板材标准要求。
4.2 低温压力容器所选用的焊接材料必须采用低氢型焊接材料。
4.3 低压容器必须满足焊接的基本要求
由于低合金钢和奥氏体不锈钢钢的性质差别很大，例如：膨胀系数通常使用在低温场引起温度的变化，低温容器的焊接直接影响低温容器的产品质量。（1）选用铬、镍焊接材料；（2）焊接技术和焊接质量的定义如下：第一，焊缝的焊接强度应大于或等于母材的强度；第二，焊缝的低温力学性能的指标主要是低温冲击性能（在保证抗拉强度等的情况下），焊缝的低温冲击功必须要符合标准的要求。
5 低温压力容器结构设计的具体要素
5.1 注意容器结构
（1）应尽可能避免结构上的剧烈变化，减少大范围的局部应力集中，而结构失效主要是由大的局部应力引起的。（2）角接接头必须合理地使用凹形圆滑过渡形式，（3）封头尽量采用椭圆形封头或者是球形封头，（4）所有焊缝都必须采用全焊透结构（5）低温容器用法兰均采用带颈对焊法兰。（6）对于不等厚的对接焊缝，厚的一侧需要进行削边处理确保降低应力集中。
5.2 低温压力容器制造注意事项
低温压力容器除结构、材料和焊接外无损检测和热处理也是非常重要的环节。（1）无损检测：低温压力容器在坡口加工后需要对坡口面进行磁粉检测，在焊接完成后需要在焊后24h进行射线检测合格级别为II级，射线检测合格后在进行一次磁粉检测I级合格。（2）焊后热处理：为了减少应力集中低温压力容器在制造完成后需要进行焊后消除应力热处理，热处理采用炉内整体热处理，热处理工艺参数符合热处理标准的要求，热处理不得在设备上进行任何焊接工作，在热处理合格进行压力试验并在次对所有焊缝进行一次磁粉检测确保在热处理和压力试验后焊接接头产生裂纹等缺陷。
一般来说，低温容器在低温工况并带压力的情况下工作，而不像其他容器低温时材料的性能会下降很快。如果低温压力容器具有实质性的裂缝或其他超标缺陷，那就意味可能会导致低温压力在工作时产生脆断或破坏性等一系列危险，对企业造成生命财产等损失。因此在设计和制造低温容器时，必须专注于温度对低温容器的影响，从而有效地降低低温容器的安全风险。
参考文献：
[1]孟雅薇，葛志强.关于低温压力容器设计的若干问题的分析[J].科技创新与应用，2018（32）.
[2]丁昌，汪荣顺.ANSYS 在低温压力容器应力分析与优化设计中的应用[J].低温与超导，2007，35（6）.
[3]刘克强，孙健，魏瑞，等.有关低温压力容器设计的探析[J].中国石油和化工标准与质量，2017（8）.
[4]马利，郑津洋，寿比南，等.奥氏体不锈钢制压力容器强度裕度研究[J].压力容器，2018，25.
[5]李瑞卿，王徐影.低温压力容器及低温管道设计中应注意的问题[J].化肥工业，2019，40.
[6]谭忠文，张征明，何树延，等.国家标准 GB150 用于压力容器大型端盖法兰设计的计算误差分析[J].核动力工程，2018，29.