壓力容器低溫低應力工況原理及其溫度調整準則研究

高合龍

（中石油吉林化工工程有限公司，吉林 吉林 132002）

低溫壓力容器是指其設計溫度低于-20℃的儲存以及運輸用的低溫壓力容器。通常情況下，低溫壓力容器是在極低溫度下進行使用，但壓力容器常用的鐵素體不銹鋼在極端低溫環境下，其表面的不銹鋼材料的韌性會受到影響變得很脆，這一情況被稱為脆性轉變溫度。然而，一旦壓力容器發生脆性破裂將會引發不可估量的事故。因此，選擇合適的壓力容器材料以及合理控制壓力容器的溫度是設計壓力容器的重要環節，只有做好此環節才能使得企業在生產過程的安全得以保障。

1 低溫低應力工況含義

有關壓力容器低溫低應力工況的定義，在GB150.3-2011《壓力容器》附錄E（規范性附錄）《關于低溫壓力容器的基本設計要求》E1.4 中明確指出：低溫低應力工況是壓力容器殼體或其受壓元件的設計溫度低于-20℃，設計壓力小于或者等于鋼材常溫標準以及屈服強度的1/6，且又不大于50MPa 時的工況。壓力容器的應力一般可以分為3 類：即一次應力P，二次應力σ 以及峰值應力F。其中的一次應力P 又可以分為3 種：一次總體薄膜應力Pm，一次局部薄膜應力Pl 和一次彎曲應力Pb。其中，Pm 的特點是指：壓力容器的殼體厚度方向分布較為均勻，并且其影響范圍將涉及整個受壓元件，達到屈服點后，受壓元件會產生屈服，而應力不會重新分布，直到受壓元件整體受到破壞。例如，壓力容器圓筒的薄膜會產生薄膜應力；Pl 的特點是指：其應力水平超過了一次總體薄膜應力Pm 的標準，并且其影響范圍僅能夠涉及結構局部區域的一次薄膜應力；Pb 的特點是指平衡壓力或其他機械載荷所需的厚度方向所產生的彎曲應力。

有關壓力容器在低溫低應力下的相關判斷標準會涉及的一次總體薄膜應力Pm 和一次彎曲應力Pb。具體的判斷標準是指壓力容器殼體內的整個受壓元件所承載的最大一次總體薄膜應力Pm 以及壓力容器的法蘭、封頭、筒體等設備元件所承載的最大一次彎曲應力Pb，兩者是否能夠滿足低溫低應力工況的相關應用標準，如果二者能夠同時滿足標準，則表明壓力容器可以按照規定進行設計、制造、檢驗以及使用。

2 低溫低應力工況判斷條件

2.1 低溫壓力容器的設計溫度

設計溫度必須低于-20℃，否則，不符合低溫低應力工況標準。設計溫度超過-100℃，則表明不符合于低溫低應力工況。

2.2 低溫壓力容器的溫度調整

針對儲氣罐碳鋼壓力容器或者不銹鋼儲罐壓力容器來說，如果其殼體內外部或相關設備元件均達不到上述的設計溫度，那么將會發生低溫容器脆裂的風險，從而引起安全事故的發生。因此，處于低溫低應力工況下的壓力容器，需要及時將其設計溫度上調40 ～50℃，并且不能低于-20℃，確保其調整后的溫度能夠符合低溫壓力容器工況，其調整后的溫度可以表示為：

式中，T(△)代表壓力容器調整后的溫度；T設代表壓力容器設計時的最低溫度。當調整后的溫度低于-20℃時，則表示該壓力容器不符合低溫低應力工況標準；當調整后的溫度超過-20℃時，則表示該壓力容器符合低溫低應力工況標準。由此可見，低溫容器進行溫度調整后，其范圍包括[-20℃—0℃～0℃]。

2.3 低溫容器的設計應力

壓力容器的界定范圍及GB150 的使用范圍中規定：壓力容器的最大一次總體薄膜應力Pm 是指受壓元件所引起的環向薄膜應力，其設計應力可以通過驗證并計算出，受壓元件的實際承載的應力Pm 是否符合低溫低應力工況標準。如果相關試驗結果表明：該應力小于或等于低溫容器應用標準中的屈服強度的1/6，并且不超過50MPa 時，則表示該壓力容器符合低溫低應力工況標準。

法蘭、封頭、筒體等設備元件均按照低溫容器所承載的最大一次彎曲應力Pb 進行設計的。因此，針對上述的這部分元件來說，只需要驗證Pb 值小于低溫壓力容器工況標準中的屈服點，且不超過標準壓強值，則表示該壓力容器符合低溫低應力工況的標準。

根據上述分析綜合來看，針對低溫壓力容器所承載的最大一次總體薄膜應力Pm 以及最大一次彎曲應力Pb 這二者的工況標準都表明：必須小于鋼材標準下的屈服點的1/6，且不超過50MPa 時，才能表示該壓力容器的設計符合低溫低應力工況標準。其中。如果壓力容器的只有最大一次總體薄膜應力Pm 或最大一次彎曲應力Pb其中的任意一項符合鋼材標準下的屈服點的1/6 或不超過50MPa 標準時，則表明該壓力容器的工況不符合低溫低應力工況標準。最后，針對該壓力容器所承載的整體受壓元件都需要進行嚴格的驗證并計算，當計算出的結果表明所有數據均符合低溫低應力工況標準時，才能夠表示該壓力容器的工況符合實際應用標準。

3 壓力容器溫度調整準則分析

3.1 ASME Ⅷ-1、ASME Ⅷ-12 應用

歐盟EN13445 標準與美國ASME 標準是當前全球應用較為廣泛的壓力容器設計標準。其中，美國的ASME標準是指：常規設計與分析設計兩者設計需要分別體現在ASME Ⅷ-1、ASME Ⅷ-2 中。其中，ASME Ⅷ-1 的壓力容器低溫低應力工況溫度調整準則是指：任何應力條件下的包含裂紋結構的應力強度因子與材料中的斷裂韌性比值處于恒定的狀態，這也就意味著，無論在何種條件下，其應力水平材料韌性是穩定的。此外，Rts代表一次薄膜應力σpm 與σys/1.5 之間的比值。當應力比為Rts時，KI、KIc的值也將會同時降低。其次，通過計算定力應力比Rts下的材料性能中的斷裂韌性與基準斷裂韌性之間的關系，可以得出低應力溫度調整值ΔT，如圖1 所示。

圖1 ASME Ⅷ-1 低應力工況溫度調整曲線

ASME Ⅷ-2 的防止壓力容器殼體脆裂的相關標準是計算出其安全系數許用應力值。通過計算出設計應力以及安全系數許用應力值中的σs（屈服強度）函數以及壓力容器板的厚度系數的函數，就能夠計算出其最低設計溫度TD，如公式（4）所示。

如圖2 所示，低應力溫度調整曲線分別有345MPa與450MPa 代表屈服強度的兩條曲線。

圖2 ASME Ⅷ-2 低應力溫度調整曲線

根據圖2 中的數據可以看出，溫度調整值ΔT 與材料屈服強度有直接的關系，在同一應力比值下，屈服強度345MPa 的溫度調整值大于ΔT 屈服強度450MPa。其中，這兩者之間的間距差隨著Rts值的減小反而在不斷地擴大，可見其與屈服強度是呈現反比例關系。

3.2 基于主曲線法的壓力容器低應力工況溫度調整

根據上述的分析可得，低溫壓力容器的溫度調整值與其所材料的強度及壓力容器板的厚度標準有著直接的影響。在相同的應力比下，溫度調整值ΔT 將隨著t 值（壓力容器板的厚度值系數）的增大反而減小。從圖中可以明顯看出，隨著t 值的增加，無論是A 或B 曲線間的溫度差逐漸減小。

主曲線法用到的是概率統計法來描述鐵素體在脆變區域內存在的斷裂韌性分布范圍。其中，參考溫度是指參與斷裂韌性測試的壓力容器能夠確保所用材料的斷裂韌性。并且此研究方法已成為目前制定壓力容器溫度調整細則的重要因素，與此同時，還被納入多個國際的規范標準中，并且主曲線法所采納的相關標準也適用于壓力容器的結構性能的評價。因此，目前尚有許多發達國家已經開展了很多有關壓力容器用的適用性檢驗工作。此外，由于ASME Ⅷ-2 國際適用規范標準在此前重新進行了調整，因此目前所采用的是以EN 13445 低溫設計主曲線法。即，下列公式：

式中，B 為應力斷裂韌性的厚度；Pf代表失效概率。

因此，根據美國、歐盟等相關國家所提出的壓力容器防脆斷的相關技術標準為基礎，結合相關含缺陷結構以及相關應力假設分析，再通過主曲線法的斷裂韌性模型，由此能夠建立起一條全新的低應力工況下的溫度調整曲線。

注：根據圖3、圖4 可以看出，全新的溫度調整曲線位于ASME Ⅷ-2 與EN 13445 兩條曲線之間，由此可以推算出基于主曲線法的全新溫度調整曲線公式，如下所示：

圖3 AW 態

圖4 PWHT 態

4 討論

美國、歐盟的國家所使用的國際標準規范為基礎的壓力容器設備防脆變方法被廣泛應用，我國的壓力容器設備的防范方法尚有不足之處，由于相關的技術較為落后，才使得我國壓力容器的發展停滯不前。因此，本研究所探討的構建低溫低應力工況背景下的溫度調整曲線，能夠有效提高曲線的適用性，換言之，則表明該溫度調整曲線能夠滿足市面上罐車碳鋼及低合金鋼的在極端低溫環境下的應用需要，進而能夠有效緩解罐車、罐箱的壓力容器無法在低溫環境下正常運行的局面。

5 結語

綜上所述，本研究是以我國壓力容器相關規范中的低溫低應力工況進行詳細分析，并且明確了ASMEⅧ-1、ASME Ⅷ-2 與EN 13445 等國際壓力容器規范標準所規定的相關理論背景，由此研究出了影響壓力容器低溫低應力溫度調整值與其板厚、屈服強度有直接關系，建立了一條基于主曲線法的低應力溫度調整曲線，最后得出結論并表明限制我國壓力容器最低設計溫度的主要原因。