壓力容器設計中的環境溫度與最低設計金屬溫度

李春光 關慶賀

（中國石油遼陽石油化纖公司機械廠 遼陽 111003）

壓力容器設計中的環境溫度與最低設計金屬溫度

李春光 關慶賀

（中國石油遼陽石油化纖公司機械廠 遼陽 111003）

環境溫度在容器設計中不僅影響設計壓力的合理確定，而且更影響最低設計金屬溫度的確定直至影響材料的正確選擇。通過對規程標準的解讀，結合液化石油氣儲罐設計對此進行了討論，認為環境溫度應視為容器的特例工況條件，容器設計應將與其對應的設計壓力一起作為設計載荷條件，不僅要對容器的壁厚進行校核，而且尚需根據容器的一次應力判斷并確認是否需要修訂完善容器設計的選材、制造及檢驗等技術要求，使容器設計文件正確完整，保證容器制造的安全可靠性。

容器設計 環境溫度 最低設計金屬溫度

安裝在室外無保冷設施常溫儲存的丁烷儲罐WG0.79-2000-20型和丙烷儲罐WG1.77-2000-20型[1]，設計條件及結構尺寸分別見表1和表2。

表1 丁烷儲罐設計條件與結構尺寸

表2 丙烷儲罐設計條件與結構尺寸

設計施工圖時，如何考慮環境溫度，確定最低設計金屬溫度。若圓筒選用Q345R，是否需提出低溫沖擊試驗要求。

1 規程標準的解讀

環境溫度系TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術監察規程及釋義》簡稱《容規》[2]和GB150[3]修訂后所增加的設計條件中的自然條件，以利于設計者考慮的因素更為全面，尤其是設計常溫儲存容器時，最低設計金屬溫度的確定應考慮環境溫度的影響，從而正確地進行選材。這里的環境溫度系指容器使用地的月平均最低氣溫（月各天的最低氣溫值相加后除以當月的天數）的最低值，可從設計常用數據及氣象資料查到。

最低設計金屬溫度系指容器在運行過程中設計預期的各種可能條件下各元件金屬溫度的最低值。容器設計確定最低設計金屬溫度的目的是為正確選材，合理提出材料及其焊接接頭在最低設計溫度下的沖擊試驗要求，以保證容器的安全可靠性。設計常溫儲存容器時，其最低設計金屬溫度不應高于環境溫度。

若環境溫度≤-20℃，則最低設計金屬溫度取為小于等于環境溫度后，應將最低設計溫度與其對應的設計壓力一起作為設計載荷條件對容器進行一次應力計算，并判斷是否符合“低溫低應力工況”，然后再修訂完善容器材料采購及制造的技術條件。值得注意的是：“低溫低應力工況”系指雖符合低溫界限的低溫容器，但其一次拉應力卻低于或等于規定的“低應力”水平（鋼材標準常溫屈服強度ReL的1/6且不大于50MPa）的工況[4]。

施工圖中標注環境溫度即限定了容器的使用地，又為確定最低設計金屬溫度提供了條件；而注明最低設計金屬溫度或“低溫低應力工況”則是為容器設計確定選材、制造及檢驗的技術要求提供依據。值得注意的是：鋼材采購應按GB150-3.7規定選用鋼材的使用溫度下限滿足最低設計溫度的韌性要求；若為“低溫低應力工況”，則當最低設計溫度+50℃后所得溫度低于0℃但卻高于或等于-20℃時，僅對容器的鋼材及其焊接接頭提出等于或低于所得溫度的沖擊試驗要求；而當所得溫度不低于0℃時，僅容器的材料應符合HG/T 20585-2所列材料標準的規定[5]。

2 環境溫度的應用

因為，設計溫度與設計壓力一起作為設計載荷條件是容器設計的基礎數據。所以，容器設計應全面考慮并將環境溫度視為特例工況條件。下面回答上面兩個實例的提問，分別對環境溫度應用于容器設計進行討論。

實例1丁烷儲罐：首先根據環境溫度確定儲罐的最低設計溫度為-30℃[6]，再根據丁烷在-30℃下的蒸汽壓0.028MPa（相應真空度為0.097MPa取正丁烷值）[7]，確定對應的設計壓力為-0.1MPa（即設計外壓為0.1MPa），然后對儲罐壁厚進行外壓穩定性校核，經SW6計算程序[8]校核計算，最后對儲罐圓筒壁厚修訂為12mmQ345R。

查丁烷在-20℃下的蒸汽壓為0.072MPa（相應真空度為0.028MPa取異丁烷值)，以此設計載荷條件用SW6計算程序[6]校核臥式容器圓筒的一次應力見表3。

表3 丁烷儲罐-20℃工況下圓筒的一次應力 MPa

可見，-20℃工況下儲罐圓筒的一次拉應力均小于ReL/6且不大于50MPa，所以-20℃工況下使用的儲罐圓筒處于“低溫低應力工況”狀態。盡管按GB150.2-4.1.11表4規定12mmQ345R鋼板使用溫度下限為-20℃，但即使是最低設計溫度為環境溫度-30℃時，加50℃后（為20℃）選12mmQ345R鋼板也能滿足沖擊韌性要求，而不必增加對鋼板的-20℃低溫沖擊試驗要求。所以，無需對50℃工況的儲罐設計進行修訂完善。

實例2丙烷儲罐：同樣根據環境溫度確定儲罐的最低設計溫度為-30℃[6]，再根據丙烷在-30℃下的蒸汽壓0.167MPaA（相應表壓力為0.067MPaG）[7]，確認無需考慮儲罐的外壓穩定性問題。

查丙烷在-20℃下的蒸汽壓為0.242MPaA（相應表壓力為0.142MPaG），以此設計載荷條件用SW6計算程序校核臥式容器圓筒的一次應力見表4。

表4 丙烷儲罐-20℃工況下圓筒的一次應力 MPa

可見，-20℃工況下儲罐圓筒的一次拉應力均小于ReL/6且不大于50MPa，所以-20℃工況下使用的儲罐圓筒處于“低溫低應力工況”狀態，同樣無需對50℃工況的儲罐設計進行修訂完善。

容器的其它受壓元件用鋼材如鋼板、鋼管、鍛件及螺柱等的設計選材、制造與檢驗等技術要求以此按有關標準的規定進行修訂完善的確認。

3 結束語

綜上討論，得出以下結論：

1）環境溫度應視為容器設計的特例工況條件，設計時應將由環境溫度確定的最低設計溫度與其對應的設計壓力一起作為設計載荷條件；

2）若最低設計溫度對應的設計壓力為真空度，則應對容器壁厚進行外壓穩定性校核；

3）若最低設計溫度對應的設計壓力為表壓力，則應對容器的一次應力進行計算，視其“低溫低應力工況”情況，確認是否需要修訂完善容器設計的選材、制造及檢驗等技術要求，以使設計文件正確與完整性，保證容器制造的安全可靠性。

1 NB/T47001－2009 鋼制液化石油氣臥式儲罐型式與基本參數[S].

2 TSG R0004－2009 固定式壓力容器安全技術監察規程及釋義[S].

3 GB150－2011壓力容器器及釋義[S].

4 李世玉.壓力容器設計工程師培訓教程[M].北京:新華出版社,2005.

5 HG/T20585－2011 鋼制低溫壓力容器技術規定[S].

6 HG/T20580－2011 鋼制化工容器設計基礎規定[S].

7 石智豪.壓力容器介質手冊[M].北京:北京科學技術出版社,1992

8 SW6－2011過程設備強度計算軟件.

The Environment Temperature and Minimum Design Metallic Temperature for PressureVessel Design

Li Chunguang Guan Qinghe

The environment temperature not only affects the reasonable design pressure in the container design, but also influences the determination of minimum design metallic temperature and the proper selection of materials. Through the understanding of the discipline standard, combined with liquefied petroleum gas storage tank design, we think that ambient temperature shall be regarded as a special working condition of the container, and should be together with its corresponding design pressure as design load conditions in container design. It not only need to check the wall thickness of the container, but also need to judgment and confirm whether you need the revision consummates the container design material selection, manufacturing, inspection and other technical requirements according to primary stress. It makes the container design files correctly with integrity, to ensure the safety and reliability of the container manufacturing.

Container design Environment temperature Minimum design metal temperature

B

1673－257X(2014)06－41－02

李春光（1979～)，男，工程師，從事壓力容器建造工作。

2014－02－18）