低溫壓力容器的材料選取淺析

唐 楠 董 璐

大連金州重型機器集團有限公司

低溫壓力容器的材料選取淺析

唐 楠 董 璐

大連金州重型機器集團有限公司

低溫鋼還具有良好的加工制造性能，冷成型后冷作硬化程度跟其它合金鋼相同，無明顯區別。對應變時效脆性和回火脆性的敏感性也很小。由低溫鋼制造的設備，只要材料的脆性轉變溫度低于設備工況中的工作溫度，就具有足夠高的強度，能夠滿足設備的安全運行。壓力容器是石油化工、煤化工中必不可少的設備，很多化工工藝需要在低溫條件下才能實現。在低溫壓力容器的設計過程中，通過對設計溫度、低溫材料選用、結構優化設計、焊接工藝、無損檢測等方面的技術優化，確保低溫壓力容器的使用安全。

低溫壓力容器；材料；選擇

低溫壓力容器的低溫脆性破壞是在沒有預兆的情況下突然發生的，危險性很大。防止低溫脆性斷裂事故的發生主要從材料的選用、試驗方法和設備的制造過程等方面進行控制。由于材料的選用是低溫壓力容器設計制造的第一步，也是低溫壓力容器使用安全的首要因素，因此合理的選擇低溫壓力容器的材料對于設計者來說是至關重要的。

1 低溫低應力工況的含義

在 GB150.3-2011《壓力容器 第 3 部分：設計》附錄 E “關于低溫壓力容器的基本設計要求”和GB151-1999《管殼式換熱器 》附錄A“低溫管殼式換熱器”中，都對“低溫低應力工況”作出了明確的定義：是指殼體或其他受壓元件的設計溫度雖然低于或等于-20℃，但其環向應力小于或等于鋼材標準常溫屈服點的六分之一且不大于50MPa 的工況。

1)設計溫度不低于-46℃時，“低溫低應力工況”容器的設計溫度按HG20585-998進行調整；

2)設計溫度低于-46℃但不低于-100℃時，僅當容器殼體或其受壓元件的一次總體薄膜應力降至小于或等于鋼材標準常溫屈服點的六分之一，且不大于50MPa時，設計溫度調整值可以取50℃；

3)設計溫度低于-100℃時，設計溫度調整值為0。調整后的設計溫度等于或低于-20℃時，調整后的設計溫度高于-20℃但低于0℃時，壓力容器的鋼材及其焊接接頭的沖擊試驗溫度，應等于或低于調整后的設計溫度，其他設計、制造、檢驗要求可不必遵循HG20585-2011《鋼制低溫壓力容器技術規定》的規定。

2 低溫壓力容器類型

2.1 低溫鋼的分類

1)按使用溫度分，低溫鋼可分為-40℃、-70℃、-100℃、-196℃和-253℃等級。

2)低溫鋼按合金含量和組織可分為3類：低合金鐵素體型低溫鋼。其合金元素總含金量不超過5%，組織是鐵素體加少量貝氏體，使用溫度范圍在-110℃以上。中合金低碳馬氏體型低溫鋼。其合金元素總含量在5%～10%，組織跟熱處理有關。淬火后的組織是低碳馬氏體，正常化后的組織為低碳馬氏體鐵素體以及少量奧氏體，回火后的組織是含鎳鐵素體和少量富碳奧氏體。高合金奧氏體型低溫鋼。其合金元素總含金量大于10%，組織為奧氏體。奧氏體組織穩定，低溫沖擊韌性良好，使用溫度可達-196～-269℃。

2.2 材料結構

由于低溫壓力容器對溫度極其敏感，標準規范對低溫壓力容器的設計有特殊的規定。設計低溫壓力容器時，在結構上應充分考慮以下幾點：1)避免復雜的結構，減少零件之間相互的約束。2)結構設計應避免溫度梯度的產生。3)避免急劇變化的截面結構。4)非受壓件的焊縫應采用連續焊。5)避免非受壓件直接與容器殼體相焊，應在它們之間設置墊板。6)與受壓件相焊的墊板、吊耳、制作等的材料應與受壓件相一致，其焊縫應為全焊透。7)接管補強應采用整體補強或鍛件補強。

2.3 選用原則

為了保證低溫壓力容器的安全使用，作為設計者必須根據低溫壓力容器的具體用途、具體使用條件和特定的安全重要性對材料的選用提出特殊的、必要的、多于標準規范或者高于標準規范的要求，有時甚至可以直接選擇國外材料，或者根據國內目前的冶煉技術、裝備工藝和質量水平指定材料生產廠家。

3 材料的選取

3.1 足夠的韌性

低溫壓力容器的材料選擇主要考慮在整個工作溫度區應有足夠的韌性，鋼材的使用溫度下限可不低于鋼材標準中規定的最低實驗溫度。1)低溫壓力容器受壓元件所采用的鋼材，必須是鎮靜鋼；2)低溫壓力容器及其受壓元件所采用的鋼材，除因材料截面尺寸太小，無法制取2.5mm×10mm×55mm的小尺寸式樣的情況外，必須按HG20585標準要求進行夏比(V型缺口)低溫沖擊試驗；3)用于制造低溫壓力容器筒體、封頭的鋼板，厚度超過標準規定時，需按JB4730進行超聲波檢測，合格級別為Ⅲ級。

3.2 材料檢驗

低溫鋼材在入廠后的復驗對于保證材料質量，從源頭上保證低溫容器的質量具有重大的意義。低溫材料應按國家規范及相關材料標準的要求進行復驗。復驗項目至少包含材料的化學成分、常溫機械性能、低溫沖擊值及鋼板的超聲波檢驗。焊條還需按批復驗藥皮含水量或熔敷金屬擴散氫含量。

低溫壓力容器制造過程中的檢查和檢驗，是保證容器制造質量的手段。1)尺寸檢查。零部件的尺寸檢查保證了低溫容器組裝時各個部件的協調統一，避免結構突變，還能避免因強力組裝而產生殘余應力。安裝尺寸的檢查可保證低溫容器在現場的順利安裝，安裝尺寸是衡量制造質量最重要的標準之一。2)無損檢測。應按照GB150和JB/T4730的要求對容器進行無損檢測，通過無損檢測，可以發現并去除目視檢查所不能發現的內外部缺陷。無損檢測一般是在焊接完畢后熱處理之前進行。

綜上所述，合理的選材是防止低溫脆性破壞的首要關鍵因素；充分理解各個標準規范對低溫壓力容器材料的具體要求是防止低溫脆性破壞的必要條件；提高鋼材的冶煉水平，控制合金元素的含量和改善組織結構是提高材料低溫性能的有效手段；新材料的研制開發是防止低溫壓力容器脆性破壞的發展方向。

[1] 王秀英，陳禮昌. 低溫壓力容器設計制造淺析[J]. 乙烯工業，2014，(02)：26-28+50+5.

[2] 高軍. 低溫壓力容器用鋼及其焊接與檢測[J]. 機械研究與應用，2011，(05)：162-163.