低溫低應力設計方法的判定及應用

王煒

（河南開元氣體裝備有限公司，河南 開封 475000）

低溫低應力設計方法的判定及應用

王煒

（河南開元氣體裝備有限公司，河南 開封 475000）

對低溫容器設計中遇到的“低溫低應力工況”的定義、標準進行分析，闡述寒冷地區的低溫環境對真空低溫液體貯槽外容器材料的性能影響，并介紹如何選擇外容器的設計溫度、外容器的應力計算和低溫低應力工況的判定方法。

低溫壓力容器；低溫低應力工況；真空低溫液體貯槽

“低溫低應力工況”設計作為低溫壓力容器設計的一種特殊工況，是低溫容器設計的特例。在壓力容器設計中，往往有人誤將設計圖樣中設計溫度為-20℃及以下的壓力容器全部當作低溫壓力容器來處理，忽視了滿足一定條件的“低溫低應力工況”可不受低溫壓力容器一系列控制條件的約束，給制造、檢驗和驗收帶來了不必要的麻煩，且增加了制造成本。

1“低溫低應力工況”的定義及判定條件

對于“低溫低應力工況”，我國在GB150.3-2011《壓力容器》附錄E［1］和HG/T20585-2011《鋼制低溫壓力容器技術規定》［2］中均對“低溫低應力工況”進行了定義。

根據GB150.3-2011附錄E中：“低溫低應力工況”系指殼體或其受壓元件的設計溫度雖然低于或等于-20℃，但其設計應力（在該設計條件下，容器元件實際承受的最大一次總體薄膜和彎曲應力）小于或等于鋼材標準常溫屈服點的1/6，且不大予50MPa時的工況。

對于碳素鋼和低合金鋼制容器，當殼體或受壓元件使用在“低溫低壓力工況”下，若其設計溫度加50℃（對于不焊后熱處理的容器，加40℃）后不低于-20℃，不必遵循關于低溫容器的規定。新版的HG/T20585-2011《鋼制低溫壓力容器技術規定》，對“低溫低應力工況”的定義與GB150的附錄E保持了一致，但要嚴于GB150《壓力容器》。同時也與ASMEⅧ-1的規定相同。規定如下：①不按總體薄膜拉伸應力來確定厚度的受壓元件，如平封頭、平蓋、管板、法蘭，當這些元件在最大設計溫度對應下的設計壓力與最大許用壓力之比小于0.3時，按其設計溫度加50℃后所得到的溫度考慮選材、設計、制造、檢驗要求；②所得到的溫度值低于-20℃時，壓容器的選材（包括鋼材及焊接接頭沖擊試驗溫度）、設計、制造、檢驗要求均按所得到的溫度值來確定；③所得的設計溫度高于或等于-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，應等于或低于所得的溫度值，而其他設計、制造、檢驗要求可不必遵循HG/T20585-2011《鋼制低溫壓力容器技術規定》的規定；④“低溫低應力工況不適用于抗拉強度下限值大于或等于540MPa材料制造的壓力容器以及最大設計溫度低于-100℃的壓力容器”。

2“低溫低應力工況”的應用

2.1 真空低溫液體貯槽外容器技術參數

根據貯槽外容器設計參數（見表1），外容器及支腿等選材應選用低溫低合金鋼材16MnDR,現設計方案先按照“低溫低應力工況”進行設計，材料選用Q345R來對外容器、支腿及吊耳的“低溫低應力工況”進行應力計算及校核。

表1 真空低溫液體貯槽外容器技術參數

2.2 低溫低應力工況應力計算及判定

2.2.1 封頭應力計算及判定。封頭的最大一次總體薄膜應力計算如下：

而Q345R的常溫屈服點δs=345MPa，則：σ≤δs/6= 57.5MPa，且σ≤50MPa；并且壓力試驗允許通過的應力[σ]t，[σ]T=20.14MPa≤0.80σs=0.80×345=276，所以壓力試驗時應力校核也合格。因此，封頭滿足GB150.3-2011《壓力容器》附錄E中低溫低應力的判定條件。

2.2.2 殼體應力計算及判定。殼體的最大一次總體薄膜應力計算如下：

而Q345R的常溫屈服點δs=345MPa，則：σ≤δs/6= 57.5MPa，且σ≤50MPa；并且壓力試驗允許通過的應力[σ]t，[σ]T=23.72MPa≤0.80σs=0.80×345=276，所以壓力試驗時應力校核也合格。因此，外容器殼體也滿足GB150.3-2011《壓力容器》附錄E中低溫低應力的判定條件。

2.2.3 彎曲應力計算及校核。由于真空低溫液體貯槽外容器無法蘭、管板等承受一次彎曲應力的受壓元件，所以，一次彎曲應力免于計算及校核。

2.2.4 外壓計算

2.3 制造、檢驗等方面的技術要求

2.3.1 受壓元件材料的要求。Q345R材料在采購時，應協議要求提供-20℃夏比（V型缺口）沖擊試驗，其沖擊功滿足GB713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》［3］中KV2≥41J的要求。

2.3.2 容器結構的設計。結構設計應盡量簡單，減少約束；盡量避免結構形狀的突然變化，以減小局部應力；避免產生過大的溫度梯度；A、B類焊接接頭及接管與殼體連接的D類焊接接頭均應采用全截面焊透的結構，且連接部位應圓滑過渡，接管端部內部處倒圓；容器的支座或支腿不得直接焊在殼體上，需設置墊板，且E類焊接接頭除結構要求外應避免間斷焊和點焊。

2.3.3 焊接及檢驗要求。①焊接要求：受壓元件的焊接工藝評定嚴格按照NB/T 47014-2011《承壓設備用焊接工藝評定》的規定，沖擊試驗的數量不得少于焊縫和熱影響區兩組，每組3個試樣；施焊過程中，應嚴格控制焊接線能量在工藝評定的線能量范圍內，尤其注意不要超過工藝評定的線能量的上限。②檢驗要求：在低溫工況下，真空低溫液體貯槽外容器A、B焊接接接頭應進行≥20%X射線探傷，按照JB/T4730.2-2005中Ⅲ級合格；C、D、E類焊接接頭應進行磁粉探傷JB/T4730.4-2005中Ⅰ級合格。

3 結語

真空低溫液體貯槽外容器屬于“低溫低應力工況”，可以按照常溫容器設計，與“低溫容器”相比較，則在選材、設計、制造及檢驗等方面更為合理。另外，“低溫低應力工況”在制冷壓力容器、氯堿行業及液化氣體貯罐中可得到廣泛應用，從低溫工況下應力分析的角度出發，綜合考慮材料的低溫力學性能、熱處理狀態、使用應力等工況，針對材料低溫情況下發生脆性斷裂的主要原因，如殘余內應力、缺口效應等方面降低應力水平，擺正安全與經濟的關系，降低設備造價，取得最好的經濟效益［4］。

［1］GB150.1～4-2011.壓力容器［S］.

［2］HG/T20585-2011.鋼制低溫壓力容器技術規定［S］.

［3］GB713-2014.鍋爐和壓力容器用鋼板［S］.

［4］吳汝楊.關于低溫低應力設計方法的應用［J］.機電技術，2006（4）：40-41.

Determination and Application of Low Temperature and Low Stress Design Method

Wang Wei
（Henan Kaiyuan Gas Equipment Co.Ltd.，Kaifeng Henan 475000）

The definition and standard of"low temperature and low stress condition"encountered in the design of cryogenic vessel were analyzed,and the effects of low temperature environment in cold area on the performance of the vacuum cryogenic liquid tank outside the container material were elaborated,and how to choose the design tempera?ture,the stress calculation of the outer container and the determination method of the low stress condition at low tem?perature were introduced.

low temperature pressure vessel；low temperature and low stress conditions；vacuum cryogenic liquid storage tank

TQ116.3

A

1003-5168(2016)09-0077-02

2016-08-16

王煒（1971-），男，本科，工程師，研究方向：LNG/CNG能源相關的儲存和氣化用低溫設備。