探討低合金低溫鋼壓力容器設計中應注意的問題

付智

摘 要：文中對低合金低溫鋼壓力容器設計中需要注意的問題，包括選材、結構設計、無損檢測等，做了簡單的介紹并結合低合金低溫鋼壓力容器的破壞形式，提出了相應的設計標準要求和注意事項。

關鍵詞：低合金低溫鋼；壓力容器設計；注意事項

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.116

在低溫條件下工作的壓力容器稱為低溫壓力容器。在冷凍設備、低溫工程、石油化工等行業低合金低溫鋼壓力容器的應用較為廣泛，低溫技術的發展擴大了低溫壓力容器的使用范圍。但是在低溫壓力容器的實際應用中，極易受到溫度的影響，隨著使用溫度的降低，壓力容器可能會發生脆性斷裂，但是在脆性斷裂前容器結構不會出現或只是局部的極小變形，并且在結構的大范圍也沒有出現宏觀的整體屈服跡象或者其他明顯征兆，所以這種脆性斷裂往往會造成出其不意的極大危害，影響著使用單位的人員安全和財產安全，因此在低合金低溫鋼壓力容器的設計中，在選材、制造和檢測方面均要采取措施，以防止低溫脆性斷裂事故的發生。

1 低合金低溫鋼壓力容器發生脆性斷裂的影響因素

（1）鋼板厚度。一般情況下厚鋼板的軋制變形量較小，但是往往終扎溫度較高，晶粒粗大，鋼板內部存在偏折的可能性也大，另外厚板在熱處理時其表層與內部的冷卻速度不一，從而導致金相組織的不均勻，因此鋼板越厚其韌性越差，低溫脆性斷裂傾向也越顯著。

（2）環境低溫或介質低溫。壓力容器材料會因為低于材料脆性轉變溫度，而由韌性狀態轉變成脆性狀態， 導致其塑性韌性降低，在低應力情況下可能發生脆性斷裂。

（3）結構設計。容器在加工、制造、安裝過程中可能會由于結構設計不合理產生的集中應力或其殘余應力而導致脆性斷裂。

（4）冶金缺陷。鋼材中的缺陷如偏析、裂紋、白點等冶金缺陷會使材料的沖擊吸收功下降，脆性轉變溫度提高，在低應力作用下時就有可能發生脆斷。

（5）軋制工藝。通過控制軋制和冷卻工藝，可使晶粒細化提高鋼材的韌性，并且降低了脆性轉變溫度。

2 低合金低溫鋼壓力容器注意事項

（1）溫度設計注意事項。對于低溫壓力容器，其設計溫度是指在正常工作情況下，設定不高于可能達到的最低金屬溫度。對于戶外儲存的壓力容器，當殼體的金屬溫度受大氣環境溫度影響時，其最低設計溫度應按當地歷年來“月平均最低氣溫”的最低值。對于工藝流程中的壓力容器，其容器殼體壁溫可以認為不受環境溫度影響，介質溫度直接決定著殼體壁溫。還應考慮到最低操作溫度、不正常操作、自動制冷以及任何其他致冷因素。

（2）選材設計注意事項。低合金低溫鋼壓力容器的材料選擇，需要考慮其沖擊韌性與設計溫度，結合材料的拉應力水平與焊接要求等因素。容器所使用的鋼材，必須是氧氣轉爐或電爐冶煉的鎮靜鋼，并應采用爐外精煉工藝，沖擊試樣取樣及制備要符合GB/T2975-1998≤鋼及鋼產品力學性試驗取樣位置及試樣制備≥的標準規定，試驗方法應滿足GB/T229-2007≤金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法≥的標準要求。若筒體與厚度等規格超過標準規定，則需要按NB/T47013.3-2015≤承壓設備無損檢測≥的標準規定，進行超聲波無損檢測，合格級別不低于Ⅲ級，則為合格產品。選用焊接連接的非受壓部件材料，其脆性轉變溫度要在工作溫度以下，將碳、硫含量，控制在合理范圍內，低溫沖擊韌性與接頭規格要和受壓元件的規格一致，確保其能夠滿足使用要求。

（3）結構設計原則。低合金低溫鋼壓力容器的結構設計，要基于其加工工藝與使用需求，進行合理的設計。需要注意以下事項：盡量采取簡單的設計結構，以此降低焊接件的拘束程度；盡量使用流線型容器，避免結構出現突變，同時流線型容器的應力分散，能夠避免容器局部應力集中，從而降低脆性開裂的風險；在完成焊接后，則需要及時進行消除應力熱處理；低溫壓力容器與鍛管的材料，要盡量相同，防止出現溫度梯度；接管附件焊接加工時，要采用全焊透結構，且焊縫圓滑過渡；容器的底座墊板要與容器材料保持一致，避免直接與容器殼體相焊。

（4）焊接要求。基于NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》標準，對低合金低溫鋼壓力容器，進行焊接工藝評定。在選擇焊材時，需選擇與母材化學成分相近，力學性能和低溫沖擊韌性均不低于母材要求的材料。在進行壓力容器焊接時，則要基于低溫鋼的SHCCT曲線，嚴格控制焊接線能量，避免使得焊道出現過熱情況。選擇較小的焊接線能量，在多道焊接過程中，不易形成粗晶組織，能夠保證鋼材的低溫韌性。為了避免焊接卡具和拉筋等對容器鋼材產生不利影響，在焊接過程中，這些輔助工裝必須采用和殼體相同的焊接材料和焊接工藝。

（5）無損檢測要求。對低溫容器的內部和表面質量進行無損檢測，確保其質量能夠滿足使用要求。在無損檢測過程中，若設計壓力大于或者等于1.6MPa，設計溫度低于-40℃，殼體厚度>25mm，則對接接頭應用取超聲波進行檢測，其他情況一般建議使用射線無損檢測。以上條件下的C、D類焊接接頭以及角焊縫等可及表面，受壓殼體工裝卡具臨時附件拆除的焊痕表面，都應進行表面磁粉檢測或表面滲透檢測。

3 結束語

隨著低合金低溫鋼壓力容器被廣泛的應用，其質量也備受人們的關注，因而加強對其設計與制造技術的研究便迫在眉睫。文中就低合金低溫鋼壓力容器在設計、制造和檢驗等質量控制措施方面提出了幾點建議，以加強在設計環節中對注意問題的控制，確保低溫壓力容器的質量。

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