低溫壓力容器設(shè)計要點

1、低溫壓力容器目前我國沒有專門的低溫壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，JB4732都不劃分低溫與常溫的溫度界限。低溫管殼式換熱器見GB151-1999附錄A低溫壓力容器見GB150.3-2011附錄E（老版150為附錄C）為什么低溫壓力容器需要關(guān)注：溫度低，材料的韌性降低，會產(chǎn)生低溫脆性破壞，而低溫脆性破壞前應(yīng)力遠(yuǎn)未到達材料的屈服極限（或許用應(yīng)力），破壞時沒有明顯的征兆，所以低溫壓力容器的設(shè)計、選材、制造和檢驗等各個環(huán)節(jié)要求都有不同程度的提高。低溫壓力容器的定義設(shè)計溫度為V20°C（新標(biāo)準(zhǔn)GB150-2011第3.1.15條定義，老標(biāo)準(zhǔn)為20C）的碳素鋼、低合金鋼、雙相不銹鋼和鐵素體不銹鋼制容器，以及設(shè)計

2、溫度低于-196C的奧氏體不銹鋼制容器。相關(guān)兩個定義最低設(shè)計金屬溫度（MDMT）GB150.1-2011第434d條：在確定最低設(shè)計金屬溫度時，應(yīng)當(dāng)充分考慮在運行過程中，大氣環(huán)境低溫條件對容器金屬溫度的影響。大氣環(huán)境低溫條件系指歷年來月平均最低氣溫（指當(dāng)月各天的最低氣溫值之和除以當(dāng)月天數(shù)）的最低值。低溫低應(yīng)力工況GB150.3-2011附錄E第E1.4條：低溫低應(yīng)力工況系指殼體或其受壓元件的設(shè)計溫度雖然低于-20°C，但設(shè)計應(yīng)力（在該設(shè)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(yīng)力）小于或等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強度的1/6，且不大于50Mpa時的工況。（注：一次應(yīng)力為平衡壓力與

3、其他機械載荷所必須的法向應(yīng)力或且應(yīng)力）這個定義與老標(biāo)準(zhǔn)有差別，設(shè)計應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力的區(qū)別，用設(shè)計應(yīng)力更嚴(yán)謹(jǐn)。新標(biāo)準(zhǔn)明確了在進行容器的“低溫低應(yīng)力工況”判定時，除了對殼體元件進行一次總體薄膜應(yīng)力的核定外，還應(yīng)對承受一次彎曲應(yīng)力的容器元件進行考查，如平封頭、管板、法蘭等。關(guān)于低溫低應(yīng)力工況下，選材按照設(shè)計溫度加50C（或者，加40C）的規(guī)定GB150.3-2011附錄E第E2.2條：當(dāng)殼體或受壓元件使用在“低溫低應(yīng)力工況”下，可以按設(shè)計溫度加50C（對于不要求焊后熱處理的設(shè)備，加40C）后的溫度值選擇材料，但不適用于：a）Q235系列鋼材；b）標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度下限值Rm$540Mpa的鋼材；c）螺栓材料

4、。新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對于不要求焊后熱處理的設(shè)備，加40°C，這是與老標(biāo)準(zhǔn)最大的不同。在同樣的設(shè)計、選材、制造和檢驗條件下，對低溫容器進行焊后熱處理可以大大減少接頭范圍內(nèi)的焊接殘余應(yīng)力，從而提高了材料和接頭的韌性、降低了容器在低溫條件下的脆斷傾向。因此新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對于不要求焊后熱處理的設(shè)備，只加40C（所以最好PWHT，即使根據(jù)“低溫低應(yīng)力工況”判斷容器不是低溫容器，則設(shè)計者根據(jù)容器的具體條件或者工程經(jīng)驗仍然可以按照低溫容器的要求進行設(shè)計，僅僅材料不是低溫鋼材而已）。設(shè)計溫度的確定由于-20C是判斷是否低溫容器的關(guān)鍵指標(biāo)，所以設(shè)計溫度的確定特別重要。設(shè)計溫度的確定的原則按照GB150.1-201

5、1第4.3.4條的規(guī)定。對于0C以下的金屬溫度，設(shè)計溫度不得高于元件金屬可能達到的最低設(shè)計溫度。a）根據(jù)傳熱計算求得的金屬溫度，是平均值；b）在已經(jīng)使用的同類容器上測定金屬溫度；c）根據(jù)容器內(nèi)部介質(zhì)溫度并結(jié)合外部條件求得金屬溫度；如有可靠的保溫或保冷措施，則金屬溫度直接取介質(zhì)溫度。d）對于露天或無采暖廠房內(nèi)放置的容器，則要考慮環(huán)境氣候條件，即MDMT，尤其是儲存容器。低溫容器的選材一般壓力容器常用的鐵素體鋼在溫度降低到某一溫度時,鋼的韌性將急劇下降，而顯得很脆,通常稱這一溫度為脆性轉(zhuǎn)變溫度。壓力容器在低于轉(zhuǎn)變溫度的條件下使用時，容器中如存在因缺陷、殘余應(yīng)力、應(yīng)力集中等因素引起的較高局部應(yīng)力，容

6、器就可能在沒有出現(xiàn)明顯塑性變形的情況下發(fā)生脆性破裂而釀成災(zāi)難性事故。對于低溫壓力容器首先要選用合適的材料，這些材料在使用溫度下應(yīng)具有良好的韌性。經(jīng)細(xì)化晶粒處理的低合金鋼可用到-30°C到-70°C，調(diào)質(zhì)高強鋼可用到-20°C到-50°C，3.5%鎳鋼可用到-100°C,9%鎳鋼可用到-196°C。低于-196C時可選用奧氏體不銹鋼和鋁合金等。GB150.2-2011第3.7.2條規(guī)定使用溫度不低于-196°C的奧氏體不銹鋼，可以免除沖擊試驗，低于T96C至-253C，則由設(shè)計文件規(guī)定沖擊試驗要求，標(biāo)準(zhǔn)不做具體規(guī)定。GB150

7、.2-2011第3.5條規(guī)定使用溫度低于-20C的低溫鋼板和鍛件應(yīng)當(dāng)采用爐外精煉工藝。GB150.2-2011第4.1.7條規(guī)定設(shè)計溫度V40C）增加落錘試驗要求，用于檢測無塑性轉(zhuǎn)變溫度（NDT）。GB150.2-2011第4.1.8條規(guī)定低溫鋼板（20mm）的超聲檢測（逐張）質(zhì)量等級由III級升為II級。GB150.2-2011中表4規(guī)定了鋼板的使用溫度下限，包含低溫用鋼板。GB150.2-2011第5.1.1條規(guī)定使用溫度低于-20°C的碳素鋼和低合金鋼管其正火交貨的狀態(tài)不允許用終軋溫度符合正火溫度的熱軋來代替。GB150.2-2011第5.1.2條規(guī)定設(shè)計溫度低于-40C的鋼管

8、用鋼應(yīng)當(dāng)采用爐外精煉工藝。GB150.2-2011第6.1.2條規(guī)定使用溫度低于-20C的低溫鋼鍛件應(yīng)當(dāng)由經(jīng)爐外精煉的鋼鍛制而成（NB/T47009）。GB150.2-2011第6.1.3條規(guī)定使用溫度低于-20C且公稱厚度大于200mm的低溫鋼鍛件應(yīng)選用III級或IV級。GB150.2-2011第6.2.3條規(guī)定了高合金鍛件的使用溫度：a）鐵素體型S11306鋼鍛件為0C；b）奧氏體-鐵素體型鋼鍛件為-20C；c）奧氏體型見GB150.2-2011第3.7.2條規(guī)定。GB150.2-2011第7.1.4條規(guī)定了使用溫度低于-20C的低合金螺柱的使用限制。GB150.2-2011第7.2.3條

9、規(guī)定了高合金螺柱的使用溫度限制。為了避免在低溫壓力容器上產(chǎn)生過高的局部應(yīng)力，在設(shè)計容器時應(yīng)避免有過高的應(yīng)力集中和附加應(yīng)力；在制造容器時應(yīng)嚴(yán)格檢驗，以防止容器中存在危險的缺陷。對于因焊接而引起的過大殘余應(yīng)力，應(yīng)在焊后進行消除焊接殘余應(yīng)力處理。低溫容器的材料標(biāo)準(zhǔn)板材標(biāo)準(zhǔn)板材：GB3531-2008低溫壓力容器用低合金鋼板有4個鋼號（標(biāo)準(zhǔn)為3個，第一號修改單又增加了15MnNiNbDR）16MnDR：tW60,-40°C,47J60VtW120,-30C,47J15MnNiDR：tW60,-45C,60J15MnNiNbDR：10-60,-50C,60J09MnNiDR：tW36,-70C

10、,47J36VtW120,-70C,60J板材：GB19189-2011壓力容器用調(diào)質(zhì)高強度鋼板有4個鋼號07MnMoVR：10WtW60,-20C,80J12MnNiVR：10WtW60,-20°C,80J07MnNiVDR：10WtW60,-40C,80J07MnNiMoDR：10WtW50,-50C,80J板材：GB24511-2009承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板和鋼帶有17個鋼號，其中奧氏體不銹鋼11個（-196C）,雙相鋼3個（-20C），鐵素體不銹鋼3個（0C）。板材：低溫壓力容器用9%Ni鋼板（GB24510-2009）本標(biāo)準(zhǔn)適用于制造液化天然氣（LNG）儲罐、液化天然氣（LN

11、G）船舶等低溫壓力容器用厚度不大于50mm的9%Ni鋼板。GB150.2-2011附錄A增加了3個低溫鋼板15MnNiNbDR同GB3531；08Ni3DR,6-100mm,-100C,47J（該材料沒有專項標(biāo)準(zhǔn)）06Ni9DR,6-40mm,-196C,100J（要求比GB24510-2009嚴(yán)格）另外：JB/T4734鋁制焊接容器是內(nèi)容完整（包括設(shè)計、選材、制造和檢驗）的鋁制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)。包括了壓力容器和常壓容器也包含了全鋁和襯鋁兩種焊制容器。設(shè)計壓力8MPa，使用溫度下限為-269°C。JB/T4755銅制壓力容器，標(biāo)準(zhǔn)的重點為材料和制造，由于銅制壓力容器的結(jié)構(gòu)形式、強度計算與

12、鋼相似，該部分內(nèi)容均參照GB150。其焊接工藝評定和產(chǎn)品焊接試板部分均引用有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)只對銅材的特殊要求作出補充規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)適用于設(shè)計壓力35MPa，設(shè)計溫度按銅材及其復(fù)合鋼板允許的使用溫度確定。通常使用溫度不低于一198C時對銅材及焊接接頭沒有特殊要求，當(dāng)使用溫度低于一198°C（般不低于-268C）時應(yīng)保證仍具有良好的拉伸斷后伸長率。JB/T4756鎳及鎳合金制壓力容器鎳及鎳合金制壓力容器,標(biāo)準(zhǔn)的重點為材料和制造，由于鎳及鎳合金制壓力容器的結(jié)構(gòu)形式、強度計算與鋼相似，該部分內(nèi)容均參照GB150。其焊接工藝評定和產(chǎn)品焊接試板部分均引用有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)只對鎳材的特殊要求作出補充規(guī)定。

13、該標(biāo)準(zhǔn)適用于設(shè)計壓力35MPa，設(shè)計溫度按銅材及其復(fù)合鋼板允許的使用溫度確定。通常使用溫度不低于一198C時對鎳及鎳合金材料及焊接接頭沒有特殊要求，當(dāng)使用溫度低于一198°C（般不低于-268C）時應(yīng)保證仍具有良好拉伸斷后伸長率。鍛件標(biāo)準(zhǔn)NB/T47009低溫承壓設(shè)備用低合金鋼鍛件（代替JB/T4727）有6個鋼號：16MnD：tWIOO,-45°C,47J100VtW300,-40C,47J20MnMoD：tW300,-40C,47J300VtW700,-30C,47J08MnNiMoVD：tW300,-40C,60J10Ni3MoVD：tW300,-50C,80J09M

14、nNiD：tW300,-70C,60J08Ni3D：tW300,-100C,47JNB/T47010承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件（代替JB/T4728）共有16個鋼號鋼管標(biāo)準(zhǔn)GB9948-2006石油裂化用無縫鋼管其中10號鋼管在外徑不小于70mm,壁厚不小于6.5mm時可以用于-20C,31J(GB150.2-2011第5.1.4條)；GB6479高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管其中20號鋼管在外徑不小于70mm,壁厚不小于6.5mm時可以用于-20°C,31J（GB150.2-2011第5.1.5條）；16Mn鋼管在壁厚不大于40mm時可以用于-40C,34J（附加雜質(zhì)含量控制，PW0.0

15、25,PW0.012）；GB150.2-2011附錄A增加了2個低合金鋼管09MnDtW8,-50C,47J09MnNiDtW8,-70C,47JGB150引用的不銹鋼鋼管標(biāo)準(zhǔn)GB13296-2007鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管GBT14976-2012流體輸送用不銹鋼無縫鋼管（不得用于換熱管）GBT21833-2008奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼無縫鋼管（用于換熱管時,應(yīng)采用冷拔或冷軋鋼管,尺寸精度采用高級精度）GBT12771-2008流體輸送用不銹鋼焊接鋼管（不得用于換熱管,使用限制見GB150.2第5.2.4條）GBT24593-2009鍋爐和熱交換器用奧氏體不銹鋼焊接鋼管（使用限制見

16、GB150.2第5.2.5條）GBT21832-2008奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼焊接鋼管（不得用于換熱管，使用限制見GB150.2第526,7,8條)對低溫容器材料的原則性要求a) 所有受壓元件必須經(jīng)過爐外精煉；b) 符合相關(guān)低溫材料標(biāo)準(zhǔn)；c) 一些材料不能用，如Q235系列鋼材以及標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度下限值Rm$540Mpa的鋼材；d) 焊接材料也有要求：應(yīng)與母材的性能，尤其韌性方面相當(dāng)。焊條應(yīng)按批進行藥皮汗水量或熔敷金屬擴散氫含量的復(fù)驗。另外GB150.2-2011第6.1.3條規(guī)定使用溫度低于-20°C且公稱厚度大于200mm的低溫鋼鍛件應(yīng)選用III級或IV級。GB150.2-201

17、1第4.1.8條規(guī)定低溫鋼板(20mm)的超聲檢測(逐張)質(zhì)量為II級。低溫容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計a) 結(jié)構(gòu)盡量簡單，減少約束；b) 避免產(chǎn)生過大的溫度梯度；c) 盡量避免結(jié)構(gòu)形狀的突然變化，以降低應(yīng)力突變；d) 接管與殼體連接部位應(yīng)圓滑過渡，接管端部內(nèi)壁處倒圓；e) 容器的支座或支腿不得直接焊接在受壓元件上，需設(shè)置墊板；f) 接管補強盡可能采用整體補強或者厚壁管補強。(經(jīng)驗建議)上述要求新老標(biāo)準(zhǔn)沒有變化，是原則性的要求，沒有細(xì)節(jié)規(guī)定。低溫容器的焊接接頭設(shè)計a) A,B類接頭要求全焊透；b) B類接頭不能采用雙面焊接時，可以采用焊后不坼除墊板的單面對接接頭；c) C類接頭的平法蘭有具體的溫度及壓力使用

18、限制，最好不要采用平法蘭，而采用對焊法蘭；d) 所有封頭與筒體的焊接必須全焊透；e) 所有接管與殼體的焊接必須全焊透；f) 補強圈與殼體搭接的角焊縫不允許存在未焊透，且連續(xù)焊g) E類焊接接頭除結(jié)構(gòu)要求外，應(yīng)避免簡短焊接或者點焊；h) 殼體焊接不得采用十字焊縫。(一般容器為不宜采用十字焊縫)。低溫容器的制造、檢驗和驗收a) 要按照NB/T47014進行焊接工藝評定或者具有經(jīng)過評定合格的焊接工藝支持(通用要求)；b) 控制焊接線能量，宜多道焊(GB150.4第7.2.5條)；c) 不得有未焊透、未溶合、裂紋、氣孔、咬邊等缺陷，盡量減少余高。d）低溫容器受壓元件不得采用硬印標(biāo)記（GB150.4第5.3.3條，7.2.6條）e）GB150.4第7.2.3條規(guī)定設(shè)計溫度低于-100°C但不低于-196°C的奧氏體不銹鋼，其焊接接頭需要進行沖擊試驗，31J。f）GB150