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摘要：在进行低温压力容器设计时，需要考虑设计温度、选材、结构设计、制造、检验、焊接等方面的因素。文章结合这些需要考虑的因素，从确定设计温度、材料的选择、结构的设计等方面入手，对低温压力容器的设计进行了探究。
关键词：低温压力容器 设计 设计温度 材料选择 焊接 制造
低温压力容器是指设计温度低于-20℃的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器（包括受环境温度影响金属壁温低于-20℃的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器），设计温度低于-196℃的奥氏体不锈钢制容器也属于低温容器，以及在工艺制作过程中容器的金属壁温处于低温状态下的一种压力容器。在进行低温压力容器设计时，需要多方面考虑，需要考虑的因素有设计温度、选材、结构设计、制造、检验、焊接等方面。下面，就从这些方面入手，对低温压力容器设计中需要注意的一些问题进行探讨。
1 确定设计温度
确定设计温度在低温压力容器设计中至关重要，根据《压力容器（GB150.3-2011）》附录E中对低温压力容器中的规定，设计温度的确定还必须考虑介质温度和环境温度等，做到具体问题具体分析。由于金属受温度影响其韧性也会发生变化，因此确定设计温度时应优先考虑这种情况。比如在环境温度中，我们要充分考虑到南北方冬季温度的差异性。北方冬季温度较低，在无采暖的厂房内放置的容器要考虑其壳体金属受到的低温条件影响。因而，设计温度高于或者低于-20℃，压力容器的结构设计、选材、焊接、制造等方面的要求是截然不同的。
2 材料的选择
由于低温压力容器的质量主要取决于所采用的材料在低温工况中的机械性能，因此我们必须采用低温下韧性较好的金属材料。金属材料在低温工况下容易发生脆性断裂，从而产生失效，对此，我们要采取措施来改变金属材料本身的韧性。比如，在炼制钢材时可以加入镍，镍的加入可以改变位错运动，避免产生较大的应力集中，以此提高钢材的韧性。另外，我们可以将低温用钢经过正火处理，以此细化晶粒，减少由于终轧温度和冷却速率不同而造成的显微组织不均匀。
根据金属材料的不同使用温度，低温压力容器用钢可分为以下三类：（一）设计温度低于-20℃，高于-40℃时，材料多选用低碳锰钢；(二)设计温度低于-40℃，高于-196℃时，材料可选用中镍钢；(三)设计温度低于-196摄氏度，高于-273℃时，材料可选用铬镍奥式体高合金钢。另外，对于制作低温压力容器使用的碳素钢和低合金钢壳体钢板（16MnDR、Ni系低温钢），厚度大于20毫米的情况，需要对每张钢板进行超声波检验，合格级别要达到标准要求或者图样的规定。而铬镍奥体高合金钢要经过硬化处理以保证其强度要求。
3 结构设计
对于低温压力容器及其部件的结构设计应注意以下几点：
结构要简单，以减少焊接件的拘束；避免结构及形状的突然变化，以减少局部应力的集中以及截面大小和刚度的急剧变化；焊有接管及载荷复杂的附件的容器，需焊后消除应力热处理而不能进行整体热处理时，应考虑焊接部位单独热处理的可能性。
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要尽量避免结构各部分截面产生较大的温度梯度；附件的连接焊缝不能采用不连续焊或者点焊，而且不应与A、B类焊接接头重合；接管补强要尽可能的采用整体补强或者厚壁管补强，如果用补强板，就要采用全焊透结构并且焊缝圆滑过渡；容器的支腿，鞍座和耳座（球罐除外）宜设置垫板或者连接板，尽量避免直接与容器壳体直接相焊。垫板或者连接板应与本体材料相同。
4 焊接要求
低温压力容器的制造对焊接的要求十分严格，其焊接工艺要按照《承压设备焊接工艺评定（NB/T47014-2011）》的要求进行焊接工艺评定测试，焊接材料则应该选用与母体材料成分相近性能相同的并且具有良好的低温韧性材料。低温用钢的焊接关键是不能让焊缝金属和热影响区形成粗晶组织从而导致钢材的低温韧性降低，因此要控制好焊接线的能量，在规定的范围内采用比较小的焊接线能量，进行多道焊接，并且要注意避免焊道过热。
另外，要对焊接接头进行不高于设计温度的低温冲击试验，当焊缝两侧的母材对冲击试验有不同的要求时，低温冲击功按两侧母材抗拉强度的较低值（同时符合GB150.2表1或图样要求）。焊接接头要避免弧坑或者焊缝成形不良等因素导致的焊接缺陷，同时还要减小余高，避免凸形角焊缝的出现。在压力试验前还要进行焊后热处理，焊后热处理的温度应该将焊件上的直接测量作为标准，并且在这个热处理的试验中要做好连续记录。焊接完成后需要进行焊后热处理，焊后热处理有利于降低低温脆断，消除焊接接头区域内的焊接残余应力。不正确的焊后热处理会导致低温压力容器出现变形、开裂、过热的等缺陷，因此要选定低温压力容器的热处理厚度，进行严格的工艺参数设置，按照相关规范进行操作。
5 制造与检验
通过以上几个设计环节，为了保证其质量低温压力容器在制造前仍然需要进行多次试验多种处理，如要采用热加工成形或者采取消除应力热处理等工艺措施。对于热成形或者温成形的容器元件，要采用合理的方法控制成形工艺或者进行成形后的热处理，从而保证其使用状态。
必须按照焊接工艺指导书的要求，对焊工进行专门培训，使其了解低温钢的特点并掌握各焊接工艺条件的控制要领。低温用钢的焊接关键是要避免焊缝金属及热影响区形成粗晶组织而导致低温韧性降低，因此要求严格控制焊接线能量，在焊接工艺指导书规定的范围内采用较小的焊接线能量、多层多道施焊避免焊道过热，多道焊时要控制层间温度。
6结束语
在低温下操作的压力容器，其常用的金属制作材料会因为温度的降低造成韧性下降，那么这一温度我们称脆性转变温度。如果压力容器在低于转变温度的条件下使用，并且该容器存在缺陷等因素从而引起了较高的局部应力，容器就可能发生脆性破裂而酿成灾难性事故。因此，在低温压力容器设计中我们必须要将设计温度和设计压力一起作为设计的载荷条件，从设计温度的确定，材料的选择，结构设计，制造检验等方面进行分析。
参考文献：
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作者简介：
谢占坤(1979.01— ），男，山东潍坊人。毕业于山东大学化工设备与机械专业 ，本科学历。现为山东宏达科技集团有限公司技术部经理。取得A1/A2/C2/C3压力容器设计审批员资格证。先后获得济南市长清区“五一劳动奖章”、济南市科技进步奖1次、济南市长清区科技进步奖1次，发明专利1项、实用新型18项。
论文作者:谢占坤
论文发表刊物:《科技研究》2018年7期
论文发表时间:2018/9/11
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