摘要：应变强化技术是牺牲奥氏体不锈钢部分塑性储备，进行钢板的应变硬化，达到较高的许用应力降低设备重量的技术。随着LNG产业的发展应变强化技术应运而生。但移动式压力容器应变强化技术方面由于结构特殊，承载工况复杂，一些问题尚未明确，还未推广使用。基于此，本文主要对移动式压力容器壳体最低设计金属温度及选材问题进行分析探讨。
关键词；移动式压力容器；壳体；最低设计金属温度；选材问题
1、范围
为简化探讨，仅就按下列标准规范制造、在国内公路运输使用的移动式压力容器，同时限定为仅受大气环节温度直接影响的装运液化气体的罐体壳体及装运冷冻液化气体的罐体真空外壳：
1）GB/T19905-2017液化气体汽车罐车
2）NB/T47057-2017液化气体罐式集装箱
3）NB/T47058-2017冷冻液化气体汽车罐车
4）NB/T47059-2017冷冻液化气体罐式集装箱
2、现行标准规范关于最低设计金属温度的相应规定
2.1TSGR0005-2011移动式压力容器安全技术监察规程：
设计温度
（1）中国境内全区域使用的无保温或者保冷结构罐体，设计温度上限不得低于50℃，设计温度下限不得高于-40℃，但满足引用标准规定的“低温低应力工况”或者设计上规定仅限制部分区域使用的，设计温度下限由设计单位按照设计条件或者引用标准的规定确定；
（2）最低设计金属温度，是指罐体在运行过程中预期的各种可能条件下各元件金属温度的最低值；在确定最低设计金属温度时，应当充分考虑在正常运输、使用及检验试验过程中介质最低工作温度以及大气环境低温条件对罐体壳体金属温度的影响；大气环境低温条件系指历年来月平均最低气温（指当月隔天的最低气温值之和除以当月天数）的最低值。
2.2标准规范对设计温度及最低设计金属温度的规定之简单归纳
2.2.1TSGR0005对设计温度的规定遵照从设计工况（运输区域、设计条件）出发的原则，同时考虑产品结构形式（保温保冷与否），对设计温度上下限给出确定准则，按照设计条件到设计参数、技术方案（低温低应力工况）的技术思路开展针对性设计。对最低设计金属温度也坚持了按实际工况及设计条件进行确定的原则，自2011年颁布以来得到了贯彻执行和运营实践。
2.2.22017年颁布的GB/T19905、NB/T47057、NB/T47058、NB/T47059对设计温度和最低设计金属温度的规定基本一致：设计温度应考虑环境温度的影响，均基本限定为应不低于50℃；对最低设计金属温度都明确规定为不高于-40℃。在液化气体罐车罐箱标准中给出了考虑低温低应力工况的技术方案，冷冻液化气体罐车罐箱外壳未提及低温低应力工况（当然适宜性也存在一定问题）。
3、探讨
最低设计金属温度的提出可以有效地避免低温脆断风险的发生。低温脆断是指金属材料在温度降低至临界值（一般为其韧脆转变温度）以下时，在应力的作用下几乎不发生塑性变形就突然发生的快速断裂，低温脆断的发生需要同时具备以下条件：
1）工作温度低于韧脆转变温度；
2）具有相当的应力水平，包括外加应力、残余应力等；
3）存在一定的缺陷、尖锐缺口、应力集中等。上述三个条件是低温脆断发生的充分必要条件，其中的任一条件不满足，低温脆断都不会发生。
对于受大气环境温度影响的移动式压力容器，分析评估并避免低温脆断风险是保障安全运营的重要内容之一。相关标准规范对罐体最低设计金属温度的规定从材料工作温度的角度破坏了低温脆断发生的条件之一，可有效避免低温脆断失效的发生，但也存在过于刚性及措施单一的缺点。最低设计金属温度的要求直接影响到相应容器壳体材料的选择，对生产制造及经济运行均带来一定的影响。从客观运营环境、液化气体特性以及国外理论实践借鉴等方面都存在可以进一步探究的空间。
3.1-40℃环境温度的考虑是否稍显保守？
-40℃最低设计金属温度的规定可以更好地满足受大气环境温度影响的移动式压力容器在国内全域自由运输，也符合移动式压力容器流动性的特点，但同时也一定程度上存在设计参数裕度过大的问题。参照HG20580-1998附录A《我国主要地区的月平均最低气温》提供的数据见表1，全国范围内低于-20℃的区域是非常有限的，且未出现-40℃地区，TSGR0005允许按照“限定区域”设计使用的规定能更好的契合生产运行需求。
表1 我国主要地区的“月平均最低气温”（℃）
3.2液化气体饱和蒸气压-温度关系
移动式压力容器的主要工作载荷是盛装液体的饱和蒸气压，通常决定着壳体应力水平的高低。研究表明，液化气体饱和蒸气压与液体温度存在如下关系，液化气体饱和蒸气压随着温度的降低而快速降低：
lgP=A+B/T+ClgT+DT+ET2
其中：A、B、C、D、E均为与特定介质相关的常量。
表2数据基本包括了现行标准规范中列示的主要介质，数据表明-40℃时的饱和蒸气压均不超过50℃饱和蒸气压的10%，由此可知此时壳体总体应力水平也应不高于10%的材料许用值，远远低于材料的标准常温屈服强度。
表2 常见液化气体饱和蒸气压数据表
3.3低温低应力工况解决方案的局限性
基于3.2的分析，考虑极端-40℃环境温度影响时，装运液化气体的罐车罐箱壳体应力处于非常低的水平。因此，GB/T19905、NB/T47057对罐体设计均给出了可考虑低温低应力工况的技术方案，但该方案的应用也存在着诸多限制：
1）相应产品标准均明确限定为规则设计适用。
2）GB/T150.3E.2.2明确限定“低温低应力工况”不适用于钢材标准抗拉强度下限值Rm≥540MPa的材料。这与多年来轻量化设计普遍采用分析设计方法的现状并不一致，进而出现了两种情况：
1）采用规则设计，按照“低温低应力工况”，钢板允许使用温度下限可不受-40℃的约束，结合经济性考量，在目前标准范围内只能选用Rm＜540MPa的Q345R、Q370R等材料，由于更高强度钢板的使用受到了限制以及安全系数的影响，壳体壁厚相应增加，载液量、经济性下降；
2）采用分析设计，标准未提供“低温低应力工况”技术路线，只能选用允许使用温度下限-40℃的钢板，按照目前的生产实际，只能选择16MnDR材料，但由于其许用值较低，壳体壁厚也相应增加，同时钢板采购价格较高，载液量、经济性也下降。
对于承受真空工况的绝热压力容器真空绝热外壳，其真空外压不受环境温度影响，且其受力状态与失效模式均与GB/T150.3“低温低应力工况”并不一致，按照相关规定只能选择满足-40℃最低设计金属温度的钢板，受钢板厚度下限的制约，对于承受外压通常采用加强圈防止外压失稳的外壳来说壁厚裕度过大，载液量、经济性不佳。
近年来，由于对节能环保、运输经济性的关注进一步加强，对壳体壁厚、设备自重的关注越来越高，钢厂也开发出了一些新牌号的压力容器用钢板并经过了锅容标委的评审，新材料的开发和评审基本可以满足装运液化气体罐车罐箱的需要，但由于上述材料的最小壁厚均在6mm以上，对低温罐体外壳的需求仍未能得到有效解决。且新材料目前均依照各自企标生产，材料一致性上缺乏统一，容器制造厂在材料采购中的便利性也较差。
3.4ASME对材料最低设计金属温度的规定
钢材的低温韧性是容器承受低温工况时必须考虑的因素之一，ASMEVIII-1UCS66通过对钢材分类给出了最低设计金属温度、控制厚度与冲击豁免曲线，与Q345R力学性能较为相似的SA516正火钢厚度20mm以下可在-39℃的最低设计金属温度豁免冲击使用。
4、建议
4.1按照TSGR0005对设计温度确定的理念，进一步探讨限定区域运输的罐车罐箱按设计使用条件确定最低设计金属温度的可行性。
4.2加快新材料试验验证，尽快扩充压力容器用常温及低温钢板的品种，纳入国标管理，便于规范使用。
4.3研究探索ASME对钢材最低设计金属温度判定规则引入的可行性，通过钢材牌号、钢材热处理状态、板厚规格等因素细分确定钢材最低允许使用温度，对一定厚度的钢板提出低温冲击豁免。
4.4对标准规范中列示介质进一步深入研究，从标准规范的角度确认受大气环境温度影响的盛装液化气体的移动式压力容器实质处于“低温低应力工况”；同时对于仅承受外压工况的冷冻液化气体罐体真空外壳用薄板的低温冲击提出豁免。
参考文献：
[1]周伟明移动式压力容器安全技术监察规程北京：新华出版社
[2]高洁冷冻液化气体汽车罐车北京：新华出版社
论文作者:吴旭景
论文发表刊物:《电力设备》2019年第14期
论文发表时间:2019/11/22
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