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低温压力容器设计中应注意的问题摘要由于低温压力容器的应用日趋普遍及其特殊性,应从设计温度的确定、选材、结构设计、焊接和检验等各个环节严格要求关键词低温低应力工况低温夏比V型缺口冲击试验金属温度应力集中中图分类号TH12文献标识码A文章编号1008-9411201005-0013-03目前在石油化工企业使用的压力容器中,气体的液化、分离以及液化气体的生产、贮运和应用日趋普遍,低温技术的发展促进了各种低温压力容器的运用,占有一定的比重因该类压力容器工作温度较低,容器材料的脆性相应增大其受压元件在拉应力的作用下,应力水平在低于材料的屈服强度,或低于许用应力的情况下可能会发生脆性破坏,脆性破坏前容器结构不出现或是只有局部的极小塑性变形,而在结构的大范围内没有宏观的整体屈服迹象或其他明显征兆,对石油化工生产的安全威胁很大因此对于低温压力容器,必须从设计、选材、制造到检验各个环节的要求与非低温压力容器相比都要有不同程度的提高根据GB150一1998钢制压力容器》附录C《低温压力容器》的规定,低温压力容器是指容器的设计温度低于或等于一20`G,以及由于环境温度的影响,壳体的金属温度低于或等于一2090,在工艺操作过程中容器的壁温处于低温状态下的一种压力容器低温低应力工况系指壳体或其受压元件的设计温度虽然低于或等于一209C,但其环向应力小于或等于钢材标准常温屈服点的1/6,且不大于50MPa时的工况低温低应力工况不适用于钢材标准抗拉强度下限值大于540MPa的低温容器低温压力容器在设计时应注意的问题:在工程上,通常采用以下几种方法来确定处于低温压力容器的设计温度1金属温度系指元件金属沿截面厚度的温度平均值,元件金属两侧的流体温度不同时,通过流体与壁面间的给热、污垢热阻以及元件金属的热量传导,利用传热计算可以求得元件两侧金属表面的温度但是,由于很多介质的传热系数K值和给热系数a值难以查出,在工程计算中,多采取经验值代人2当受压元件与工作介质直接接触,且外部有良好的保冷或保温设施时,或容器内流体温度接近环境温度,或传热条件使得壳体壁温接近物料温度,则此时壳体元件的金属温度可以取为物料温度3对于已有生产运行的同类容器,可以通过实际测定确定受压元件的金属温度4对于露天或无采暖的厂房内事故停车所特设的容器及意外降温和停车后的自然温除外放置的容器,其壳体的金属温度应该考虑在低温环境中受到的气温条件的影响1设计温度的确定设计温度高于一20℃和设计温度低于一2090,在设计、选材、制造等方面是截然不同的所以,设计温度的确定是低温压力容器设计中一项至关重要的因素,应从设备在相应设计温度与同时存在的设计压力一起作为设计载荷条件,和是否受环境温度影响、介质的温度以及有无保温或保冷等方面,去做具体问题分析2低温压力容器的选材低温压力容器的选材应考虑设计温度、材料的低温冲击韧性、壁厚、使用时的拉应力水平、焊接及焊后热处理等问题还必须要根据具体用途、具体使用条件、特定的安全重要性提出必要的、多于GB150规定或高于GB150合格指标的补充要求1低温容器受压元件用钢材应是镇静钢,承受载荷的非受压元件也应该是具有相当韧性且焊接性能良好的钢材2一般低温用钢都要求正火处理,正火处理除可以细化晶粒外,还可以减少由于终轧温度和冷却速率不同而引起的显微__不均匀,可降低钢材无塑性转变温度3对低温用碳素钢和低合金钢各类钢材,除因材料截面尺寸太小,无法制取5mmx10mmx55~的小尺寸试样的情况外,必须按HG20585标准要求进行低温夏比V型缺口冲击试验低温容器用钢的冲击试验温度应低于或等于壳体或其受压元件的最低设计温度,当壳体或其受压元件使用在低温低应力工况时,钢材的冲击试验温度应低于或等于最低设计温度加50904对于低温容器用碳素钢和低合金钢壳体钢板,当钢板厚度820~时,应按JB/T4730逐张进行超声波检测,合格级别为l级5奥氏体高合金钢螺栓材料使用在一100℃以下时,可以考虑经应变硬化处理以保证需要的强度奥氏体高合金钢使用在一196℃以下,还应考虑某些附加材料试验要求6使用温度在一100℃到一70℃区间的低合金钢材料,目前国内尚无适用的钢材产品,可以选用国外的适用材料,或是直接选用奥氏体高合金钢7焊接材料应选用与母材成分和性能相近或相同的具有较好低温韧性的材料,对焊条电弧焊焊条应选用低氢碱性焊条,对于埋弧焊焊剂应选用碱性或中性焊剂低温容器用焊条应按相应焊条标准按批进行药皮含水量或熔敷金属扩散氢含量复验圆滑过渡8在结构上应避免焊缝的集中和交叉9容器焊有接管及载荷复杂的附件,需焊后消除应力而不能整体进行热处理时,应考虑部件单独热处理的可能性10焊缝的结构设计:A类焊缝应采用双面对接焊,或采用保证焊透、与双面焊具有同等质量的单面对接焊B类焊缝也应采用与A类焊缝相同的全焊透对接焊缝,除非结构限制不得已时,允许采用不拆除垫板的带垫板单面焊CD类焊缝,原则均要求采用截面全焊透结构对于一般平焊法兰指管端与法兰环内孔表面成搭接接头的截面非全焊透结构,规定仅用于压力较低设计压力不大于
1.OMPa、较高温度设计温度不低于一3090的场合,且标准抗拉强度下限值低于540MPa的材料3低温压力容器的结构设计在结构设计中要注意消除结构的应力集中,消除尖角,要有足够的韧性为此在设计中要特别注意以下几个问题:1结构尽可能简单,减少焊接件的拘束程度2结构各部分截面应避免产生过大的温度梯度3结构拐角和过渡应减少局部的应力集中以及截面尺寸和刚度的急剧变化4容器元件的各个部分包括接管与壳体的连接所形成的T形接头、角接接头焊缝和各类角焊缝,以及接管、凸缘端部都应修磨成圆角,使其内、外拐角均成圆滑过渡5容器的鞍座、耳座、支腿应设置垫板或连接板,避免直接与容器壳体相焊垫板或连接板按低温用材考虑6容器与非受压元件或附件的连接焊缝应采用连续焊7接管补强应尽可能采用整体补强或厚壁管补强,若采用补强板,应为截面全焊透结构,且焊缝4低温压力容器的焊接1低温压力容器施焊前应按JB4708进行焊接工艺评定试验,包括焊缝和热影响区的低温夏比V型缺口冲击试验2应严格控制焊接线能量在焊接工艺评定所确认的范围内,选用较小的的焊接线能量,以多道施焊为宜3不得在母材的非焊缝区内引弧,焊接接头包括对接接头和角接接头应严格避免焊接缺陷,如弧坑或焊接成形不良,不得有未焊透、未熔合、裂纹、气孔、咬边等缺陷,同时尽量减小余高,不得有凸形角焊缝要求焊缝表面呈圆滑过渡,不应有急剧形状变化在低温条件下钢材对结构处或缺陷处的应力集中敏感性加大,从而加大了低温脆性破坏倾向4焊后消除应力处理可以减小接头区域内的焊接残余应力,从而降低了在低温条件下的脆断倾向5每台低温压力容器都应制备产品焊接试板5检验1对于AB类对接接头,符合下列情况之一者应做100%射线或超声检测:容器设计温度低于一4090;容器设计温度虽高于或等于一409C,但接头厚度大于25mm;2010年10月第35卷第5期龙纪:低温压力容器设计中应注意的问题根据“容规”划为第三类的压力容器;根据设计压力和介质的燃、爆、毒性等工作条件由设计文件规定作100%检测的容器2作局部射线或超声检测的对接接头,其检测长度不少于50%接头总长,且不少于250mmo3对下列焊接接头作表面磁粉或渗透检测:对符合第1条容器的焊接接头,而无法进行射线或超声检测者;对于要求做100%射线或超声检测的容器,其全部CD类焊接接头的各种焊缝以及受压元件与非受压元件的连接焊缝6其他低温容器液压试验时的液体温度应不低于壳体材料和焊接接头的冲击试验温度取高者加20900。