低溫壓力容器設計的若干問題探討范文
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摘要：社會經濟的發展帶動了各行業的國際化發展，我國經濟市場不斷與國際接軌，很多國際同行，也加入了市場競爭之中。在此形勢下，國內企業要想提高競爭力，在國際范圍內提高知名度，勢必要提升產品的設計標準。具體到壓力容器行業而言也是如此，壓力容器產品要不斷提升設計水平，從而令產品在國際上擁有更強的競爭力，進一步推動整個產業的國際化發展。然而，從當前國內的壓力容器行業來看，諸多企業在產品設計過程中還存在著諸多技術誤區。
1設計溫度的確定
不同的溫度環境中，設計、選材以及制造等因素的選擇存在著較大的差異，設計溫度是以-20℃為準，高于這一溫度與低于這一溫度時，設計存在著巨大不同。在設計的過程中應從設備中設置恰當的設計溫度，將溫度與設計壓力都考慮到設計載荷中去，針對環境溫度、介質溫度、保溫或者保冷措施等逐一分析。在工程中針對低溫壓力容器的設計溫度可用以下方法來確定：元件金屬沿截面厚度的平均溫度被稱作為金屬溫度系，而其兩側的流體溫度出現不一致時，計算其表面溫度時，可利用傳熱計算的模式算出，具體操作時，還需要掌握各項數據，其中包括：通過流體與壁面間的給熱、元件金屬熱量傳導、污垢熱阻等，從而代入計算。然而，目前一些很多數據無法查出，比如介質的傳熱系數K值、給熱系數α值等，因此，在實際的計算中以經驗代入為主[1]。針對當前已經有生產運行的同類容器，要想確實其受壓元件金屬溫度值往往是以實際測定的方式來完成。針對露天廠房或者是無采暖措施的廠房內的容器，殼體金屬溫度需要考慮到環境氣溫條件給其帶來的影響。
2材料的低溫沖擊韌性
2.1材料韌性與溫度的關系
沖擊韌性與溫度變化兩者之間直接相關，而中低強鋼與高強鋼的沖擊韌性與溫度變化相關性存在著一定的差異，具體如圖1抗拉強度所示，高強鋼大于1000MPa，中低強鋼小于600MPa。相對現有的研究結論分析，低溫環境下會產生解理斷裂，而高溫環境下會產生韌窩斷裂。從圖示中來看，中、低強鋼韌脆轉變溫度相對較高。高強鋼通常情況下都具有較高的解理斷裂抗力，但是其韌脆轉變溫度一般情況下都較低，高強鋼的韌性斷裂抗力相對較低，溫度變化之下其韌性的變化也相對平衡?；诖?，在選取材料時，低溫韌性是滿足制作低溫壓力容器的首要條件，并在此基礎之上選擇高強度鋼材[2]。
2.2提高材料低溫韌性的方法
2.2.1細化晶粒
材料的低溫韌性的提升可采取加入必要元素的形式來完成，比如可將適量的Ti、V、Nb、Al等元素加入至鋼內，從而形成細小穩定的TiC、VC、NbC、AlN等化合物粒子，它們可以有效阻止奧氏體晶粒變大化，將鋼晶料進行細化，有效提升晶界總面積，從而達到提升鋼低溫韌性的效果。
2.2.2改善基體的韌性
在進行煉制的過程中可加入適量鎳，這是由于鎳溶于鐵素體時可以有效改變位錯運動，從而令其更好地繞過障礙，規避大型的應力集中，有效提升整個基體的韌性。假如其鎳的含量>13%，還有可能消除韌脆轉變。目前實踐中的低溫鋼通常都是高鎳鋼。除了鎳，錳也是常用的一種元素，只是其效果不如鎳。
2.3低溫壓力容器的結構設計
低溫環境下鋼材對應力集中敏感性增加，導致低溫脆性破壞傾向也更大。在進行結構設計時需要將其尖角、應力集中等消除，設計注意事項如下：結構以簡單為宜，從而保證元件間互相約束程度降低。溫度梯度不應過大。截面盡可能避免急劇變化，從而降低應力集中。附件連接焊縫要避免與設備A、B類焊縫相接，同時要以連續焊的形式完成。在焊接支腿、耳座、鞍座等部件使其與筒體連接時，需要設置墊板或者連接板等，并且要保護板材選材可滿足低溫使用。接管補強時要盡可能選擇使用整體補強、厚壁管補強等，如果補強時，使用的補強板，那么就要采取全焊透的結構處理其截面，保證焊縫可以圓滑地進行過渡。結構中焊縫交叉、焊縫集中問題應盡可能避免。若容器存在焊接的復雜部件，焊接完成之后，要消除其應力，并單獨對部件進行熱處理。焊縫結構：A類焊縫可進行雙面對接焊，如若選擇單面對接焊，要求其質量達到雙面焊的水平；B類焊縫與A類焊縫相類，假如不受結構限制，可使用不拆除墊板的單面對接接頭；C、D類焊縫應使用全截面焊透結構模式。
2.4焊接要求
在低溫壓力容器的制作過程中需要高質量的焊接，對焊接工藝有著相當高的標準，應當按照《承壓設備焊接工藝評定（NB/T47014-2011）》中，制定的標準來評定焊接工藝水平。焊接所使用的材料，也有一定的要求，通常要求使用和其母體材料具有較高相似性的材料，并且要保證其低溫韌性。低溫用鋼在焊接的過程中要避免焊縫金屬與熱影響區之間出現粗晶組織，最終影響到鋼材的低溫韌性，所以，在焊接的過程中要保證對其焊接線能量的挨近，保證在相應范圍內選擇較小的能量，展開多道焊接，避免焊道高溫。同時，要針對焊縫展開沖擊實驗，如果焊縫兩側的母材需要不同的沖擊試驗要求，此時需要調整其沖擊實驗的溫度，采取兩者中相對較高的溫度。焊接接頭的過程中要規避弧坑等缺陷，盡可能地降低余高，避免凸形角焊縫。完成焊接之后也要展開焊后熱處理，從而有效降低低溫脆斷，將焊接接頭部分殘留下來的應力進行消除。如若焊后熱處理失當會引發容器的變形、過熱、開裂等問題，因此要保證熱處理的正確性。在進行熱處理的賽程中選定正確的厚度、嚴格設計正確的參數、保證操作規范性。
2.5焊接和焊后熱處理
2.5.1焊接注意事項
以《鋼制壓力容器焊接工藝評定（JB4708）》為標準，進行焊接操作，并對焊接工藝進行嚴格評定，同時，制定完善的工藝指導手冊，用于容器生產的焊接指導。如若焊縫兩側的母材需要不同的沖擊試驗要求，此時需要調整其沖擊實驗的溫度，以較高一方的溫度為準。低溫沖擊功兩側母材所要達到了較低抗拉強度值，也需要達到GB150-1998表C2中的相關標準。根據具體要求，來確認母材的熱影響區。當兩側母材對拉伸與彎曲性能的標準不同時，其接頭的各項性能按照其中較低的標準執行。依據JB4708對其焊接工藝展開評定，假設焊接接頭是，不同的多個組別號構成，則需要重新進行低溫沖擊試驗來評定。嚴格把控焊接線能量。在進行焊接工藝評定范圍中，焊接線能量宜小不宜大，盡量選擇多道施焊。
2.5.2焊后熱處理的注意事項
焊后熱處理在焊接工作中不可忽視，其主要作用是有效消除焊接殘余應力，從而降低其低溫脆斷。根據GB150-1998的相關規定，如若采用的是碳素鋼或者低合金鋼，且其鋼板厚度超過16mm，焊接后必須要接受熱處理。如果焊后熱處理不當會引發產品變形、開裂、脫碳等多種缺陷。有些缺陷可以進行再次熱處理來解決，但是有些缺陷卻是不可逆的。焊后熱處理有以下注意事項：在殼體上進行蓋板、法蘭等焊接時，可取其殼體厚度。在進行高頸法蘭與接管焊接時，可取其管頸厚度。在進行焊縫返修時，可取其所填充的焊縫金屬厚度。在進行管與管板焊接時，可取其兩者的焊縫厚度。在接管與殼體以及入孔進行焊接的過程中，可采取當前元件中厚度最大者。選定處理厚度之后，要注意各工藝參數的設置，保證其符合相關操作規范。
2.6制造與檢驗設計環節
完成之后，還要在制造容器之前展開多次試驗與處理，從而保證產品的質量，比如要進行熱加工處理、除應力熱處理等。針對熱成形、溫成形等元件，要在其成形后，進行熱處理，使其達到較好的使用狀態。各步驟的檢驗與其成品質量息息相關，針對容器殼體厚度>25mm、設計環境溫度在-40℃之下的A、B類焊接接頭，應采取超聲波檢測亦或者是全部射線檢測。除此之外，低溫壓力容器還要對A、B類焊接接頭展開必要的無損檢測，針對其重要的局部進行再次檢測，其檢測的長度應當不小于250mm，且不得低于其焊接接頭長度的一半。如若對其展開液壓實驗，那么要保證其液體的溫度必須要大于或者等于其接頭與殼體材料沖擊試驗溫度加20℃，若兩者溫度不同則取其高者。
3結語
當前在液態天然氣、石油裝置等多個領域中，低溫容器都發揮著重要的作用，容器的設計直接決定著生產的安全性，因此，在設計的過程中必須要慎之又慎，以《GB150-201從壓力容器》等規范、標準文件為參考，規范操作，設計出結構、選材都相對合理，且強度計算無誤的產品，保證安全生產。
參考文獻
[1]李世玉．壓力容器設計工程師培訓教程[M]．北京：新華出版社，2005：362~380．
[2]中國石油和化學工業協會．《鋼制低溫壓力容器技術規定》（HG/T20585－2011）[S]．北京：中國計劃出版社，2011.
作者：彭玄 單位：上海森松壓力容器有限公司
