设备|低温压力容器设计方法探讨
一、低温压力容器的确定
根据GB/T150—2011《压力容器》附录E（标准的附录）“低温压力容器的基本设计要求”的规定，低温压力容器是指容器的设计温度低于－20 ℃，或由于环境的影响，壳体的金属温度低于－20 ℃，或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。另外设计时还应特别注意“低温低应力工况”，在GB/T150—2011《压力容器》附录E（标准的附录）“低温压力容器的基本设计要求”和GB/T151—2011《管壳式换热器》附录A（标准的附录）“低温管壳式换热器”中“低温低应力工况”的定义是：指壳体或其受压元件的设计温度虽然低于－20 ℃，但设计应力小于或等于钢材标准常温屈服点的1/6，且不大于50 MPa时的工况。设计时一定要先通过计算来确定该容器是否属于低温低应力工况，若是低温低应力工况则不必遵循GB/T 150—2011附录E和GB/T 151—1999 附录A 的规定，否则再按低温压力容器进行设计。这是由于对低温压力容器要求的提高，使得低温压力容器的造价大大高于一般压力容器，故进行一项设计时，首先要根据设计条件判定该容器是否属于低温压力容器。
二、低温压力容器的选材
1、低温压力容器非受压元件材料
与低温压力容器受压元件直接焊接的非受压元件材料，其低温韧性及焊接接头性能须与受压元件匹配。对低温压力容器，其支座的设计选材尤为重要：对设计温度不高于－70 ℃的低温容器, 其支座材料宜选用低温韧性与受压元件相同的同种材料；对设计温度高于－70 ℃而低于－20 ℃的低温容器，其支座材料应选用低温韧性较受压元件低一个等级的材料。对安装在环境温度极低地区的设备, 选用支座材料时必须考虑环境温度的影响。
2、低温压力容器用焊条
低温压力容器用焊条应选用化学成分和力学性能与母材相近的低氢碱性焊条，埋弧焊焊剂应选用碱性或中性焊剂，并且其低温冲击值不小于标准的规定。所有用于低温容器的焊条应按批复验药皮含水量或熔敷金属扩散氢含量。
3、低温压力容器受压元件材料
低温压力容器的质量首先取决于低温用钢材的质量。低温用钢按使用温度大体分为三大类：－40 ℃以上温度时，多用低碳碳锰钢；－40 ℃～－196 ℃时，多用低碳钢、中镍钢；－196 ℃～－273 ℃时，多用铬镍奥氏体钢。低温压力容器常用的钢材有Q345R，16MnDR，15MnNiDR，09MnNiDR，CF－62 等，以及镍系低温钢材1.5Ni，2.5Ni，3.5Ni，5Ni，9Ni 钢等。钢材在低温下的主要失效形式是脆性断裂，钢材在温度低于脆性转变温度时，有足够尖锐的缺口或缺陷时就可能导致低应力下的脆性断裂。钢材在低温下的冲击值AKV 反映了钢材缺口尖端处在低温下塑性变形能力和对裂纹扩展的敏感性，即低温韧性。因此选材时保证具有足够的低温韧性对于低温压力容器来说是首要条件，并且必须保证在有充足的低温韧性的前提下，选用高强度钢材。为了得到良好的低温韧性，低温压力容用钢在冶炼方法上必须采用平炉、电炉或氧气转炉冶炼，并且必须是镇静钢。化学成分方面，应采用硫、磷含量更低的钢材，一般要求w（S）≤0.020％，w（P）≤0.030％。钢材必须按规范要求进行无损检测，不允许有任何的夹层、夹杂和裂纹等内部及表面缺陷。一般低温钢材为正火（N）状态，镍系低温钢及部分高强度低温钢为正火＋回火（N＋T）或调质（Q＋T）状态
4、低温压力容器法兰用密封垫片
低温压力容器法兰用密封垫片应符合HG/T20585-2011的要求。使用温度低于－40 ℃的密封垫片用金属材料，应采用奥氏体不锈钢、铜、铝等在低温下无明显转变特性的金属材料，包括缠绕式垫片的金属带、金属包垫片的外壳以及空心或实心的金属垫片；非金属材料密封垫片应采用在低温下呈良好弹性状态的材料，如石棉、柔性石墨、聚四氟乙烯等，不低于－40 ℃，且压力不高于2.5 MPa 的法兰密封垫片允许采用优质石棉橡胶板、聚乙烯板等；温度不低于－120℃且压力不高于1.6 MPa 的法兰垫片允许采用浸泡石蜡优质石棉橡胶板。
5、低温压力容器用主螺柱与螺母
低温压力容器用主螺柱、螺母应采用35CrMoA，30CrMoA，使用状态为调质，并应进行低温冲击试验。主螺柱、螺母还应逐件进行磁粉检测，符合NB/T 47013.4—2015 标准规定中I 级合格。
三、低温压力容器的结构设计
一是结构应尽量简单，减少约束。二是应尽量避免结构形状的突然变化，以减小局部高应力；接管端部应打磨成圆角，呈圆滑过渡。三是避免产生过大的温度梯度。四是结构应减少局部的应力集中以及截面的急剧变化。五是附件的连接焊缝不应采用不连续焊或点焊。六是容器的支座或支腿需设置垫板不得直接焊在壳体上。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。七是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，应为全焊透结构，且焊缝圆滑过渡。八是设计压力大于等于1.60 MPa 且盛装易燃或毒性为极度、高度危害介质的容器法兰，或具有较大外加载荷的接管法兰，应采用对焊法兰。
四、低温压力容器的制造与检验
1、用于制造低温压力容器筒体、封头的钢板，厚度超过标准时，需按NB/T 47013.3—2015 进行超声波检测，合格级别为Ⅲ级。
2、低温钢材在加工制造前必须复验，从源头上保证低温压力容器的质量。低温压力容器用钢材在加工制造前须对低温冲击值进行复验，只有这样才能保证使用的低温钢材具有足够的低温韧性，不致发生灾难性的破坏。对低温三类压力容器和球罐用钢材还要进行全项目复验，即复验材料的化学成分、常温机械性能、低温冲击值以及钢材超声波检验。
3、钢板厚度大于16 mm 的碳素钢和低合金钢制低温容器或元件应进行焊后热处理，需做焊后热处理的低温容器，热处理还应包括受压元件与承受较大载荷需做强度计算的非受压元件的连接焊缝以及承受较大载荷需做强度计算的非受压元件的连接焊缝，如壳体与支座垫板以及支座各零件之间的连接焊缝。
4、低温压力容器的对接焊缝符合下列情况之一者，应进行100％射线或超声检测：容器设计温度低于－40 ℃；容器设计温度虽高于或等于－40 ℃，但接头厚度大于25 mm；符合GB/T
150.4—2011《压力容器》中的10.3.1 和10.3.2 条者。其他低温压力容器允许进行局部无损检测，检测长度不得少于各条焊接接头长度的50％，且不少于250 mm。需进行100％射线或超声检测的低温容器，其T 型接头、对接焊缝、角焊缝均需做100％磁粉或渗透检测。受压元件与非受压元件的连接焊缝亦按本条要求检查。
总结：
低温压力容器设计的制造工艺越来越得到人们的重视,我们应该通过对低温压力容器的制造过程的改良,监督和检查来促进这一特殊制造工艺的进步,从而制造出更适合现代社会的低温压力容器供相关的部门使用。
