低溫壓力容器的材料選取淺析

唐 楠 董 璐

大連金州重型機(jī)器集團(tuán)有限公司

低溫壓力容器的材料選取淺析

唐 楠 董 璐

大連金州重型機(jī)器集團(tuán)有限公司

低溫鋼還具有良好的加工制造性能，冷成型后冷作硬化程度跟其它合金鋼相同，無明顯區(qū)別。對應(yīng)變時(shí)效脆性和回火脆性的敏感性也很小。由低溫鋼制造的設(shè)備，只要材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度低于設(shè)備工況中的工作溫度，就具有足夠高的強(qiáng)度，能夠滿足設(shè)備的安全運(yùn)行。壓力容器是石油化工、煤化工中必不可少的設(shè)備，很多化工工藝需要在低溫條件下才能實(shí)現(xiàn)。在低溫壓力容器的設(shè)計(jì)過程中，通過對設(shè)計(jì)溫度、低溫材料選用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、焊接工藝、無損檢測等方面的技術(shù)優(yōu)化，確保低溫壓力容器的使用安全。

低溫壓力容器；材料；選擇

低溫壓力容器的低溫脆性破壞是在沒有預(yù)兆的情況下突然發(fā)生的，危險(xiǎn)性很大。防止低溫脆性斷裂事故的發(fā)生主要從材料的選用、試驗(yàn)方法和設(shè)備的制造過程等方面進(jìn)行控制。由于材料的選用是低溫壓力容器設(shè)計(jì)制造的第一步，也是低溫壓力容器使用安全的首要因素，因此合理的選擇低溫壓力容器的材料對于設(shè)計(jì)者來說是至關(guān)重要的。

1 低溫低應(yīng)力工況的含義

在 GB150.3-2011《壓力容器 第 3 部分：設(shè)計(jì)》附錄 E “關(guān)于低溫壓力容器的基本設(shè)計(jì)要求”和GB151-1999《管殼式換熱器 》附錄A“低溫管殼式換熱器”中，都對“低溫低應(yīng)力工況”作出了明確的定義：是指殼體或其他受壓元件的設(shè)計(jì)溫度雖然低于或等于-20℃，但其環(huán)向應(yīng)力小于或等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服點(diǎn)的六分之一且不大于50MPa 的工況。

1)設(shè)計(jì)溫度不低于-46℃時(shí)，“低溫低應(yīng)力工況”容器的設(shè)計(jì)溫度按HG20585-998進(jìn)行調(diào)整；

2)設(shè)計(jì)溫度低于-46℃但不低于-100℃時(shí)，僅當(dāng)容器殼體或其受壓元件的一次總體薄膜應(yīng)力降至小于或等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服點(diǎn)的六分之一，且不大于50MPa時(shí)，設(shè)計(jì)溫度調(diào)整值可以取50℃；

3)設(shè)計(jì)溫度低于-100℃時(shí)，設(shè)計(jì)溫度調(diào)整值為0。調(diào)整后的設(shè)計(jì)溫度等于或低于-20℃時(shí)，調(diào)整后的設(shè)計(jì)溫度高于-20℃但低于0℃時(shí)，壓力容器的鋼材及其焊接接頭的沖擊試驗(yàn)溫度，應(yīng)等于或低于調(diào)整后的設(shè)計(jì)溫度，其他設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)要求可不必遵循HG20585-2011《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定》的規(guī)定。

2 低溫壓力容器類型

2.1 低溫鋼的分類

1)按使用溫度分，低溫鋼可分為-40℃、-70℃、-100℃、-196℃和-253℃等級。

2)低溫鋼按合金含量和組織可分為3類：低合金鐵素體型低溫鋼。其合金元素總含金量不超過5%，組織是鐵素體加少量貝氏體，使用溫度范圍在-110℃以上。中合金低碳馬氏體型低溫鋼。其合金元素總含量在5%～10%，組織跟熱處理有關(guān)。淬火后的組織是低碳馬氏體，正?；蟮慕M織為低碳馬氏體鐵素體以及少量奧氏體，回火后的組織是含鎳鐵素體和少量富碳奧氏體。高合金奧氏體型低溫鋼。其合金元素總含金量大于10%，組織為奧氏體。奧氏體組織穩(wěn)定，低溫沖擊韌性良好，使用溫度可達(dá)-196～-269℃。

2.2 材料結(jié)構(gòu)

由于低溫壓力容器對溫度極其敏感，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對低溫壓力容器的設(shè)計(jì)有特殊的規(guī)定。設(shè)計(jì)低溫壓力容器時(shí)，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)充分考慮以下幾點(diǎn)：1)避免復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，減少零件之間相互的約束。2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)避免溫度梯度的產(chǎn)生。3)避免急劇變化的截面結(jié)構(gòu)。4)非受壓件的焊縫應(yīng)采用連續(xù)焊。5)避免非受壓件直接與容器殼體相焊，應(yīng)在它們之間設(shè)置墊板。6)與受壓件相焊的墊板、吊耳、制作等的材料應(yīng)與受壓件相一致，其焊縫應(yīng)為全焊透。7)接管補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)采用整體補(bǔ)強(qiáng)或鍛件補(bǔ)強(qiáng)。

2.3 選用原則

為了保證低溫壓力容器的安全使用，作為設(shè)計(jì)者必須根據(jù)低溫壓力容器的具體用途、具體使用條件和特定的安全重要性對材料的選用提出特殊的、必要的、多于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范或者高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，有時(shí)甚至可以直接選擇國外材料，或者根據(jù)國內(nèi)目前的冶煉技術(shù)、裝備工藝和質(zhì)量水平指定材料生產(chǎn)廠家。

3 材料的選取

3.1 足夠的韌性

低溫壓力容器的材料選擇主要考慮在整個(gè)工作溫度區(qū)應(yīng)有足夠的韌性，鋼材的使用溫度下限可不低于鋼材標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低實(shí)驗(yàn)溫度。1)低溫壓力容器受壓元件所采用的鋼材，必須是鎮(zhèn)靜鋼；2)低溫壓力容器及其受壓元件所采用的鋼材，除因材料截面尺寸太小，無法制取2.5mm×10mm×55mm的小尺寸式樣的情況外，必須按HG20585標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行夏比(V型缺口)低溫沖擊試驗(yàn)；3)用于制造低溫壓力容器筒體、封頭的鋼板，厚度超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)，需按JB4730進(jìn)行超聲波檢測，合格級別為Ⅲ級。

3.2 材料檢驗(yàn)

低溫鋼材在入廠后的復(fù)驗(yàn)對于保證材料質(zhì)量，從源頭上保證低溫容器的質(zhì)量具有重大的意義。低溫材料應(yīng)按國家規(guī)范及相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。復(fù)驗(yàn)項(xiàng)目至少包含材料的化學(xué)成分、常溫機(jī)械性能、低溫沖擊值及鋼板的超聲波檢驗(yàn)。焊條還需按批復(fù)驗(yàn)藥皮含水量或熔敷金屬擴(kuò)散氫含量。

低溫壓力容器制造過程中的檢查和檢驗(yàn)，是保證容器制造質(zhì)量的手段。1)尺寸檢查。零部件的尺寸檢查保證了低溫容器組裝時(shí)各個(gè)部件的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，避免結(jié)構(gòu)突變，還能避免因強(qiáng)力組裝而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。安裝尺寸的檢查可保證低溫容器在現(xiàn)場的順利安裝，安裝尺寸是衡量制造質(zhì)量最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一。2)無損檢測。應(yīng)按照GB150和JB/T4730的要求對容器進(jìn)行無損檢測，通過無損檢測，可以發(fā)現(xiàn)并去除目視檢查所不能發(fā)現(xiàn)的內(nèi)外部缺陷。無損檢測一般是在焊接完畢后熱處理之前進(jìn)行。

綜上所述，合理的選材是防止低溫脆性破壞的首要關(guān)鍵因素；充分理解各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對低溫壓力容器材料的具體要求是防止低溫脆性破壞的必要條件；提高鋼材的冶煉水平，控制合金元素的含量和改善組織結(jié)構(gòu)是提高材料低溫性能的有效手段；新材料的研制開發(fā)是防止低溫壓力容器脆性破壞的發(fā)展方向。

[1] 王秀英，陳禮昌. 低溫壓力容器設(shè)計(jì)制造淺析[J]. 乙烯工業(yè)，2014，(02)：26-28+50+5.

[2] 高軍. 低溫壓力容器用鋼及其焊接與檢測[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2011，(05)：162-163.