低溫壓力容器的設(shè)計(jì)

低溫壓力容器的設(shè)計(jì)第一頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/132低溫壓力容器的低溫界限

1、按常規(guī)設(shè)計(jì)的壓力容器規(guī)范多采用經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，包括失效、破壞的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。所以各國根據(jù)各自的使用經(jīng)驗(yàn)，人為劃分低溫界線。我國壓力容器規(guī)范多年來習(xí)慣把小于或等于-20℃作為低溫界線。實(shí)踐表明這樣劃分具有足夠的安全性。目前世界各國按常規(guī)設(shè)計(jì)的壓力容器規(guī)范，對低溫壓力容器劃分的溫度界限各不相同，如表2所示。

2、按應(yīng)力分析法設(shè)計(jì)的壓力容器規(guī)范要求容器在整個使用（包括制造）過程中，無論在常溫或低溫下使用，都應(yīng)具有一致的韌性要求，以防止在各個使用環(huán)節(jié)上發(fā)生脆性斷裂。因此，按應(yīng)力分析法進(jìn)行設(shè)計(jì)的壓力容器規(guī)范，如ASMEⅧ-2，中國的JB4732都不劃分低溫與常溫的溫度界限。國家美國日本德國法國英國規(guī)范名稱ASMEⅧ-1JISB8270AD規(guī)范非直接火受壓設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范BS5500低溫界線＜－30℃＜－10℃＜－10℃≤－20℃＜0℃

表2各國按常規(guī)設(shè)計(jì)鋼制容器規(guī)范的低溫界線第二頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/133低溫壓力容器和管道的典型結(jié)構(gòu)⑴

⑴液氧、液氮和液氬壓力容器

圖115L杜瓦容器1蓋2內(nèi)頸管3內(nèi)膽4外殼5拉手6支承墊7鋁殼8吸附劑9彈簧10抽氣管11抽氣管護(hù)罩第三頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/134低溫壓力容器和管道的典型結(jié)構(gòu)⑵

⑴液氧、液氮和液氬壓力容器

圖2CF-100000液氧儲槽1、儀表箱；2、液氧蒸發(fā)器；3、抽真空管；4、蓋板第四頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/135低溫壓力容器和管道的典型結(jié)構(gòu)⑶

⑴液氧、液氮和液氬壓力容器圖3WYN-180型運(yùn)輸用低溫容器1、真空封口；2、支承；3、輸液管；4、定點(diǎn)液位計(jì)；5、引線管；6、擋板；7、外殼；8、吸附劑；9、安全閥；10、增壓系統(tǒng)；11、壓差液位計(jì)；12、蓋板；13、儀表板、14、內(nèi)膽；15、增壓管。第五頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/136低溫壓力容器和管道的典型結(jié)構(gòu)⑷

⑴液氧、液氮和液氬壓力容器

圖438M3鐵路液氧槽車1、外殼體；2、內(nèi)容器；3、吊桿；4、排液閥；5、排液管。第六頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/137低溫壓力容器和管道的典型結(jié)構(gòu)⑸

⑵液氫和液氦壓力容器

圖5液氮保護(hù)的液氫容器1液氮注入和排除2液氫閥3液氫注入和排除4輻射屏5聚四氟乙烯緩沖塊6疊片絕熱支承7氮排氣管8氫排氣管9氫安全閥10氮安全閥第七頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/138低溫壓力容器和管道的典型結(jié)構(gòu)⑹

⑵液氫和液氦壓力容器

圖6100L多屏絕熱液氦容器

1抽氣鉛管2鉛管護(hù)罩3頸管4銅翅片5多層絕熱6外殼7傳導(dǎo)屏8內(nèi)膽9加強(qiáng)圈10支承短管11吸附腔12吊鉤13不銹鋼絲繩14底座第八頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/139低溫壓力容器和管道的典型結(jié)構(gòu)⑺

⑶液化天然氣儲存容器圖7東京煤氣公司130000M3地下液化天然氣儲罐第九頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/1310低溫壓力容器和管道的典型結(jié)構(gòu)⑻

⑷低溫液體輸送壓力管道及設(shè)備圖8低溫閥門1、擺動桿；2、可拆卸的罩；3、閥。第十頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/1311低溫壓力容器的結(jié)構(gòu)材料

低溫壓力容器內(nèi)膽常采用奧氏體不銹鋼、鋁合金、銅合金（鈦）；液化天然氣的內(nèi)膽也可用9%Ni鎳鋼和36%Ni鋼（鎳合金）；液氟容器內(nèi)膽多用蒙乃爾合金或不銹鋼。低溫壓力容器外殼常用碳鋼（如Q235、16MnR等）。內(nèi)膽與外殼連接管道和構(gòu)件常用奧氏體不銹鋼、蒙乃爾合金。低溫液體名稱化學(xué)符號沸點(diǎn)（℃）采用的金屬材料容器結(jié)構(gòu)硫化氫H2S－60.33.5Ni鋼06MnNb鋼雙壁二氧化碳CO2－78.4乙炔C2H2－84.02乙烷C2H6－88.63乙烯C2H4－103.715.5Ni鋼、9Ni鋼鋁合金36%Ni鋼氪Kr－153.36甲烷CH4－161.45氧O2－182.939Ni鋼、銅鋁合金0Cr18Ni9Ti20Mn23Al真空型絕熱氬r－185.86氟F2－188.12氮N2－195.8氖Ne－246.06鋁合金、銅銅、0Cr18Ni9Ti15Mn26Al4真空型絕熱重氫D2－249.49氫H2－252.77氦He－268.93第十一頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/1312

低溫鋼制壓力容器（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范）

國內(nèi)：

1GB150-1998《鋼制壓力容器》；

2《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》；

3JB4732《鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。國外：

1美國ASME鍋爐壓力容器規(guī)范Ⅷ-1、Ⅷ-2；

2英國BS5500-1997《非直接受火熔焊壓力容器規(guī)范》；

3德國AD《壓力容器規(guī)范》；

4日本JISB8270-1993《壓力容器基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》；

5日本JISB8240-1993《制冷用壓力容器結(jié)構(gòu)》；

6法國CODAP-1995《壓力容器構(gòu)造》。第十二頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/1313低溫鋼制壓力容器（低溫用鋼）

19世紀(jì)末以來，在嚴(yán)寒地帶的鐵軌、橋梁和結(jié)構(gòu)件曾發(fā)生一系列低溫脆性斷裂事故。鋼的冷脆是壓力容器材料脆化最重要的類型。所謂冷脆性是指金屬材料在低溫下呈現(xiàn)韌性降低，脆性增大的現(xiàn)象。對于在低溫下工作的受壓元件，考慮鋼材冷脆性是選用鋼材的基本要求。對于高溫下工作的承壓設(shè)備，雖然在運(yùn)行狀態(tài)下塑性良好，但在室溫下進(jìn)行水壓試驗(yàn)時，仍有可能發(fā)生脆性破壞，這也屬于冷脆問題。本世紀(jì)紀(jì)40年代以來，許多壓力容器、管道、化工設(shè)備及大型結(jié)構(gòu)等焊接結(jié)構(gòu)，多次發(fā)生脆性破壞，造成了巨大的損失。為了避免發(fā)生破壞，在水壓試驗(yàn)時規(guī)定了不同的最低溫度值。當(dāng)溫度逐漸降低時，材料的破壞型式將由延性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，其轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。這是材料低溫韌性的重要指標(biāo)。第十三頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/1314低溫鋼制壓力容器-影響低溫韌性因素

1、晶體結(jié)構(gòu)因素：體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，脆性斷裂傾向較大；面心立方結(jié)構(gòu)金屬如銅、鋁、鎳和奧氏體鋼則沒有這種溫度效應(yīng)，即不產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷。

2、化學(xué)成分的影響：對低溫壓力容器而言，增加含碳量將增大材料的脆性，提高脆性轉(zhuǎn)變溫度，低溫用鋼含碳量不超過0.2%。錳、鎳改善鋼材低溫韌性，少量V、Ti、Nb、Al彌散析出碳化物和氮化物，進(jìn)行沉淀強(qiáng)化改善鋼材低溫韌性。

3、晶粒度的影響：晶粒尺寸是影響鋼低應(yīng)力脆斷重要因素。細(xì)晶粒使金屬有較高斷裂強(qiáng)度，且使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低。

4、夾雜物的影響：磷易產(chǎn)生晶界偏析，鋼中的氧以各種氧化物的形式在晶界析出，顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷。

5、熱處理和顯微組織影響：對鋼的低應(yīng)力脆斷有很大影響。調(diào)質(zhì)處理可以改善鋼材低溫韌性，但回火溫度不應(yīng)過高；正火處理用得最多；退火處理組織粗大，一般不采用。

6、冷變形的影響：冷變形使鋼的韌性降低，應(yīng)變時效使低溫韌性惡化，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。

7、應(yīng)力狀態(tài)的影響：焊接接頭中有裂紋存在又具有殘余應(yīng)力時，低應(yīng)力脆斷性質(zhì)更為明顯。第十四頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/1315低溫壓力容器用鋼的韌性要求

大部分國家將低溫容器設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在選材上，并在制造、結(jié)構(gòu)上加以某些限制。早期的ASME規(guī)范，對于低碳鋼及某些低合金鋼制成的容器，在低溫工作時要求其材料的夏比（V形缺口）沖擊試驗(yàn)沖擊功不小于20J。該規(guī)定是建立在大量的破壞事故及其材料試驗(yàn)基礎(chǔ)上的，對當(dāng)時規(guī)范所推薦鋼板的大量夏比（V形缺口）沖擊試驗(yàn)結(jié)構(gòu)中，發(fā)現(xiàn)起裂型鋼板的最大沖擊功約為14J，傳裂型鋼板最大沖擊功不超過18J，大于27J的均屬于止裂型?；诋?dāng)時的研究結(jié)果，將V形缺口）沖擊試驗(yàn)沖擊功AKV=20J作為材料在其最低使用溫度下的韌性考核指標(biāo)。到了1953年，由于使用了較高強(qiáng)度的鋼種，其臨界轉(zhuǎn)變溫度基點(diǎn)轉(zhuǎn)移到AKV沖擊功曲線的較高位置上去了，20J的AKV沖擊功指標(biāo)并不能避免脆斷的發(fā)生。因而對高強(qiáng)度鋼而言，不同的鋼種應(yīng)分別對指標(biāo)進(jìn)行校正（或附加側(cè)向膨脹量≥0.38mm)。

目前國外容器規(guī)范采用20J作為低碳鋼在最低工作溫度或設(shè)計(jì)溫度下鋼材缺口韌性唯一判據(jù)的有：美國ASMEⅧ-1及Ⅷ-2，法國規(guī)范等。AD規(guī)范W10采用DVM試樣的沖擊功作為判據(jù)，即在設(shè)計(jì)溫度下的DVM試樣沖擊功韌性為橫向35J/cm2，此值相當(dāng)于采用V形缺口夏比試樣，在設(shè)計(jì)溫度提高10℃的試驗(yàn)溫度下達(dá)到縱向27J。一般認(rèn)為在采用相同試樣型式的前提下，縱橫向的沖擊功之比大約為1∶0.7。

GB150參考采用了ASMEⅧ-1的有關(guān)規(guī)定，以20J作為低碳鋼強(qiáng)度級別的鋼材的驗(yàn)收判據(jù)。對鋼板來講國內(nèi)要求橫向取樣，其沖擊功要求并不低于國外規(guī)則對鋼材的韌性要求。第十五頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/1316鋼材低溫韌性的評定方法

自40年代鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂引起人們重視以來，各國對鋼材低溫韌性的評定方法以及評定指標(biāo)進(jìn)行了廣泛的研究及試驗(yàn)。其中與壓力容器關(guān)系較為密切的試驗(yàn)方法有下列幾種：低溫沖擊韌性試驗(yàn)（V形缺口、U形缺口、DVM試樣）；落錘試驗(yàn)；全厚度的大型試驗(yàn)（寬板試驗(yàn)、雙重拉伸試驗(yàn)、ESSO試驗(yàn)）；斷裂力學(xué)試驗(yàn)（平面應(yīng)變斷裂韌性KIC及裂紋尖端張開位移COD法）。其中以低溫夏比（V形缺口）沖擊試驗(yàn)應(yīng)用最為廣泛，低溫壓力容器用鋼的沖擊試驗(yàn)溫度應(yīng)低于或等于殼體或主要受壓元件的最低設(shè)計(jì)溫度。并以在沖擊試驗(yàn)中對應(yīng)的一定的吸收功AKV（J）或一定的斷口纖維百分率的溫度，即脆性轉(zhuǎn)變溫度來評定材料的低溫韌性。

1、美國ASME規(guī)范Ⅷ-1、Ⅷ-2；日本JIS8243；德國AD《壓力容器規(guī)范》；法國CODAP-1995《壓力容器構(gòu)造》以（V形缺口）沖擊試驗(yàn)為依據(jù)。

2、英國BS5500-1997《非直接受火熔焊壓力容器規(guī)范》以寬板試驗(yàn)為基礎(chǔ)，以（V形缺口）沖擊試驗(yàn)為工程評定方法；

3、日本W(wǎng)ES3003《低溫結(jié)構(gòu)用鋼板評定基準(zhǔn)》及JISB8250《壓力容器構(gòu)造-另一標(biāo)準(zhǔn)》以溫度梯度型雙重拉伸試驗(yàn)，以ESSO試驗(yàn)為基礎(chǔ)，以缺口沖擊試驗(yàn)作為工程評定方法。

4、美國ASME規(guī)范Ⅲ《核動力裝置設(shè)備》是國外唯一的以斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)的規(guī)范，采用缺口沖擊試驗(yàn)及落錘試驗(yàn)作為工程的評定方法。

第十六頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/1317低溫壓力容器用鋼板和鍛件

一、國內(nèi)、外常用的低溫用鋼主要采用低溫鎮(zhèn)靜鋼和鎳系低溫鋼

1、低溫鎮(zhèn)靜鋼：16MnDR、09Mn2VDR、09MnTiCuRe、06MnVAl、06AlNbCuN

2、鎳系低溫鋼①0.5～2.25%Ni（-70℃）②3.5%Ni（-101℃）③5%Ni（–120～–170℃）④9%Ni廣泛用于液氧儲罐,強(qiáng)度高,具有良好的低溫韌性。（-196℃）（2.5Ni(-60℃，AKV≥47J)；3.5Ni(-100℃，AKV≥47J)；9Ni(-170℃，AKV≥47J)；15Mn26A14(-253℃，AKV≥47J)；

3、奧氏體不銹鋼：1Cr18Ni9(-196℃（AKV≥47J)）～700℃）二、低溫壓力容器用鋼板（GB150《鋼制壓力容器》、GB3531《低溫用壓力容器鋼板》。16MnDR(-40℃，AKV≥24J)；15MnNiDR(-45℃，AKV≥27J)；09Mn2VDR(-40℃，AKV≥27J)；09MnNiDR(-40℃，AKV≥27J)；07MnNiCrMoVDR(-40℃，AKV≥47J)。三、低溫壓力容器用鋼鍛件

09Mn2VD(-50℃，AKV≥27J)；20MnMoD(-30℃，AKV≥27J)；08MnNiMoVD(-40℃，AKV≥47J)；10Ni3MoD(-50℃，AKV≥47J)；16MnD(-40℃，AKV≥20J)；09MnNiD(-70℃，AKV≥27J)。第十七頁，共十九頁，2022年，8月28日2023/3/1318防止低應(yīng)力脆斷的設(shè)計(jì)原則

目前所有的容器規(guī)范對低溫壓力容器