低溫壓力容器的設計

低溫壓力容器的設計第1頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/302低溫壓力容器的低溫界限

1、按常規(guī)設計的壓力容器規(guī)范多采用經驗的總結，包括失效、破壞的經驗總結。所以各國根據各自的使用經驗，人為劃分低溫界線。我國壓力容器規(guī)范多年來習慣把小于或等于-20℃作為低溫界線。實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)設計的壓力容器規(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、按應力分析法設計的壓力容器規(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，按應力分析法進行設計的壓力容器規(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)范非直接火受壓設備設計規(guī)范BS5500低溫界線＜－30℃＜－10℃＜－10℃≤－20℃＜0℃

表2各國按常規(guī)設計鋼制容器規(guī)范的低溫界線第2頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/303低溫壓力容器和管道的典型結構⑴

⑴液氧、液氮和液氬壓力容器

圖115L杜瓦容器1蓋2內頸管3內膽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抽氣管護罩第3頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/304低溫壓力容器和管道的典型結構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4頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/305低溫壓力容器和管道的典型結構⑶

⑴液氧、液氮和液氬壓力容器圖3WYN-180型運輸用低溫容器1、真空封口；2、支承；3、輸液管；4、定點液位計；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；12、蓋板；13、儀表板、14、內膽；15、增壓管。第5頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/306低溫壓力容器和管道的典型結構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、內容器；3、吊桿；4、排液閥；5、排液管。第6頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/307低溫壓力容器和管道的典型結構⑸

⑵液氫和液氦壓力容器

圖5液氮保護的液氫容器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7頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/308低溫壓力容器和管道的典型結構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鉛管護罩3頸管4銅翅片5多層絕熱6外殼7傳導屏8內膽9加強圈10支承短管11吸附腔12吊鉤13不銹鋼絲繩14底座第8頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/309低溫壓力容器和管道的典型結構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9頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/3010低溫壓力容器和管道的典型結構⑻

⑷低溫液體輸送壓力管道及設備圖8低溫閥門1、擺動桿；2、可拆卸的罩；3、閥。第10頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/3011低溫壓力容器的結構材料

低溫壓力容器內膽常采用奧氏體不銹鋼、鋁合金、銅合金（鈦）；液化天然氣的內膽也可用9%Ni鎳鋼和36%Ni鋼（鎳合金）；液氟容器內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）。內膽與外殼連接管道和構件常用奧氏體不銹鋼、蒙乃爾合金。低溫液體名稱化學符號沸點（℃）采用的金屬材料容器結構硫化氫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11頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/3012

低溫鋼制壓力容器（標準規(guī)范）

國內：

1GB150-1998《鋼制壓力容器》；

2《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》；

3JB4732《鋼制壓力容器分析設計標準》。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《壓力容器基礎標準》；

5日本JISB8240-1993《制冷用壓力容器結構》；

6法國CODAP-1995《壓力容器構造》。第12頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/3013低溫鋼制壓力容器（低溫用鋼）

19世紀末以來，在嚴寒地帶的鐵軌、橋梁和結構件曾發(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備，雖然在運行狀態(tài)下塑性良好，但在室溫下進行水壓試驗時，仍有可能發(fā)生脆性破壞，這也屬于冷脆問題。本世紀紀40年代以來，許多壓力容器、管道、化工設備及大型結構等焊接結構，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，在水壓試驗時規(guī)定了不同的最低溫度值。當溫度逐漸降低時，材料的破壞型式將由延性斷裂轉變?yōu)榇嘈詳嗔眩滢D變點的溫度稱為韌脆轉變溫度。這是材料低溫韌性的重要指標。第13頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/3014低溫鋼制壓力容器-影響低溫韌性因素

1、晶體結構因素：體心立方結構的鐵素體鋼脆性轉變溫度較高，脆性斷裂傾向較大；面心立方結構金屬如銅、鋁、鎳和奧氏體鋼則沒有這種溫度效應，即不產生低應力脆斷。

2、化學成分的影響：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，進行沉淀強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力脆斷重要因素。細晶粒使金屬有較高斷裂強度，且使脆性轉變溫度降低。

4、夾雜物的影響：磷易產生晶界偏析，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變溫度，導致低應力脆斷。

5、熱處理和顯微組織影響：對鋼的低應力脆斷有很大影響。調質處理可以改善鋼材低溫韌性，但回火溫度不應過高；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，應變時效使低溫韌性惡化，脆性轉變溫度升高。

7、應力狀態(tài)的影響：焊接接頭中有裂紋存在又具有殘余應力時，低應力脆斷性質更為明顯。第14頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/3015低溫壓力容器用鋼的韌性要求

大部分國家將低溫容器設計重點放在選材上，并在制造、結構上加以某些限制。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基礎上的，對當時規(guī)范所推薦鋼板的大量夏比（V形缺口）沖擊試驗結構中，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。基于當時的研究結果，將V形缺口）沖擊試驗沖擊功AKV=20J作為材料在其最低使用溫度下的韌性考核指標。到了1953年，由于使用了較高強度的鋼種，其臨界轉變溫度基點轉移到AKV沖擊功曲線的較高位置上去了，20J的AKV沖擊功指標并不能避免脆斷的發(fā)生。因而對高強度鋼而言，不同的鋼種應分別對指標進行校正（或附加側向膨脹量≥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計溫度下鋼材缺口韌性唯一判據的有：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，即在設計溫度下的DVM試樣沖擊功韌性為橫向35J/cm2，此值相當于采用V形缺口夏比試樣，在設計溫度提高10℃的試驗溫度下達到縱向27J。一般認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的有關規(guī)定，以20J作為低碳鋼強度級別的鋼材的驗收判據。對鋼板來講國內要求橫向取樣，其沖擊功要求并不低于國外規(guī)則對鋼材的韌性要求。第15頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/3016鋼材低溫韌性的評定方法

自40年代鋼結構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進行了廣泛的研究及試驗。其中與壓力容器關系較為密切的試驗方法有下列幾種：低溫沖擊韌性試驗（V形缺口、U形缺口、DVM試樣）；落錘試驗；全厚度的大型試驗（寬板試驗、雙重拉伸試驗、ESSO試驗）；斷裂力學試驗（平面應變斷裂韌性KIC及裂紋尖端張開位移COD法）。其中以低溫夏比（V形缺口）沖擊試驗應用最為廣泛，低溫壓力容器用鋼的沖擊試驗溫度應低于或等于殼體或主要受壓元件的最低設計溫度。并以在沖擊試驗中對應的一定的吸收功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《壓力容器構造》以（V形缺口）沖擊試驗為依據。

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

3、日本WES3003《低溫結構用鋼板評定基準》及JISB8250《壓力容器構造-另一標準》以溫度梯度型雙重拉伸試驗，以ESSO試驗為基礎，以缺口沖擊試驗作為工程評定方法。

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

第16頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/3017低溫壓力容器用鋼板和鍛件

一、國內、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17頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/3018防止低應力脆斷的設計原則

目前所有的容器規(guī)范對低溫壓力容器