低溫壓力容器

關于低溫壓力容器30.04.2024130.04.20242概況

低溫技術是19世紀末在液態(tài)空氣工業(yè)上發(fā)展起來的，隨著科學技術的進步，低溫技術在近30年中得到了迅速發(fā)展和廣泛應用。低溫壓力容器是低溫工業(yè)過程的關鍵設備。碳鋼和低合金鋼制低溫壓力容器的特點是容易產(chǎn)生低溫脆性破壞。低溫脆斷是在沒有預兆的情況下突然發(fā)生的，危害性很大，因此在選材、試驗方法和制造等方面均要采取措施，防止低溫脆斷事故發(fā)生。鋁、鈦、奧氏體不銹鋼制低溫壓力容器則沒有低溫脆斷的情況。對于深低溫條件下運行的容器，應有良好的低溫絕熱結構和密封結構。

表1常見的低溫工業(yè)過程第2頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.20243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(jīng)驗的總結，包括了失效、破壞的經(jīng)驗總結。所以各國根據(jù)各自的使用經(jīng)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。目前世界各國按規(guī)則設計的壓力容器規(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。

表2各國鋼制容器規(guī)范的低溫界線第3頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.20244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(液氧、液氮和液氬可以互換)第4頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.20245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5頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.20246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(液氧、液氮和液氬可以互換)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(nèi)膽；15、增壓管。第6頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.20247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(nèi)容器；3、吊桿；4、排液閥；5、排液管。第7頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.20248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第8頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.20249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

第9頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202410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10頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202411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11頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202412低溫壓力容器的結構材料

低溫壓力容器的內(nèi)膽常采用奧氏體不銹鋼、鋁合金、銅合金；液化天然氣的內(nèi)膽也可采用9%Ni鎳鋼和36%Ni鋼；液氟容器的內(nèi)膽多用蒙乃爾合金或不銹鋼。低溫壓力容器的外殼通常采用碳鋼（如Q235、16MnR等）。內(nèi)膽與外殼連接管道和構件常用熱導率小的奧氏體不銹鋼、蒙乃爾合金。第12頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202413低溫鋼制壓力容器（標準規(guī)范）

國內(nèi)：⑴GB150-1998《鋼制壓力容器》；⑵《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》；⑶JB4732《鋼制壓力容器分析設計標準》。國外：⑴美國ASME鍋爐壓力容器規(guī)范Ⅷ-1、Ⅷ-2；⑵英國BS5500-97《非直接受火熔焊壓力容器規(guī)范》；⑶德國AD《壓力容器規(guī)范》；⑷日本JISB8270-1993《壓力容器基礎標準》；⑸日本JISB8240-1993《制冷用壓力容器結構》；⑹法國CODAP-1995《壓力容器構造》。第13頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202414低溫鋼制壓力容器（低應力脆性斷裂）

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。本世紀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)生低應力脆斷，造成了巨大的損失。低應力脆斷具有下列特點：

a、斷裂時容器名義應力低于材料的屈服強度，在斷裂之前沒有或者只有局部極小的塑性變形；

b、裂紋擴展速率大；

c、低應力脆斷多屬解理斷裂或準解理斷裂（穿晶斷裂），及脆性斷裂（沿晶斷裂），斷口有晶粒狀特點，光亮和平滑；

d、低應力脆斷往往發(fā)生在有缺口或裂紋的容器上，并以筒體自身存在的各種工藝缺陷及雜質(zhì)作為裂紋源；

e、斷裂一般發(fā)生在較低溫度下，此時材料的韌性很差。通過對金屬斷裂機理進行分析，發(fā)現(xiàn)金屬的低溫韌性，即缺口尖端處的金屬微觀塑性變形能力是決定壓力容器抵抗應力脆斷破壞的能力。第14頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202415低溫鋼制壓力容器-低溫韌性影響因素

1、晶體結構因素：體心立方結構的鐵素體鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，脆性斷裂傾向較大；面心立方結構金屬如銅、鋁、鎳和奧氏體鋼則沒有這種溫度效應，即不產(chǎn)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(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(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(diào)質(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)更為明顯。第15頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202416低溫壓力容器用鋼的韌性要求

早期的ASME規(guī)范，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，因而對高強度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(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(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16頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202417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，包括：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。

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(jù)。

2、英國BS5500-97《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W(wǎng)ES3003《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17頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202418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鋁鎮(zhèn)靜鋼和鎳系低溫鋼

1、低溫鋁鎮(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、（GB150《鋼制壓力容器》、GB3531《低溫用壓力容器用鋼板》。

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

08MnNiMoVD(-40℃，AKV≥47J)；10Ni3MoD(-50℃，AKV≥47J)；09Mn2VD(-50℃，AKV≥27J)；20MnMoD(-30℃，AKV≥27J)；16MnD(-40℃，AKV≥20J)；09MnNiD(-70℃，AKV≥27J)。第18頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202419防止低應力脆斷的設計原則

目前所有的容器規(guī)范對低溫壓力容器的設計，是根據(jù)室溫抗拉強度或屈服強度所決定的許用應力進行設計。該方法能有效地防止發(fā)生大塑性變形的破壞。如何確定需要的韌性水平，應根據(jù)采用何種原則決定。第一種原則：允許存在一定的缺陷，但應能防止開裂。在焊接部位一般來說存在缺陷較多且韌性較差。而斷裂總是從缺陷和韌性較差的地方開始的。因此采用這一原則時必須測定熱影響區(qū)和熔合線的性能。要求韌性最差的地方能承受外載荷所產(chǎn)生的應變。第二種原則：允許有缺陷存在并有可能自韌性較差的焊接區(qū)開裂，主要靠母材來防止裂紋擴展而避免產(chǎn)生斷裂事故。由于焊接接頭金屬、熔合線和熱影響區(qū)的韌性較母材差，所以裂紋往往沿著焊接接頭區(qū)而擴展，因而用這種方法來防止脆斷并不可靠。第三種原則：允許自缺陷處發(fā)生開裂，而容器的各個部位均能止裂。它存在二個缺點。①、采用這種防止脆斷方法時要選用韌性非常好的材料，這意味著材料成本費非常高昂；②、作為一個絕對安全準則的有效性是和結構類型有關的。對帶缺陷容器的爆破試驗結果表明，在完全液壓狀態(tài)下止裂較容易，在氣壓或帶有部分氣體的液壓情況下，由于系統(tǒng)中儲藏的能量較大，止裂較困難或須設計專門的止裂結構。而對于石油化工及制冷空分行業(yè)的低溫壓力容器來說，其內(nèi)部介質(zhì)往往是氣相、氣液二相，因此不能用止裂原則來防止低溫力脆斷。由此可見，對于低溫壓力容器最適當?shù)姆乐勾鄶嗟霓k法是第一種原則即防止開裂原則。目前世界各國的壓力容器規(guī)范都采用這一原則。第19頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202420低溫低應力工況⑴

1、1972年德國AD規(guī)范首先在低溫容器中，把使用溫度和應力水平聯(lián)系在一起綜合考慮。試驗表明如焊接構件在使用前，先在高于材料無塑性轉(zhuǎn)變溫度下進行超載試驗，只要這個預加的試驗載荷與操作時應力是同種類型和同樣方向，則脆性斷裂就不會在低于預加的試驗載荷下發(fā)生。因此水壓試驗為焊態(tài)容器在低應力工況下避免脆性開裂提供保證。

2、在制冷和空分設備中，Q235-A·F曾用于-196℃的制氧蓄冷器，鑄鐵設備也成功地應用于低溫場合。從制冷劑溫度與飽和蒸氣壓關系可知，采用標準沸騰溫度大于-50℃的制冷劑的制冷壓力容器，設計壓力與低溫下的工作壓力的比值都在6以上。當容器的工作壓力由介質(zhì)的飽和蒸汽壓決定，且殼體的一次總體薄膜應力僅考慮由內(nèi)壓引起，在低溫工況下，其應力水平是相當?shù)偷摹?/p>

3、日本焊接學會證實外加應力對最低使用溫度有影響，一般許用應力由σS//2降到σS//6，使用溫度可降低30℃左右。第20頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202421低溫低應力工況⑵

GB150對“低溫低應力工況”作了定義，系指在低溫操作條件下，其環(huán)向應力≤鋼材標準常溫屈服點的六分之一，且＜50Mpa時的工況。在“低溫低應力工況”，若設計溫度加上50℃后高于-20℃，則不必遵循低溫壓力容器的有關規(guī)定；若設計溫度調(diào)整后低于或等于-20℃時，按調(diào)整后的設計溫度執(zhí)行低溫壓力容器的有關規(guī)定，沖擊試驗溫度也≤調(diào)整后的設計溫度。“低溫低應力工況”不適用于鋼材標準抗拉強度下限值大于540MPa的低溫容器。第21頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202422低溫低應力工況⑶

隨著斷裂力學不斷發(fā)展和低溫壓力容器應用范圍日益擴大，世界各國容器的規(guī)范或標準中都規(guī)定了低應力工況下低溫壓力容器特殊處理方法。第22頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202423低溫鋼制壓力容器的制造要點⑴

1.低溫鋼材牌號：低溫壓力容器用鋼按韌性達到的最低使用溫度來分類。圖紙和設計資料審查時應注意：所用鋼材（板材、管材、鍛件及其它受壓元件材料）牌號是否是低溫用鋼，所用溫度范圍是否符合標準規(guī)定。

2.鋼材發(fā)放和標記移植：低溫壓力容器材料用錯將產(chǎn)生重大隱患。因此，鋼材發(fā)放必須嚴格執(zhí)行有關管理規(guī)定。材料監(jiān)檢抽查要特別注意材料質(zhì)保書和領料單內(nèi)容的審查，現(xiàn)場巡檢應重點檢查標記移植情況。材料的標記應采用油漆，不得打鋼印。

3、低溫鋼材的沖擊試驗和韌性要求：低溫壓力容器及其受壓元件所采用的鋼材，必須進行低溫夏比V形缺口沖擊試驗。試驗方法：鋼材的沖擊試驗方法，應符合GB4159《金屬低溫夏比沖擊試驗方法》的有關規(guī)定。沖擊試樣為10mm×10mm×55mm標準試樣。若無法制備標準試樣時，也可采用7.5mm×10mm×55mm、5mm×10mm×55mm的小尺寸試樣，小尺寸試樣的缺口寬度一般應小于鋼材名義厚度的80%。第23頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202424低溫鋼制壓力容器的制造要點⑵

4、試驗溫度低溫壓力容器用鋼的沖擊試驗溫度須低于或等于容器或其受壓元件的設計溫度。當容器或其受壓元件使用在“低溫低應力工況”時，鋼材的沖擊試驗溫度須低于或等于調(diào)整后的設計溫度。

5、沖擊功指標鋼材試驗溫度下的沖擊功指標，按鋼材標準規(guī)定的最低抗拉強度的具體要求須滿足表規(guī)定。小試樣的沖擊功指標根據(jù)試樣寬度按比率縮減。表低溫夏比（V形缺口）沖擊試驗最低沖擊功規(guī)定值注：1.試驗溫度下三個試樣的沖擊功平均值不得低于表4-5的規(guī)定；其中單個試樣的沖擊功可小于平均值，但不得小于平均值的70%。

2.抗拉強度大于650MPa的螺栓等鋼材的沖擊功值按抗拉強度等于650MPa的要求，但40CrNiMo的低溫沖擊功應不小于31J（三個試樣平均值）。第24頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202425低溫鋼制壓力容器的制造要點⑶

6、免做低溫夏比（V形缺口）沖擊試驗的規(guī)定低溫壓力容器用鋼若符合下列條件之一者可免做低溫夏比（V形缺口）沖擊試驗。（1）因鋼材的尺寸限制，無法制備5mm×10mm×55mm沖擊試樣者，且設計溫度不低于－45℃者；（2）在GB150所列的低碳鋼和碳錳鋼鋼管，因鋼管尺寸限制，無法制備5mm×10mm×55mm沖擊試樣，且設計溫度不低于表15.1-2；（3）螺母用鋼；（4）在“低溫低應力工況”下使用的容器或受壓元件所用鋼材；（5）含碳量≤0.10%的標準鉻鎳奧氏體不銹鋼，設計溫度高于或等于－196℃者。第25頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202426低溫鋼制壓力容器的制造要點⑷

7、焊接材料的選用原則低溫壓力容器用鋼焊接材料選擇必須保證焊接接頭含有的有害雜質(zhì)硫、磷、氧、氮最少，尤其是含Ni鋼應嚴格限制雜質(zhì)含量，因為雜質(zhì)含量增加，會明顯降低焊接接頭的韌性。與低溫受壓元件焊接的非受壓附件焊接接頭，當承載較大時，應按受壓元件焊接接頭同樣要求；當承載較小時，可按焊接性要求選用相應的焊接材料。低溫壓力容器受壓元件或受壓元件與非受壓元件焊接用手工電弧焊焊條應選用GB5117《碳鋼焊條》和GB5118《低合金焊條》低氫堿性焊條。埋弧焊焊劑應選用堿性或中性焊劑。

8、產(chǎn)品焊接試板鐵素體鋼產(chǎn)品焊接試板的低溫沖擊試驗規(guī)定如下：鐵素體鋼之間的焊接一般應采用鐵素體型焊接材料（9%Ni鋼除外）。焊接接頭的低溫沖擊試驗溫度以及焊接接頭金屬、熔合線、熱影響區(qū)低溫沖擊功要求應符合圖樣或相關技術文件規(guī)定，且不得小于27J。第26頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202427低溫鋼制壓力容器的制造要點⑸

9、鐵素體鋼之間的異種鋼焊接用焊接材料一般按韌性要求較高側的母材選用。焊接接頭金屬的沖擊試驗溫度應不高于兩側母材中的較低者。異種鋼焊接工藝評定和產(chǎn)品焊接試板熱處理狀態(tài)應與容器使用狀態(tài)相同。性能符合下列要求：①、焊接接頭拉伸和彎曲試驗要求符合兩側母材中的較低要求；②、低溫沖擊功要求應符合圖樣或相關技術文件規(guī)定，且不得小于27J。

10.奧氏體鋼的焊接材料選用注意事項⑴奧氏體鋼之間的焊接材料選用應符合下列要求：①、焊接接頭金屬含碳量≤0.10%；②、焊接接頭金屬的化學成分應符合GB983《不銹鋼焊條》中E0-19-10、E00-19-10、E00-23-13和GB4233《惰性氣體保護焊接用不銹鋼棒及鋼絲》、GB4242《焊接用不銹鋼鋼絲》中H0Cr21Ni10、H00Cr21Ni10、H0Cr26Ni21的要求；③、設計溫度低于－100℃時，應按JB4708《鋼制壓力容器焊接工藝評定》進行焊接接頭低溫夏比（V形缺口）沖擊試驗，并符合標準中表4-5要求。第27頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202428低溫鋼制壓力容器的制造要點⑹

⑵鐵素體鋼與奧氏體鋼之間焊接的有關注意事項

鐵素體鋼與奧氏體鋼之間異種鋼焊接，一般應選用Cr23Ni13或Cr26Ni21型高鉻鎳或鎳基焊接材料，焊后原則上不再進行消除應力熱處理。該類異種鋼焊接應符合下列要求：①、焊接接頭抗拉強度不低于兩側母材最低抗拉強度較小值；②、鐵素體鋼側的熔合線和熱影響區(qū)的沖擊功應按鐵素體鋼的抗拉強度要求；③、接頭應作側彎試驗，試驗方法按GB150確定。

11、現(xiàn)場焊接質(zhì)量監(jiān)檢控制要點低溫壓力容器的現(xiàn)場焊接必須嚴格按照評定合格的焊接工藝施焊。焊接線能量增大會導致焊縫及熱影響區(qū)的韌性下降。因此要最大限度地減小過熱，采用小的焊接線能量。焊接線能量的監(jiān)督可通過控制電流、電壓、焊接速度、以及規(guī)定每根焊條的焊接長度等方法進行。在多道焊時，應盡可能降低焊道間的溫度（層間溫度），即盡可能不要連續(xù)施焊?？焖俣嗟篮赣欣诰Я＜毣?，提高焊縫的韌性。第28頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202429低溫鋼制壓力容器的制造要點⑺

12、低溫容器結構應盡可能限制峰值應力及各種局部應力：①、結構盡可能簡單，減少焊接件的約束；②、避免產(chǎn)生過大的溫度梯度；③、盡量避免結構形狀的突然變化，以減少局部高應力；焊縫不允許存在咬邊，所有咬邊必須打磨消除。④、焊接時不應使用不連續(xù)焊或筒節(jié)組對用點焊連接；⑤、容器支座或支腿需設置墊板，不得直接焊在殼體上。具體做法包括：各幾何形狀不連續(xù)的連接元件之間應有足夠大的過渡圓弧半徑；厚薄不一致的連接件之間應有足夠斜度的削薄過渡；盡可能使各構件在外載荷作用下可以自由變形，不受約束；各支座和容器受壓元件的接觸處應設置墊板，使局部載荷盡可能均勻地作用在各受壓元件上；在加熱或冷卻物料的進出口處，應盡量使流體和受壓元件均勻接觸；優(yōu)先采用厚壁管補強或整體鍛件補強結構而盡量少用補強圈結構；圓筒或封頭上的開孔盡可能在徑向開孔；盡可能采用整體法蘭；各類焊接接頭盡可能采用全熔透結構。第29頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202430鋁合金制壓力容器⑴

鋁在地殼外層16Km范圍內(nèi)約占有7.5%,儲量不僅比鐵(4.7%)多，而且比其他有色金屬的總和還多。鋁合金主要用作耐腐蝕容器、防鐵污染容器及低溫壓力容器。鋁是面心立方晶格，沒有其他同素異構體，低溫下不存在象鐵素體鋼那樣的脆性轉(zhuǎn)變。鋁合金主要用于制作耐腐蝕、防鐵污染和低溫容器。我國已經(jīng)設計、制造和使用了大量的鋁合金容器。技術上取得一定經(jīng)驗。我國在發(fā)布JB741-80《鋼制焊接壓力容器技術條件》之前就制訂了JB1580-75《鋁制焊接容器技術條件》，但只包括了制造、檢驗方面的內(nèi)容，沒有包括設計、材料方面的內(nèi)容。90和99版《容規(guī)》均包括了鋁合金容器有關安全技術的內(nèi)容。

JB/T4734-2002《鋁制焊接容器》是國內(nèi)第一個內(nèi)容完整（包括設計、選材、制造和檢驗）的鋁制壓力容器標準。包括了壓力容器和常壓容器。也包含了全鋁和襯鋁兩種焊制容器。設計壓力≤8MPa，使用溫度下限為-269℃。

第30頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202431鋁合金制壓力容器⑵

國外標準：美國、日本、前蘇聯(lián)、德國、英國、法國等均有鋁制壓力容器的標準。其中德國、英國、法國除鋁制壓力容器外，沒有列入其他有色金屬的標準。①、美國ASME鍋爐壓力容器規(guī)范；②、英國BS5500《非直接受火熔焊壓力容器規(guī)范》AA章；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《非直接火壓力容器規(guī)范》M13節(jié)等；⑦、前蘇聯(lián)гост26158《有色金屬容器和構件強度計算方法的一般要求》。國內(nèi)標準：①、GB151《管殼式換熱器》；②、JB/T2549《鋁制空氣分離設備制造技術規(guī)范》；③、GB11640《鋁合金無縫氣瓶》；④、HGJ29-1990《鋁襯里設備》；⑤、GB10479-89《鋁制鐵道罐車技術條件》。⑥、JB/T4734-2002《鋁制焊接容器》第31頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202432鋁合金制壓力容器應用特點

⑴鋁在一些氧化性介質(zhì)中有良好的耐蝕性，在高溫濃硝酸中，純鋁的耐蝕性優(yōu)于不銹鋼。鋁容器的應用之一是耐腐蝕。⑵對腐蝕產(chǎn)物含鐵會污染物料的工藝流程，鋼不能滿足要求。鋁有較好的抗腐蝕性，而且可以防鐵污染。鋁容器的應用之二是防鐵污染。⑶鋁是面心立方晶格，沒有其他同素異構體。低溫下不存在脆性轉(zhuǎn)變。鋁容器的應用之三是低溫容器。⑷在各種金屬容器中，鋁容器是強度和剛度最低的容器，是相對重量最輕的容器，也是允許使用溫度最低的容器。第32頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202433鋁合金制壓力容器用材特點

⑴GB/T3190-1996《變形鋁及鋁合金化學成分》中有143個牌號，容器用鋁只取用部分牌號，主要為鋁鎂合金和鋁錳合金。按照德、法兩國對鋁材的要求，容器用鋁基本上選用伸長率（橫向）不低于14%的變形鋁。⑵為了得到好的塑性，純鋁、鋁錳合金和鋁鎂合金的變形鋁材都只在退火狀態(tài)或熱作狀態(tài)使用，不采用冷作狀態(tài)。熱作狀態(tài)鋁的焊接接頭，焊接熱對熱影響區(qū)有退火作用，因而其許用應力取退火狀態(tài)鋁材的許用應力。只有鋁鎂硅合金和鋁銅合金采用固溶時效狀態(tài)，以保證其高強度。⑶鎂在鋁中的極限溶解度為14.9%，但室溫溶解度僅為0.34%，鎂含量較高時，會鋁鎂合金在某些介質(zhì)中產(chǎn)生應力腐蝕敏感性，只有在65℃以下使用才不會產(chǎn)生應力腐蝕，因此含鎂量超過了3%的鋁鎂合金規(guī)定設計溫度不超過65℃。同時析出相過多也會降低沖擊韌性，因此含鎂量超過3%的鋁鎂合金及其焊接接頭應檢驗沖擊韌性。其他鋁和鋁容器，包括低溫鋁容器均不要求進行沖擊韌性檢驗。⑷鋁沒有同素異構體，純鋁、鋁錳合金、鋁鎂合金等不可能通過熱處理相變來提高強度，稱為不可熱處理強化鋁。鋁鎂硅合金可通過固溶時效析出Mg2Si強化相提高強度，鋁銅合金可通過固溶時效提高強度，稱為可熱處理強化鋁。⑸鋁和鋼可以爆炸復合，但國內(nèi)尚沒有標準和標準產(chǎn)品，因此一般不用復合板制造容器。⑹我國尚無適用的鋁鍛件國標或行標，本標準中只推薦一些鋁鍛件。

第33頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202434鋁合金制壓力容器設計特點

⑴鋁材比普通鋼材稍貴，尤其是鋁的強度比鋼低得多，純鋁在較高溫度下比鋼的強度更低。因而容器常用襯鋁結構，由鋼層承載，襯鋁層起耐蝕與防止鐵污染的作用。⑵常溫下鋁的線膨脹系數(shù)為22.9×10-6/℃，而鐵素體鋼為11.7×10-6/℃，襯鋁容器設計中應考慮附加熱應力。⑶選用鋁材除應考慮耐均勻腐蝕性能外，還應考慮晶間腐蝕、點腐蝕、應力腐蝕等性能。⑷鋁和鋼不能熔焊，襯鋁層常用蓋板搭接焊結構，鋼件上也不能堆焊鋁。⑸鋁容器耐沖蝕性能不好，高速流體的沖擊和磨會破壞鋁表面的鈍化膜，對介質(zhì)的流速應予以限制。腐蝕性介質(zhì)的流速應低于1.5m/s，清水的流速應低于6m/s。⑹鋁很軟，用作螺栓容易咬死，鋁容器中應盡量使用鋼螺栓。鋁螺栓也應采用強度高的鋁。⑺在濃硝酸等介質(zhì)中，鋁焊縫的耐蝕性比母材差得較多，采用無縫旋壓鋁筒可獲得較好的效果。第34頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202435鋁合金制容器的制造檢驗特點

⑴鋁在高溫下易與空氣中的氧反應，鋁容器焊接時要有良好的保護。鋁容器的焊接主要采用氬弧焊。⑵鋁的熱導率和比熱容約為鐵素體鋼的兩倍多，鋁的熱導率則是奧氏體不銹鋼的十幾倍，因而鋁的焊接應盡量采用能量集中、功率大的能源。⑶焊接時鋁熔池凝固時的體收縮率約為鋼的兩倍，因而鋁焊縫容易產(chǎn)生縮孔、縮松及熱裂紋。⑷鋁焊接熔池易吸收氫等氣體，焊縫易產(chǎn)生氣孔。熔池中進入氧化鋁易形成夾渣。焊前清除焊件與焊絲的氧化膜、水分、油污、有機物等對鋁的焊接很重要。⑸鋁焊接熔池金屬固態(tài)與液態(tài)沒有明顯的色澤差別，焊接對應注意掌握。⑹鋁容器焊后一般不要求熱處理。⑺鋁無磁性，表面無損檢測不能用磁性法，常用滲透法。第35頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202436鈦合金制壓力容器⑴

鈦在地殼外層10英里范圍內(nèi)約占有0.4%,儲量在金屬中僅次于鋁、鐵、鎂占第四位，世界海綿鈦的年產(chǎn)能力超過10萬噸。由于鈦合金優(yōu)異的耐腐蝕性，在現(xiàn)代工業(yè)的應用也更為廣泛。鈦是面心立方晶格，沒有其他同素異構體，低溫下不存在脆性轉(zhuǎn)變。我國生產(chǎn)的鈦材約有75%用于制造容器和換熱器。自從1965年制造了第一臺在鈦合金容器以來，我國已經(jīng)設計、制造和使用了數(shù)萬噸鈦合金容器。技術上取得一定經(jīng)驗。在鈦材的設計、制造、檢驗、使用、維修等方面也制訂一系列專業(yè)標準。90和99版《容規(guī)》均包括了鈦合金容器有關安全技術的內(nèi)容。GB151《管殼式換熱器》包括了鈦制管殼式換熱容器。GB16409《板式換熱器》包括了鈦制板式換熱容器。

JB/T4745-2002《鈦制焊接容器》是國內(nèi)第一個內(nèi)容完整（包括設計、選材、制造和檢驗）的鈦制壓力容器標準。包括了壓力容器和常壓容器。包含了全鈦容器、襯鈦容器和復合板制容器。該標準的編制形式和GB150相似。鈦合金容器最低設計溫度可達-269℃。設計壓力≤35MPa。第36頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202437鈦合金制壓力容器⑵國外標準：美國、日本、前蘇聯(lián)、德國、英國、法國等均有鈦制壓力容器的標準。。①、美國ASME鍋爐壓力容器規(guī)范；②、英國CP3003《化工容器和設備的襯里》第九節(jié)；③、日本JISB8240《制冷用壓力容器結構》；④、法國CODAP《非直接火壓力容器規(guī)范》規(guī)定安全系數(shù)；⑤、俄OCT26-01-279《鈦制容器與設備，強度計算公式與方法》；俄РДРТМ26-01-114《鈦制容器與設備，靜載下開孔補強的計算公式與方法》；俄РДРТМ26-01-114《鈦合金АТ3制法蘭聯(lián)接的容器與設備強度與密封的計算方法》；俄РДРТМ26-01-133《鈦與鈦合金制容器與設備，考慮低周載荷時的強度計算公式與方法》；俄OCT26-Ⅱ-06《鈦與鈦合金制容器與設備，一般技術條件》。國內(nèi)標準：①JB/T4745-2002《鈦制焊接容器》②、GB151《管殼式換熱器》；③、GB16409《板式換熱器》。第37頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202438鈦合金制壓力容器應用特點

⑴、鈦是面心立方晶格，沒有其他同素異構體。低溫下不存在脆性轉(zhuǎn)變，可在航空航天工業(yè)制造移動式低溫容器（重量輕、高比強度）。但由于價格昂貴，通常很少用于制造固定式低溫容器。⑵、在海水、鹽水等含氯介質(zhì)中，碳鋼、低合金鋼、不銹鋼和鋁合金耐蝕性比較差，約有50%的鈦容器用于抗含氯介質(zhì)的腐蝕。⑶、鈦在發(fā)煙硝酸、干氯氣、甲醇、三氯乙烯、液態(tài)四氧化二氮、熔融金屬鹽、四氯化碳、尿吡啶、溴蒸汽等介質(zhì)可能發(fā)生燃燒、爆炸或應力腐蝕，鈦容器對這些介質(zhì)應回避或慎用。⑷、鈦在溫度超過500℃的純氧或1200℃的空氣中會發(fā)生燃燒，因此鈦容器不得在有純氧或空氣的情況下接觸明火。⑸、鈦材和鈦容器一般不要求考核沖擊韌性。第38頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202439鈦合金制壓力容器用材特點

⑴、鈦的熔煉在真空條件下進行，要消耗大量的能量。單位重量鈦材的價格約為普通鋼材的50倍、不銹鋼材的8倍。因此鈦材應合理使用。⑵、奧氏體鋼、鋁和鈦均沒有明顯的屈服現(xiàn)象，奧氏體鋼代之于屈服強度σ0.2，鋁代之于規(guī)定非比例伸長應力σP0.2，以及鈦代之于規(guī)定殘余伸長應力σR0.2⑶、容器用鈦的決定性指標是塑性而不是強度。容器用鈦只有在退火狀態(tài)才具有最好的塑性，同時具有最低的屈強比、最好的耐腐蝕性和焊接性能。因此容器用鈦的材料供貨狀態(tài)均為退火狀態(tài)。第39頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202440鈦合金制壓力容器設計特點

⑴、鈦容器的抗拉強度安全系數(shù)nb不得低于3，屈服強度（規(guī)定殘余伸長應力）不得低于1.5。鈦的屈強比常為0.6～0.8。因此溫度不高時，均以抗拉強度的計算作為決定性因素。鈦的許用應力也以抗拉強度作為主要依據(jù)。⑵、鈦容器不需要考慮晶間腐蝕的檢驗問題。⑶、介質(zhì)的流速如超過臨界流速，會破壞鈦材表面鈍化層，大大加劇腐蝕。設計時應注意介質(zhì)流速不得超過臨界流速。通常在常溫海水中，鈦的臨界流速不超過20m/s。⑷、雖然標準規(guī)定鈦容器的設計溫度可達300℃，但隨溫度的上升，強度下降明顯（比鋼明顯得多）。當溫度為200℃時的抗拉強度僅為室溫的2/3，當溫度為300℃時，鈦材的抗拉強度僅為室溫的一半。設計時應全面衡量，確定設計方案。⑸、鈦與鋼的復合板制造的容器，在焊接接頭處復合層鈦和基層鋼不能熔焊成一體，復層和基層在焊接接頭處沒有連接強度，因此鈦復合板的復合層不能參加強度計算。第40頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202441鈦合金制容器的制造檢驗特點

⑴、鈦比鋼、鋁、銅、鎳等的屈強比高，過量冷成形易開裂，成形量較大的工件宜采用熱成形。⑵、鈦在高溫下極易氧化，鈦容器的焊接主要采用真空或惰性氣體保護氬弧焊。⑶、鈦的彈性模量僅為鋼的一半，在同樣的焊接應力下，鈦的變形量也比鋼大一倍，焊接時應盡量減少焊接變形量。⑷、鈦容器的推薦消除應力退火處理溫度為：500～600℃，保溫15～60min，空冷。⑸、溫度不同，鈦表面氧化膜的顏色也不同。200℃以下為銀白色；300℃為淡黃色；400℃以下為金黃色；500℃為藍色；600℃為紫色；700～800℃為紅灰色；800～900℃為灰色。銀白色和淡黃色表示氬氣保護良好。⑹、鐵污染會使鈦容器局部產(chǎn)生氫脆，鈦容器制造完畢可用試劑紙進行鐵污染檢驗（鐵氰化鉀，呈藍色）。第41頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202442檢驗方案⑴

⑴、設備的基本參數(shù)：主要包括設計壓力、使用壓力、設計溫度、使用溫度、容器結構規(guī)格、材質(zhì)、使用介質(zhì)、容器類別、保溫層。⑵、檢驗依據(jù)：①壓力容器標準體系我國已經(jīng)形成以GB150<鋼制壓力容器>為核心的產(chǎn)品和另部件標準，組成壓力容器標準體系的基本框架。其設計壓力范圍（0．1～35Mpa）。②有關的壓力容器安全法規(guī)

1、法律：《特種設備安全監(jiān)察法》2、法規(guī)：《特種設備安全監(jiān)察條例》3、規(guī)章（管理規(guī)定、辦法）

4、技術法規(guī)：安全監(jiān)察規(guī)程類、培訓考核類、技術檢驗規(guī)則類。③壓力容器安全監(jiān)察法規(guī)和標準的關系壓力容器安全監(jiān)察法規(guī)是安全監(jiān)督的依據(jù)，壓力容器使用標準是產(chǎn)品設計制造檢驗和使用的依據(jù)。壓力容器安全監(jiān)察機構將依據(jù)勞動部門頒布的壓力容器安全監(jiān)察法規(guī)，根據(jù)壓力容器產(chǎn)品所使用標準的規(guī)定來控制、監(jiān)督壓力容器產(chǎn)品設計、制造和檢驗等各個環(huán)節(jié)，保證其的質(zhì)量及安全使用，二者相輔相成。第42頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202443檢驗方案⑵

⑶檢驗準備：⑷檢驗質(zhì)保體系：①質(zhì)保體系人員：技術總負責人、項目負責人、檢驗責任工程師、無損檢測責任工程師、材料責任工程師、安全員。②質(zhì)保體系有效運轉(zhuǎn)。⑸原始資料審查：設計文件圖紙、材料質(zhì)保書、制造質(zhì)保書、安裝質(zhì)保書、使用工況、實際工藝參數(shù)、歷次檢驗報告、修理改造記錄和歷次事故處理報告。⑹宏觀檢驗：⑺超聲測厚：⑻無損檢測：壓力容器行業(yè)強制性使用JB4730-94標準，包括五大常規(guī)檢測方法。目前正在修訂，擬包括鍋爐、壓力容器和壓力管道部分。⑼材料檢驗:

化學成份、金相檢驗、硬度、鐵素體含量檢驗、晶間腐蝕試驗、能譜試驗、光譜試驗、X、J系數(shù)測定、裂紋斷口取樣等。⑽強度校核：

GB150、JB4732標準等產(chǎn)品標準。第43頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202444檢驗方案⑶

⑾缺陷評定①70年代，合肥通用所等單位率先將斷裂力學用于在用壓力容器缺陷評估與壽命預測，并編制我國第一部壓力容器缺陷評定規(guī)范CVDA-84。建立在以D-M模型和寬板試驗為基礎的COD設計曲線基礎之上。②“七五”攻關期間，對含凹坑、氣孔、夾渣等體積型缺陷的壓力容器安全性進行了重點研究。③“八五”攻關期間，在J積分失效評定曲線和通用失效評定曲線為基礎的斷裂評定方法研究方面、體積型缺陷極限載荷與安定性分析評估技術研究方面、接管高應變區(qū)缺陷安全評估方法及綜合安全狀況等級評定研究等方面取得重大突破，編制國家標準《含缺陷壓力容器安全評定》④在“九五”攻關中，開展“在用重要壓力容器壽命預測技術研究”課題，重點考慮介質(zhì)環(huán)境對壓力容器安全性的影響。⑿缺陷處理；⒀水壓試驗；耐壓試驗是利用水或其他的加壓介質(zhì)，采用比設計壓力還要高的試驗壓力對壓力容器的焊縫、接管和母材進行一次綜合性的評價，以驗證其整體強度是否滿足設計要求。⒁氣密性試驗；⒂安全附件檢驗（檢驗單位校驗或是用戶自行處理）。⒃安全狀況等級和檢驗周期的確定（檢規(guī)）第44頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202445低溫乙烯球罐在用檢驗

20世紀80年代以前，中國高參數(shù)的大型球罐用高強鋼全部依靠進口，遠遠不能滿足國內(nèi)生產(chǎn)發(fā)展的要求。80年代初期中國武漢鋼鐵公司組織有關單位研制出σs≥490Mpa、σb≥610MPa的低碳微合金、低焊接裂紋敏感性的高強度07MnCrMoVR系列鋼（類似日本的CF-62鋼）。目前在中國國內(nèi)，07MnCrMoVR系列鋼制球罐的總數(shù)超過100臺，最低設計溫度達-40℃，其中進行焊后整體熱處理和未進行焊后整體熱處理的大約各占一半。大慶石化公司1500M3乙烯球罐是國內(nèi)首次采用國產(chǎn)07MnNiCrMoVDR制造的低溫球罐，屬“八五”國家重大技術裝備科技攻關項目。主要技術參數(shù)如下：設計壓力，2.254Mpa；設計溫度：－30～50℃；規(guī)格：SΦ14400×44mm。該球罐95年投產(chǎn)，96、98、2001年1進行三次開罐檢驗。第45頁,共53頁，2024年2月25日，星期天30.04.202446低溫乙烯球罐在用檢驗

2001年10月乙烯球罐開車時，由于乙烯氣體不慎帶液，導致氣溫急劇下降至-70℃。此時球罐壓力在0.6Mpa左右，采用降壓措施后，溫度繼續(xù)下降至－103℃，該過程前后長達18個小時。后經(jīng)大慶石化檢驗站100%的內(nèi)壁熒光磁粉檢測和100%UT，發(fā)現(xiàn)48處表面裂紋。采樣管角焊縫發(fā)現(xiàn)70mm和50mm兩處表面裂紋。廠方委托合肥通用所進行復驗處理。①、接管角焊縫以及裂紋附近焊縫、熱影響區(qū)、極板母材硬度正常。②、裂紋以穿晶為主，局部有沿晶特征。裂紋附近金相組織正常。③、采樣管角焊縫發(fā)現(xiàn)一圈斷續(xù)表面裂紋，打磨消除，最大深度為3mm。超聲發(fā)現(xiàn)整圈斷續(xù)未焊透和夾渣，最大長度30mm，自身高度為8mm。④、為了分析低溫沖擊對球罐安全性的影響，我們選用與該球罐同厚度、同材質(zhì)的鋼板進行對比試驗。⑤、分析研究表面裂紋消除后形成50×3mm的凹坑以及取樣管角焊縫整圈斷續(xù)未焊透和夾渣對球罐安全性的影響。通過以上幾方面的工作得出以下結論：

1、07MnNiCrMoVDR鋼及焊接接頭經(jīng)歷10小時低溫處理后，其常溫力學性能（拉伸、沖擊）和低溫（-40℃）沖擊韌性未發(fā)生明顯變化。線切割缺陷試樣常溫下在相當于許用應力的載荷條件下，缺陷尖端無擴展跡象。

2、取樣管角焊縫表面裂紋打磨消除后的凹坑不影響球罐安全使用；

3、球罐取樣管角焊縫的斷續(xù)未焊透缺陷經(jīng)安全分析后，可以保留；