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低温压力容器及管道系统在用检验 合肥通用所压力容器检验站袁榕关卫和 2020 3 20 2 概况 低温技术是19世纪末在液态空气工业上发展起来的 随着科学技术的进步 低温技术在近30年中得到了迅速发展和广泛应用 低温压力容器和管道系统是低温工业过程的关键设备 碳钢和低合金钢制低温压力容器的特点是容易产生低温脆性破坏 低温脆断是在没有预兆的情况下突然发生的 危害性很大 因此在选材 试验方法和制造等方面均要采取措施 防止低温脆断事故发生 铝及铝合金 钛及钛合金 铜及铜合金 镍及镍合金和奥氏体不锈钢等制低温压力容器则没有低温脆断的情况 对于深低温条件下运行的容器 应有良好的低温绝热结构和密封结构 表1常见的低温工业过程 2020 3 20 3 低温压力容器的低温界限 1 按常规设计的压力容器规范多采用经验的总结 包括失效 破坏的经验总结 所以各国根据各自的使用经验 人为划分低温界线 我国压力容器规范多年来习惯把小于或等于 20 作为低温界线 实践表明这样划分具有足够的安全性 目前世界各国按常规设计的压力容器规范 对低温压力容器划分的温度界限各不相同 如表2所示 2 按应力分析法设计的压力容器规范要求容器在整个使用 包括制造 过程中 无论在常温或低温下使用 都应具有一致的韧性要求 以防止在各个使用环节上发生脆性断裂 因此 按应力分析法进行设计的压力容器规范 如ASME 2 中国的JB4732都不划分低温与常温的温度界限 表2各国按常规设计钢制容器规范的低温界线 2020 3 20 4 低温压力容器和管道的典型结构 液氧 液氮和液氩压力容器 图115L杜瓦容器 2020 3 20 5 低温压力容器和管道的典型结构 液氧 液氮和液氩压力容器 图2CF 100000液氧储槽 1 仪表箱 2 液氧蒸发器 3 抽真空管 4 盖板 2020 3 20 6 低温压力容器和管道的典型结构 液氧 液氮和液氩压力容器 图3WYN 180型运输用低温容器 1 真空封口 2 支承 3 输液管 4 定点液位计 5 引线管 6 挡板 7 外壳 8 吸附剂 9 安全阀 10 增压系统 11 压差液位计 12 盖板 13 仪表板 14 内胆 15 增压管 2020 3 20 7 低温压力容器和管道的典型结构 液氧 液氮和液氩压力容器 图438M3铁路液氧槽车 1 外壳体 2 内容器 3 吊杆 4 排液阀 5 排液管 2020 3 20 8 低温压力容器和管道的典型结构 液氢和液氦压力容器 图5液氮保护的液氢容器 2020 3 20 9 低温压力容器和管道的典型结构 液氢和液氦压力容器 图6100L多屏绝热液氦容器 2020 3 20 10 低温压力容器和管道的典型结构 液化天然气储存容器 图7东京煤气公司130000M3地下液化天然气储罐 2020 3 20 11 低温压力容器和管道的典型结构 低温液体输送压力管道及设备 图8低温阀门 1 摆动杆 2 可拆卸的罩 3 阀 2020 3 20 12 低温压力容器的结构材料 低温压力容器内胆常采用奥氏体不锈钢 铝合金 铜合金 钛 液化天然气的内胆也可用9 Ni镍钢和36 Ni钢 镍合金 液氟容器内胆多用蒙乃尔合金或不锈钢 低温压力容器外壳常用碳钢 如Q235 16MnR等 内胆与外壳连接管道和构件常用奥氏体不锈钢 蒙乃尔合金 2020 3 20 13 低温钢制压力容器 标准规范 国内 1GB150 1998 钢制压力容器 2 压力容器安全技术监察规程 3JB4732 钢制压力容器分析设计标准 国外 1美国ASME锅炉压力容器规范 1 2 2英国BS5500 1997 非直接受火熔焊压力容器规范 3德国AD 压力容器规范 4日本JISB8270 1993 压力容器基础标准 5日本JISB8240 1993 制冷用压力容器结构 6法国CODAP 1995 压力容器构造 2020 3 20 14 低温钢制压力容器 低温用钢 19世纪末以来 在严寒地带的铁轨 桥梁和结构件曾发生一系列低温脆性断裂事故 钢的冷脆是压力容器材料脆化最重要的类型 所谓冷脆性是指金属材料在低温下呈现韧性降低 脆性增大的现象 对于在低温下工作的受压元件 考虑钢材冷脆性是选用钢材的基本要求 对于高温下工作的承压设备 虽然在运行状态下塑性良好 但在室温下进行水压试验时 仍有可能发生脆性破坏 这也属于冷脆问题 本世纪纪40年代以来 许多压力容器 管道 化工设备及大型结构等焊接结构 多次发生脆性破坏 造成了巨大的损失 为了避免发生破坏 在水压试验时规定了不同的最低温度值 当温度逐渐降低时 材料的破坏型式将由延性断裂转变为脆性断裂 其转变点的温度称为韧脆转变温度 这是材料低温韧性的重要指标 2020 3 20 15 低温钢制压力容器 影响低温韧性因素 1 晶体结构因素 体心立方结构的铁素体钢脆性转变温度较高 脆性断裂倾向较大 面心立方结构金属如铜 铝 镍和奥氏体钢则没有这种温度效应 即不产生低应力脆断 2 化学成分的影响 对低温压力容器而言 增加含碳量将增大材料的脆性 提高脆性转变温度 低温用钢含碳量不超过0 2 锰 镍改善钢材低温韧性 少量V Ti Nb Al弥散析出碳化物和氮化物 进行沉淀强化改善钢材低温韧性 3 晶粒度的影响 晶粒尺寸是影响钢低应力脆断重要因素 细晶粒使金属有较高断裂强度 且使脆性转变温度降低 4 夹杂物的影响 磷易产生晶界偏析 钢中的氧以各种氧化物的形式在晶界析出 显著提高钢的脆性转变温度 导致低应力脆断 5 热处理和显微组织影响 对钢的低应力脆断有很大影响 调质处理可以改善钢材低温韧性 但回火温度不应过高 正火处理用得最多 退火处理组织粗大 一般不采用 6 冷变形的影响 冷变形使钢的韧性降低 应变时效使低温韧性恶化 脆性转变温度升高 7 应力状态的影响 焊接接头中有裂纹存在又具有残余应力时 低应力脆断性质更为明显 2020 3 20 16 低温压力容器用钢的韧性要求 大部分国家将低温容器设计重点放在选材上 并在制造 结构上加以某些限制 早期的ASME规范 对于低碳钢及某些低合金钢制成的容器 在低温工作时要求其材料的夏比 V形缺口 冲击试验冲击功不小于20J 该规定是建立在大量的破坏事故及其材料试验基础上的 对当时规范所推荐钢板的大量夏比 V形缺口 冲击试验结构中 发现起裂型钢板的最大冲击功约为14J 传裂型钢板最大冲击功不超过18J 大于27J的均属于止裂型 基于当时的研究结果 将V形缺口 冲击试验冲击功AKV 20J作为材料在其最低使用温度下的韧性考核指标 到了1953年 由于使用了较高强度的钢种 其临界转变温度基点转移到AKV冲击功曲线的较高位置上去了 20J的AKV冲击功指标并不能避免脆断的发生 因而对高强度钢而言 不同的钢种应分别对指标进行校正 或附加侧向膨胀量 0 38mm 目前国外容器规范采用20J作为低碳钢在最低工作温度或设计温度下钢材缺口韧性唯一判据的有 美国ASME 1及 2 法国规范等 AD规范W10采用DVM试样的冲击功作为判据 即在设计温度下的DVM试样冲击功韧性为横向35J cm2 此值相当于采用V形缺口夏比试样 在设计温度提高10 的试验温度下达到纵向27J 一般认为在采用相同试样型式的前提下 纵横向的冲击功之比大约为1 0 7 GB150参考采用了ASME 1的有关规定 以20J作为低碳钢强度级别的钢材的验收判据 对钢板来讲国内要求横向取样 其冲击功要求并不低于国外规则对钢材的韧性要求 2020 3 20 17 钢材低温韧性的评定方法 自40年代钢结构的脆性断裂引起人们重视以来 各国对钢材低温韧性的评定方法以及评定指标进行了广泛的研究及试验 其中与压力容器关系较为密切的试验方法有下列几种 低温冲击韧性试验 V形缺口 U形缺口 DVM试样 落锤试验 全厚度的大型试验 宽板试验 双重拉伸试验 ESSO试验 断裂力学试验 平面应变断裂韧性KIC及裂纹尖端张开位移COD法 其中以低温夏比 V形缺口 冲击试验应用最为广泛 低温压力容器用钢的冲击试验温度应低于或等于壳体或主要受压元件的最低设计温度 并以在冲击试验中对应的一定的吸收功AKV J 或一定的断口纤维百分率的温度 即脆性转变温度来评定材料的低温韧性 1 美国ASME规范 1 2 日本JIS8243 德国AD 压力容器规范 法国CODAP 1995 压力容器构造 以 V形缺口 冲击试验为依据 2 英国BS5500 1997 非直接受火熔焊压力容器规范 以宽板试验为基础 以 V形缺口 冲击试验为工程评定方法 3 日本WES3003 低温结构用钢板评定基准 及JISB8250 压力容器构造 另一标准 以温度梯度型双重拉伸试验 以ESSO试验为基础 以缺口冲击试验作为工程评定方法 4 美国ASME规范 核动力装置设备 是国外唯一的以断裂力学理论为基础的规范 采用缺口冲击试验及落锤试验作为工程的评定方法 2020 3 20 18 低温压力容器用钢板和锻件 一 国内 外常用的低温用钢主要采用低温镇静钢和镍系低温钢1 低温镇静钢 16MnDR 09Mn2VDR 09MnTiCuRe 06MnVAl 06AlNbCuN2 镍系低温钢 0 5 2 25 Ni 70 3 5 Ni 101 5 Ni 120 170 9 Ni广泛用于液氧储罐 强度高 具有良好的低温韧性 196 2 5Ni 60 AKV 47J 3 5Ni 100 AKV 47J 9Ni 170 AKV 47J 15Mn26A14 253 AKV 47J 3 奥氏体不锈钢 1Cr18Ni9 196 AKV 47J 700 二 低温压力容器用钢板 GB150 钢制压力容器 GB3531 低温用压力容器钢板 16MnDR 40 AKV 24J 15MnNiDR 45 AKV 27J 09Mn2VDR 40 AKV 27J 09MnNiDR 40 AKV 27J 07MnNiCrMoVDR 40 AKV 47J 三 低温压力容器用钢锻件09Mn2VD 50 AKV 27J 20MnMoD 30 AKV 27J 08MnNiMoVD 40 AKV 47J 10Ni3MoD 50 AKV 47J 16MnD 40 AKV 20J 09MnNiD 70 AKV 27J 2020 3 20 19 防止低应力脆断的设计原则 目前所有的容器规范对低温压力容器的设计 是根据室温抗拉强度或屈服强度所决定的许用应力进行设计 该方法能有效地防止发生大塑性变形的破坏 如何确定需要的韧性水平 应根据采用何种原则决定 第一种原则 允许存在一定的缺陷 但应能防止开裂 在焊接部位一般来说存在缺陷较多且韧性较差 而断裂总是从缺陷和韧性较差的地方开始的 因此采用这一原则时必须测定热影响区和熔合线的性能 要求韧性最差的地方能承受外载荷所产生的应变 第二种原则 允许有缺陷存在并有可能自韧性较差的焊接区开裂 主要靠母材来防止裂纹扩展而避免产生断裂事故 由于焊接接头金属 熔合线和热影响区的韧性较母材差 所以裂纹往往沿着焊接接头区而扩展 因而用这种方法来防止脆断并不可靠 第三种原则 允许自缺陷处发生开裂 而容器的各个部位均能止裂 它存在二个缺点 采用这种防止脆断方法时要选用韧性非常好的材料 这意味着材料成本费非常高昂 作为一个绝对安全准则的有效性是和结构类型有关的 对带缺陷容器的爆破试验结果表明 在完全液压状态下止裂较容易 在气压或带有部分气体的液压情况下 由于系统中储藏的能量较大 止裂较困难或须设计专门的止裂结构 而对于石油化工及制冷空分行业的低温压力容器来说 其内部介质往往是气相 气液二相 因此不能用止裂原则来防止低温脆断 由此可见 对于低温压力容器最适当的防止脆断的办法是第一种原则即防止开裂原则 目前世界各国的压力容器规范都采用这一原则 2020 3 20 20 低温低应力工况 1 1972年德国AD规范首先在低温容器中 把使用温度和应力水平联系在一起综合考虑 试验表明如焊接构件在使用前 先在高于材料无塑性转变温度下进行超载试验 只要这个预加的试验载荷与操作时应力是同种类型和同样方向 则脆性断裂就不会在低于预加的试验载荷下发生 因此水压试验为焊态容器在低应力工况下避免脆性开裂提供保证 2 在制冷和空分设备中 Q235 A F曾用于 196 的制氧蓄冷器 铸铁设备也成功地应用于低温场合 从制冷剂温度与饱和蒸气压关系可知 采用标准沸腾温度大于 50 的制冷剂的制冷压力容器 设计压力与低温下的工作压力的比值都在6以上 当容器的工作压力由介质的饱和蒸汽压决定 且壳体的一次总体薄膜应力仅考虑由内压引起 在低温工况下 其应力水平是相当低的 3 日本焊接学会证实外加应力对最低使用温度有影响 一般许用应力由 S 2降到 S 6 使用温度可降低30 左右 4 AD规范把应力分为三类 一类按常温的设计应力 二类按常温设计许用应力的75 或50 三类按常温设计许用应力的25 如以DIN17100 组钢为例 在一类应力范围的许用工作温度为 10 二类应力水平的许用温度为 60 三类应力范围的许用工作温度为 85 见表4 2020 3 20 21 低温低应力工况 GB150对 低温低应力工况 作了定义 系指在低温操作条件下 其环向应力 钢材标准常温屈服点的六分之一 且 50MPa时的工况 在 低温低应力工况 若设计温度加上50 后高于 20 则不必遵循低温压力容器的有关规定 若设计温度调整后低于或等于 20 时 按调整后的设计温度执行低温压力容器的有关规定 冲击试验温度也 调整后的设计温度 低温低应力工况 不适用于钢材标准抗拉强度下限值大于540MPa的低温容器 2020 3 20 22 低温低应力工况 随着断裂力学不断发展和低温压力容器应用范围日益扩大 世界各国容器的规范或标准中都规定了低应力工况下低温压力容器特殊处理方法 2020 3 20 23 低温钢制压力容器的监检要点 1 低温钢材牌号选用低温压力容器用钢按韧性达到的最低使用温度来分类 图纸和设计资料审查时应注意 所用钢材 板材 管材 锻件及其它受压元件材料 牌号是否是低温用钢 所用温度范围是否符合标准规定 2 钢材发放和标记移植低温压力容器材料用错将产生重大隐患 因此 钢材发放必须严格执行有关管理规定 材料监检抽查要特别注意材料质保书和领料单内容的审查 现场巡检应重点检查标记移植情况 材料的标记应采用油漆 不得打钢印 3 低温钢材的冲击试验和韧性要求低温压力容器及其受压元件所采用的钢材 必须进行低温夏比V形缺口冲击试验 试验细节及要求如下 试验方法 钢材的冲击试验方法 应符合GB4159 金属低温夏比冲击试验方法 的有关规定 冲击试样为GB2106 金属夏比V形缺口冲击试验方法 规定的10mm 10mm 55mm标准试样 若无法制备标准试样时 也可采用7 5mm 10mm 55mm 5mm 10mm 55mm的小尺寸试样 小尺寸试样的缺口宽度一般应小于钢材名义厚度的80 试样的缺口应沿厚度方向 棒材沿径向 切取 并以三个试样为一组 2020 3 20 24 低温钢制压力容器的监检要点 4 试验温度低温压力容器用钢的冲击试验温度须低于或等于容器或其受压元件的设计温度 当容器或其受压元件使用在 低温低应力工况 时 钢材的冲击试验温度须低于或等于调整后的设计温度 5 冲击功指标钢材试验温度下的冲击功指标 按钢材标准规定的最低抗拉强度确定 具体要求须满足表15 1 1的规定 小试样的冲击功指标根据试样宽度按比率缩减 表低温夏比 V形缺口 冲击试验最低冲击功规定值 注 1 试验温度下三个试样的冲击功平均值不得低于表4 5的规定 其中单个试样的冲击功可小于平均值 但不得小于平均值的70 2 抗拉强度大于650MPa的螺栓等钢材的冲击功值按抗拉强度等于650MPa的要求 但40CrNiMo的低温冲击功应不小于31J 三个试样平均值 2020 3 20 25 低温钢制压力容器的监检要点 6 免做低温夏比 V形缺口 冲击试验的规定低温压力容器用钢若符合下列条件之一者可免做低温夏比 V形缺口 冲击试验 1 因钢材的尺寸限制 无法制备5mm 10mm 55mm冲击试样者 且设计温度不低于 45 者 2 在GB150所列的低碳钢和碳锰钢钢管 因钢管尺寸限制 无法制备5mm 10mm 55mm冲击试样 且设计温度不低于表15 1 2 3 螺母用钢 4 在 低温低应力工况 下使用的容器或受压元件所用钢材 5 含碳量 0 10 的标准铬镍奥氏体不锈钢 设计温度高于或等于 196 者 2020 3 20 26 低温钢制压力容器的监检要点 1 焊接材料的选用原则低温压力容器用钢焊接材料选择必须保证焊接接头含有的有害杂质硫 磷 氧 氮最少 尤其是含Ni钢应严格限制杂质含量 因为杂质含量增加 会明显降低焊接接头的韧性 与低温受压元件焊接的非受压附件焊接接头 当承载较大时 应按受压元件焊接接头同样要求 当承载较小时 可按焊接性要求选用相应的焊接材料 低温压力容器受压元件或受压元件与非受压元件焊接用手工电弧焊焊条应选用GB5117 碳钢焊条 和GB5118 低合金焊条 低氢碱性焊条 埋弧焊剂应选用碱性或中性焊剂 2 产品焊接试板铁素体钢产品焊接试板的低温冲击试验规定如下 铁素体钢之间的焊接一般应采用铁素体型焊接材料 9 Ni钢除外 焊接接头的低温冲击试验温度以及焊接接头金属 熔合线 热影响区低温冲击功要求应符合图样或相关技术文件规定 且不得小于27J 2020 3 20 27 低温压力容器的监检要点 3 铁素体钢之间的异种钢焊接用焊接材料一般按韧性要求较高侧的母材选用 焊接接头金属的冲击试验温度应不高于两侧母材中的较低者 异种钢焊接工艺评定和产品焊接试板热处理状态应与容器使用状态相同 性能符合下列要求 焊接接头拉伸和弯曲试验要求符合两侧母材中的较低要求 低温冲击功要求应符合图样或相关技术文件规定 且不得小于27J 4 奥氏体钢的焊接材料选用注意事项 奥氏体钢之间的焊接材料选用应符合下列要求 焊接接头金属含碳量 0 10 焊接接头金属的化学成分应符合GB983 不锈钢焊条 中E0 19 10 E00 19 10 E00 23 13和GB4233 惰性气体保护焊接用不锈钢棒及钢丝 GB4242 焊接用不锈钢钢丝 中H0Cr21Ni10 H00Cr21Ni10 H0Cr26Ni21的要求 设计温度低于 100 时 应按JB4708 钢制压力容器焊接工艺评定 进行焊接接头低温夏比 V形缺口 冲击试验 并符合标准中表4 5要求 2020 3 20 28 低温压力容器的监检要点 铁素体钢与奥氏体钢之间焊接的有关注意事项铁素体钢与奥氏体钢之间异种钢焊接 一般应选用Cr23Ni13或Cr26Ni21型高铬镍或镍基焊接材料 焊后原则上不再进行消除应力热处理 该类异种钢焊接应符合下列要求 焊接接头抗拉强度不低于两侧母材最低抗拉强度较小值 铁素体钢侧的熔合线和热影响区的冲击功应按铁素体钢的抗拉强度要求 接头应作侧弯试验 试验方法按GB150确定 5 现场焊接质量监检控制要点低温压力容器的现场焊接必须严格按照评定合格的焊接工艺施焊 焊接线能量增大会导致焊缝及热影响区的韧性下降 因此要最大限度地减小过热 采用小的焊接线能量 焊接线能量的监督可通过控制电流 电压 焊接速度 以及规定每根焊条的焊接长度等方法进行 在多道焊时 应尽可能降低焊道间的温度 层间温度 即尽可能不要连续施焊 快速多道焊有利于晶粒细化 提高焊缝的韧性 2020 3 20 29 低温压力容器的监检要点 低温容器结构应尽可能地限制峰值应力及各种局部应力 1 结构尽可能简单 减少焊接件的约束 2 避免产生过大的温度梯度 3 尽量避免结构形状的突然变化 以减少局部高应力 焊缝不允许存在咬边 所有咬边必须打磨消除 4 焊接时不应使用不连续焊或在筒节组对时用点焊连接 5 容器的支座或支腿需设置垫板 不得直接焊在壳体上 具体做法包括 各几何形状不连续的连接元件之间应有足够大的过渡圆弧半径 厚薄不一致的连接件之间应有足够斜度的削薄过渡 尽可能使各构件在外载荷作用下可以自由变形 不受约束 各支座和容器受压元件的接触处应设置垫板 使局部载荷尽可能均匀地作用在各受压元件上 在加热或冷却物料的进出口处 应尽量使流体和受压元件均匀接触 优先采用厚壁管补强或整体锻件补强结构而尽量少用补强圈结构 圆筒或封头上的开孔尽可能在径向开孔 尽可能采用整体法兰 各类焊接接头尽可能采用全熔透结构 2020 3 20 30 铝合金制压力容器 铝在地壳外层16Km范围内约占有7 5 储量不仅比铁 4 7 多 而且比其他有色金属的总和还多 铝合金主要用作耐腐蚀容器 防铁污染容器及低温压力容器 铝是面心立方晶格 没有其他同素异构体 低温下不存在象铁素体钢那样的脆性转变 铝合金主要用于制作耐腐蚀 防铁污染和低温容器 我国已经设计 制造和使用了大量的铝合金容器 技术上取得一定经验 我国在发布JB741 80 钢制焊接压力容器技术条件 之前就制订了JB1580 75 铝制焊接容器技术条件 但只包括了制造 检验方面的内容 没有包括设计 材料方面的内容 90和99版 容规 均包括了铝合金容器有关安全技术的内容 JB T4734 2002 铝制焊接容器 是国内第一个内容完整 包括设计 选材 制造和检验 的铝制压力容器标准 包括了压力容器和常压容器 也包含了全铝和衬铝两种焊制容器 设计压力 8MPa 使用温度下限为 269 2020 3 20 31 铝合金制压力容器 国外标准 美国 日本 前苏联 德国 英国 法国等均有铝制压力容器的标准 其中德国 英国 法国除铝制压力容器外 没有列入其他有色金属的标准 美国ASME锅炉压力容器规范 英国BS5500 非直接受火熔焊压力容器规范 AA章 德国AD压力容器规范 日本JISB8270 1993 压力容器基础标准 日本JISB8240 1993 制冷用压力容器结构 法国CODAP 1995 非直接火压力容器规范 M13节等 前苏联 26158 有色金属容器和构件强度计算方法的一般要求 国内标准 GB151 管壳式换热器 JB T2549 铝制空气分离设备制造技术规范 GB11640 铝合金无缝气瓶 HGJ29 1990 铝衬里设备 GB10479 89 铝制铁道罐车技术条件 JB T4734 2002 铝制焊接容器 2020 3 20 32 铝合金制压力容器应用特点 铝在一些氧化性介质中有良好的耐蚀性 在高温浓硝酸中 纯铝的耐蚀性优于不锈钢 铝容器的应用之一是耐腐蚀 对腐蚀产物含铁会污染物料的工艺流程 钢不能满足要求 铝有较好的抗腐蚀性 而且可以防铁污染 铝容器的应用之二是防铁污染 铝是面心立方晶格 没有其他同素异构体 低温下不存在脆性转变 铝容器的应用之三是低温容器 在各种金属容器中 铝容器是强度和刚度最低的容器 是相对重量最轻的容器 也是允许使用温度最低的容器 2020 3 20 33 铝合金制压力容器用材特点 GB T3190 1996 变形铝及铝合金化学成分 中有143个牌号 容器用铝只取用部分牌号 主要为铝镁合金和铝锰合金 按照德 法两国对铝材的要求 容器用铝基本上选用伸长率 横向 不低于14 的变形铝 为了得到好的塑性 纯铝 铝锰合金和铝镁合金的变形铝材都只在退火状态或热作状态使用 不采用冷作状态 热作状态铝的焊接接头 焊接热对热影响区有退火作用 因而其许用应力取退火状态铝材的许用应力 只有铝镁硅合金和铝铜合金采用固溶时效状态 以保证其高强度 镁在铝中的极限溶解度为14 9 但室温溶解度仅为0 34 镁含量较高时 会铝镁合金在某些介质中产生应力腐蚀敏感性 只有在65 以下使用才不会产生应力腐蚀 因此含镁量超过了3 的铝镁合金规定设计温度不超过65 同时析出相过多也会降低冲击韧性 因此含镁量超过3 的铝镁合金及其焊接接头应检验冲击韧性 其他铝和铝容器 包括低温铝容器均不要求进行冲击韧性检验 铝没有同素异构体 纯铝 铝锰合金 铝镁合金等不可能通过热处理相变来提高强度 称为不可热处理强化铝 铝镁硅合金可通过固溶时效析出Mg2Si强化相提高强度 铝铜合金可通过固溶时效提高强度 称为可热处理强化铝 铝和钢可以爆炸复合 但国内尚没有标准和标准产品 因此一般不用复合板制造容器 我国尚无适用的铝锻件国标或行标 本标准只推荐一些铝锻件 2020 3 20 34 铝合金制压力容器设计特点 铝材比普通钢材稍贵 尤其是铝的强度比钢低得多 纯铝在较高温度下比钢的强度更低 因而容器常用衬铝结构 由钢层承载 衬铝层起耐蚀与防止铁污染的作用 常温下铝的线膨胀系数为22 9 10 6 而铁素体钢为11 7 10 6 衬铝容器设计中应考虑附加热应力 选用铝材除应考虑耐均匀腐蚀性能外 还应考虑晶间腐蚀 点腐蚀 应力腐蚀等性能 铝和钢不能熔焊 衬铝层常用盖板搭接焊结构 钢件上也不能堆焊铝 铝容器耐冲蚀性能不好 高速流体的冲击和磨会破坏铝表面的钝化膜 对介质的流速应予以限制 腐蚀性介质的流速应低于1 5m s 清水的流速应低于6m s 铝很软 用作螺栓容易咬死 铝容器中应尽量使用钢螺栓 铝螺栓也应采用强度高的铝 在浓硝酸等介质中 铝焊缝的耐蚀性比母材差得较多 采用无缝旋压铝筒可获得较好的效果 2020 3 20 35 铝合金制容器的制造检验特点 铝在高温下易与空气中的氧反应 铝容器焊接时要有良好的保护 铝容器的焊接主要采用氩弧焊 铝的热导率和比热容约为铁素体钢的两倍多 铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍 因而铝的焊接应尽量采用能量集中 功率大的能源 焊接时铝熔池凝固时的体收缩率约为钢的两倍 因而铝焊缝容易产生缩孔 缩松及热裂纹 铝焊接熔池易吸收氢等气体 焊缝易产生气孔 熔池中进入氧化铝易形成夹渣 焊前清除焊件与焊丝的氧化膜 水分 油污 有机物等对铝的焊接很重要 铝焊接熔池金属固态与液态没有明显的色泽差别 焊接对应注意掌握 铝容器焊后一般不要求热处理 铝无磁性 表面无损检测不能用磁性法 常用渗透法 2020 3 20 36 钛合金制压力容器 钛在地壳外层10英里范围内约占有0 4 储量在金属中仅次于铝 铁 镁占第四位 世界海绵钛的年产能力超过10万吨 由于钛合金优异的耐腐蚀性 在现代工业的应用也更为广泛 钛是面心立方晶格 没有其他同素异构体 低温下不存在脆性转变 我国生产的钛材约有75 用于制造容器和换热器 自从1965年制造了第一台在钛合金容器以来 我国已经设计 制造和使用了数万吨钛合金容器 技术上取得一定经验 在钛材的设计 制造 检验 使用 维修等方面也制订一系列专业标准 90和99版 容规 均包括了钛合金容器有关安全技术的内容 GB151 管壳式换热器 包括了钛制管壳式换热容器 GB16409 板式换热器 包括了钛制板式换热容器 JB T4745 2002 钛制焊接容器 是国内第一个内容完整 包括设计 选材 制造和检验 的钛制压力容器标准 包括了压力容器和常压容器 包含了全钛容器 衬钛容器和复合板制容器 该标准的编制形式和GB150相似 钛合金容器最低设计温度可达 269 设计压力 35MPa 2020 3 20 37 钛合金制压力容器 国外标准 美国 日本 前苏联 德国 英国 法国等均有钛制压力容器的标准 美国ASME锅炉压力容器规范 英国CP3003 化工容器和设备的衬里 第九节 日本JISB8240 制冷用压力容器结构 法国CODAP 非直接火压力容器规范 规定安全系数 俄OCT26 01 279 钛制容器与设备 强度计算公式与方法 俄 26 01 114 钛制容器与设备 静载下开孔补强的计算公式与方法 俄 26 01 114 钛合金 3制法兰联接的容器与设备强度与密封的计算方法 俄 26 01 133 钛与钛合金制容器与设备 考虑低周载荷时的强度计算公式与方法 俄OCT26 06 钛与钛合金制容器与设备 一般技术条件 国内标准 JB T4745 2002 钛制焊接容器 GB151 管壳式换热器 GB16409 板式换热器 2020 3 20 38 钛合金制压力容器应用特点 钛是面心立方晶格 没有其他同素异构体 低温下不存在脆性转变 可在航空航天工业制造移动式低温容器 重量轻 高比强度 但由于价格昂贵 通常很少用于制造固定式低温容器 在海水 盐水等含氯介质中 碳钢 低合金钢 不锈钢和铝合金耐蚀性比较差 约有50 的钛容器用于抗含氯介质的腐蚀 钛在发烟硝酸 干氯气 甲醇 三氯乙烯 液态四氧化二氮 熔融金属盐 四氯化碳 尿吡啶 溴蒸汽等介质可能发生燃烧 爆炸或应力腐蚀 钛容器对这些介质应回避或慎用 钛在温度超过500 的纯氧或1200 的空气中会发生燃烧 因此钛容器不得在有纯氧或空气的情况下接触明火 钛材和钛容器一般不要求考核冲击韧性 2020 3 20 39 钛合金制压力容器用材特点 钛的熔炼在真空条件下进行 要消耗大量的能量 单位重量钛材的价格约为普通钢材的50倍 不锈钢材的8倍 因此钛材应合理使用 奥氏体钢 铝和钛均没有明显的屈服现象 奥氏体钢代之于屈服强度 0 2 铝代之于规定非比例伸长应力 P0 2 以及钛代之于规定残余伸长应力 R0 2 容器用钛的决定性指标是塑性而不是强度 容器用钛只有在退火状态才具有最好的塑性 同时具有最低的屈强比 最好的耐腐蚀性和焊接性能 因此容器用钛的材料供货状态均为退火状态 2020 3 20 40 钛合金制压力容器设计特点 钛容器的抗拉强度安全系数nb不得低于3 屈服强度 规定残余伸长应力 不得低于1 5 钛的屈强比常为0 6 0 8 因此温度不高时 均以抗拉强度的计算作为决定性因素 钛的许用应力也以抗拉强度作为主要依据 钛容器不需要考虑晶间腐蚀的检验问题 介质的流速如超过临界流速 会破坏钛材表面钝化层 大大加剧腐蚀 设计时应注意介质流速不得超过临界流速 通常在常温海水中 钛的临界流速不超过20m s 虽然标准规定钛容器的设计温度可达300 但随温度的上升 强度下降明显 比钢明显得多 当温度为200 时的抗拉强度仅为室温的2 3 当温度为300 时 钛材的抗拉强度仅为室温的一半 设计时应全面衡量 确定设计方案 钛与钢的复合板制造的容器 在焊接接头处复合层钛和基层钢不能熔焊成一体 复层和基层在焊接接头处没有连接强度 因此钛复合板的复合层不能参加强度计算 2020 3 20 41 钛合金制容器的制造检验特点 钛比钢 铝 铜 镍等的屈强比高 过量冷成形易开裂 成形量较大的工件宜采用热成形 钛在高温下极易氧化 钛容器的焊接主要采用真空或惰性气体保护氩弧焊 钛的弹性模量仅为钢的一半 在同样的焊接应力下 钛的变形量也比钢大一倍 焊接时应尽量减少焊接变形量 钛容器的推荐消除应力退火处理温度为 500 600 保温15 60min 空冷 温度不同 钛表面氧化膜的颜色也不同 200 以下为银白色 300 为淡黄色 400 以下为金黄色 500 为蓝色 600 为紫色 700 800 为红灰色 800 900 为灰色 银白色和淡黄色表示氩气保护良好 铁污染会使钛容器局部产生氢脆 钛容器制造完毕可用试剂纸进行铁污染检验 铁氰化钾 呈蓝色 2020 3 20 42 铜制压力容器 铜制压力容器是常用的有色金属压力容器之一 主要用于耐腐蚀容器 防铁离子污染容器 换热容器和低温容器 美国 日本 俄罗斯 德国等都有铜制压力容器标准 法国也在其压力容器标准中确定了铜制压力容器的安全系数等重要参数 99版 容规 对铜制压力容器的安全技术做出明确规定 我国已有了较完整的铜材与铜焊接材料的标准体系 有个别设备 如空分设备 已制定相应铜产品的标准 国内铜制压力容器的设计和制造已积累一定的经验 目前全国锅容标委会正在组织制定铜制压力容器的基础行业标准 JB T4755 铜制压力容器 标准的重点为材料和制造 由于铜制压力容器的结构形式 强度计算与钢相似 该部分内容均参照GB150 其焊接工艺评定和产品焊接试板部分均引用有关规定和标准只对铜材的特殊要求作出补充规定 该标准的制定将进一步提高铜制压力容器的设计 制造和使用水平 该标准适用于设计压力 35MPa 设计温度按铜材及其复合钢板允许的使用温度确定 通常使用温度不低于 198 时对铜材及焊接接头没有特殊要求 当使用温度低于 198 时应保证仍具有良好的拉伸断后伸长率 2020 3 20 43 镍及镍合金合金制压力容器 镍及镍合金制压力容器主要用于耐腐蚀容器 防铁离子污染容器 换热容器和低温容器 比不锈钢及其它有色金属制压力容器 在强酸 强碱等强腐蚀性介质中有更好的耐蚀性 且具有更高的使用温度 是一种重要的压力容器类型 美国 日本 俄罗斯 法国等均已制定相应的镍及镍合金制压力容器标准 99版 容规 对镍及镍合金制压力容器的安全技术做出明确规定 80 90年代已形成较完整的镍及镍合金材料与焊接材料的标准体系和生产体系 国内镍及镍合金制压力容器的设计和制造已积累一定的经验 目前全国锅容标委会正在组织制定镍及镍合金制压力容器基础行业标准 JB T4756 镍及镍合金制压力容器镍及镍合金制压力容器 标准的重点为材料和制造 由于镍及镍合金制压力容器的结构形式 强度计算与钢相似 该部分内容均参照GB150 其焊接工艺评定和产品焊接试板部分均引用有关规定和标准只对铜材的特殊要求作出补充规定 该标准的制定将进一步提高镍及镍合金制压力容器的设计 制造和使用水平 该标准适用于设计压力 35MPa 设计温度按铜材及其复合钢板允许的使用温度确定 通常使用温度不低于 198 时对镍及镍合金材料及焊接接头没有特殊要求 当使用温度低于 198 时应保证仍具有良好拉伸断后伸长率 以铬和钼为主要合金元素的镍合金比不锈钢具有更高的晶间腐蚀敏感性 在大部分强腐蚀性介质中工作的镍合金制压力容器都应进行晶间腐蚀敏感性试验 2020 3 20 44 检验方案 设备的基本参数 主要包括设计压力 使用压力 设计温度 使用温度 容器结构规格 材质 使用介质 容器类别 保温层 检验依据 压力容器标准体系我国已经形成以GB150为核心的产品和另部件标准 组成压力容器标准体系的基本框架 其设计压力范围 0 1 35Mpa 有关的压力容器安全法规1 法律 特种设备安全监察法 2 法规 特种设备安全监察条例 3 规章 管理规定 办法 4 技术法规 安全监察规程类 培训考核类 技术检验规则类 压力容器安全监察法规和标准的关系国家的安全法规是国家为保证承压设备的安全而制定的强制性手段 在任何其管辖范围内的产品都必须遵循它的安全原则 技术标准应是推荐性的 规定保证承压设备安全所对应的产品质量技术指标 但标准所规定的技术指标应该符合技术法规的安全原则 可以指导承压设备的设计 制造 安装 检验和验收 是承压设备产品生产和贸易的技术平均平台 技术标准和安全法规在总体上都是保证承压设备使用安全 但在作用和其他方面是有区别的 2020 3 20 45 检验方案 检验准备 检验质保体系 质保体系人员 技术总负责人 项目负责人 检验责任工程师 无损检测责任工程师 材料责任工程师 安全员 质保体系有效运转 原始资料审查 设计文件图纸 材料质保书 制造质保书 安装质保书 使用工况 实际工艺参数 历次检验报告 修理改造记录和历次事故处理报告 宏观检验 超声测厚 无损检测 压力容器行业强制性使用JB T4730 2005标准 包括五大常规检测方法 同时包括锅炉 压力容器和压力管道等承压设备 材料检验 化学成份 金相检验 硬度 铁素体含量检验 晶间腐蚀试验 能谱试验 光谱试验 裂纹断口取样等 强度校核 GB150 JB4732标准等产品标准 2020 3 20 46 检验方案 缺陷评定和安全状况 70年代 合肥通用所等单位率先将断裂力学用于在用压力容器缺陷评估与寿命预测 并编制我国第一部压力容器缺陷评定规范CVDA 84 建立在以D M模型和宽板试验为基础的COD设计曲线基础之上 七五 攻关期间 对含凹坑 气孔 夹渣等体积型缺陷的压力容器安全性进行了重点研究 八五 攻关期间 在J积分失效评定曲线和通用失效评定曲线为基础的断裂评定方法研究方面 体积型缺陷极限载荷与安定性分析评估技术研究方面 接管高应变区缺陷安全评估方法及综合安全状况等级评定研究等方面取得重大突破 编制GB T19624 04 在用含缺陷压力容器安全评定 在 九五 攻关中 开展 在用重要压力容器寿命预测技术研究 课题 重点考虑介质环境对压力容器安全性的影响 缺陷处理 水压试验 耐压试验是利用水或其他的加压介质 采用比设计压力还要高的试验压力对压力容器的焊缝 接管和母材进行一次综合性的评价 以验证其整体强度是否满足设计要求 气密性试验 安全附件检验 检验单位校验或是用户自行处理 安全状况等级和检验周期的确定 容检规和管检规 2020 3 20 47 低温乙烯球罐在用检验 20世纪80年代以前 中国高参数的大型球罐用高强钢全部依靠进口 远远不能满足国内生产发展的要求 80年代初期中国武汉钢铁公司组织有关单位研制出 s 490Mpa b 610MPa的低碳微合金 低焊接裂纹敏感性的高强度07MnCrMoVR系列钢 类似日本的CF 62钢 目前在中国国内 07MnCrMoVR系列钢制球罐的总数超过100台 最低设计温度达 40 其中进行焊后整体热处理和未进行焊后整体热处理的大约各占一半 大庆石化公司1500M3乙烯球罐是国内首次采用国产07MnNiCrMoVDR制造的低温球罐 属 八五 国家重大技术装备科技攻关项目 主要技术参数如下 设计压力 2 254Mpa 设计温度 30 50 规格 S 14400 44mm 该球罐95年投产 96 98 2001年1进行三次开罐检验 2020 3 20 48 低温乙烯球罐在用检验 2001年10月乙烯球罐开车时 由于乙烯气体不慎带液 导致气温急剧下降至 70 此时球罐压力在0 6Mpa左右 采用降压措施后 温度继续下降至 103 该过程前后长达18个小时 后经大庆石化检验站100 的内壁荧光磁粉检测和100 UT 发现48处表面裂纹 采样管角焊缝发现70mm和50mm两处表面裂纹 厂方委托合肥通用所进行复验处理 接管角焊缝以及裂纹附近焊缝 热影响区 极板母材硬度正常 裂纹以穿晶为主 局部有沿晶特征 裂纹附近金相组织正常 采样管角焊缝发现一圈断续表面裂纹 打磨消除 最大深度为3mm 超声发现整圈断续未焊透和夹渣 最大长度30mm 自身高度为8mm 为了分析低温冲击对球罐安全性的影响 我们选用与该球罐同厚度 同材质的钢板进行对比试验 分析研究表面裂纹消除后形成50 3mm的凹坑以及取样管角焊缝整圈断续未焊透和夹渣对球罐安全性的影响 通过以上几方面的工作得出以下结论 1 07MnNiCrMoVDR钢及焊接接头经历10小时低温处理后 其常温力学性能 拉伸 冲击 和低温 40 冲击韧性未发生明显变化 线切割缺陷试样常温下在相当于许用应力的载荷条件下 缺陷尖端无扩展迹象 2 取样管角焊缝表面裂纹打磨消除后的凹坑不影响球罐安全使用 3 球罐取样管角焊缝的断续未焊透缺陷经安全分析后 可以保留 4 建议使用半年后 对球罐进行全面检验 1500M3乙烯球罐已于2001年11月投入正常运转 目前使用状况良好 2020 3 20 49 兰化化肥厂液氨储罐声发射检测 该储罐由兰州石油化工设计院设计 1997年7月投用 属内外双层结构 直径 内槽20900mm 外槽22120mm 材质 内槽09MnNbDR 外槽Q235A 底板为搭接拼焊 壁板为对接焊 壁厚 内槽底板中幅板8mm 边缘板12mm 壁板7 8 8 10 10 12 12 14 15mm 外槽6mm 高度25267mm 容积7386m3 内槽 设计压力 1000 150mmH2O 操作压力300 700mmH2O 设计温度 40 操作温度 37 物料液氨 外槽 常压 常温 60mm厚中碱超细玻璃棉毡 松散硃光砂 氮气 受中石油委托 合肥通用所压力容器检验站于2003年8月对该储罐进行在线声发射检测 1 检测依据 GB T18182 2000金属压力容器声发射检测及结果评价方法 美国PAC公司相关定位系统软件2 检测仪器 美国PACDISP56全数字式32通道声发射系统 定位系统 专用罐底板定位软件 传感器 低频专用传感器 声传输方式 传感器安装在波导杆 600mm长 上 3 灵敏度标定 首先使用仪器本身AST功能进行标定 确定检测阵列各通道安装 耦合是否正常 采集的数据记录在数据文件名 AST01 采用铅笔芯模拟源进行标定 确定各通道对模拟源的响应幅度在正常范围内 3dB 采用人工模拟源标定 确定阵列内定位精度 4 结论该氨储罐经在线声发射检测 未发现严重声发射信号源 可以在原设计条件下使用 下次检验日期2009年8月 2020 3 20 50 兰化化肥厂液氨储罐声发射检测 图1 氨储罐结构与传感器布置 图4 声发射检测 数据01 定位图 2020 3 20 51 九江石化液氨储罐在用检验 九江石化公司化肥厂双层液氨储罐 1996年由原化工部第三建设公司安装 该设备主要技术参数 V 7386M3 壁厚为6 5 7 1 8 0 8 9 9 8 10 8 12 12 7 内壁材质为A537CL1 b 485MPa s 345MPa 正火处理 C 0 24 Si 0 15 0 50 S 0 035 P 0 035 Mn 0 70 1 35 外壁材质为Q 235A 设计温度为 40 使用温度为 37 夹层内为珠光沙 内直径为20900mm 2003年进行开罐检验 内壁架设满堂红架 内壁焊缝采用荧光磁粉检测 内壁焊缝采用超声波检测 测厚 宏观检查 渗透检测 硬度检测 母材HB120 170 焊缝HB180 190 热影响区HB19