低温压力容器设计要点

精品精品精品精品低温压力容器目前我国没有特地的低温压力容器标准，JB4732都不划分低温与常温的温度界限。★低温管壳式换热器见GB151-1999附录A★低温压力容器见GB150.3-2023附录E150C)为什么低温压力容器需要关注：温度低，材料的韧性降低，会产生低温脆性破坏，而低温脆性破坏前应力远未到达材料的屈服极限〔或许用应力，破坏时没有明显的征兆，所以低温压力容器的设计、选材、制造和检验等各个环节要求都有不同程度的提高。低温压力容器的定义设计温度为＜－20℃(标准GB150-2023第3.1.15条定义，老标准为≤－20℃)的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器，以及设计温度低于-196℃的奥氏体不锈钢制容器。相关两个定义最低设计金属温度〔MDMT〕GB150.1-2023第4.3.4d条：在确定最低设计金属温度时，应当充分考虑在运行过程中，大气环境低温条件对容器金属温度的影响。大气环境低温条件系指历年来月平均最低气温〔指当月各天的最低气温值之和除以当月天数〕的最低值。低温低应力工况GB150.3-2023附录E第E1.4条：低温低应力工况系指壳体或其受压元件的设计温度虽然低于-20℃，但设计应力〔在该设计条件下，容器元件实际承受的最大一次总体薄膜和弯曲应力〕小于1/650Mpa〔注：一次应力为平衡压力与其他机械载荷所必需的法向应力或且应力〕这个定义与老标准有差异，设计应力与环向应力的区分，用设计应力更严谨。标准明确了在进展容器的“低温低应力工况”判定时，除了对壳体元件进展一次总体薄膜应力的核定外，还应对承受一次弯曲应力的容器元件进展考察，如平封头、管板、法兰等。关于低温低应力工况下，选材依据设计温度加50℃〔或者，40℃〕的规定GB150.3-2023附录E第E2.2温低应力工况”下，可以按设计温度加50℃〔对于不要求焊后热处理的设备，加40℃〕后的温度值选择材料，但不适用于：Q235Rm≥540Mpa螺栓材料。标准规定对于不要求焊后热处理的设备，加40℃，这是与老标准最大的不同。在同样的设计、选材、制造和检验条件下，对低温容器进展焊后热处理可以大大削减接头范围内的焊接剩余应力，从而提高了材料和接头的韧性、降低了容器在低温条件下的脆断倾向。因此标准规定对于不要求焊后热处理的设备，只加40℃〔所以最好PWHT，即使依据“低温低应力工况”推断容器不是低温容器，则设计者依据容器的具体条件或者工程阅历仍旧可以依据低温容器的要求进展设计，仅仅材料不是低温钢材而已。设计温度确实定由于-20℃是推断是否低温容器的关键指标，所以设计温度的确定特别重要。GB150.1-20234.3.40到的最低设计温度。a)依据传热计算求得的金属温度，是平均值；b)在已经使用的同类容器上测定金属温度；c)依据容器内部介质温度并结合外部条件求得金属温度；如有牢靠的保温或保冷措施，则金属温度直接取介质温度。d件，即MDMT，尤其是储存容器。低温容器的选材一般压力容器常用的铁素体钢在温度降低到某一温度时,钢的韧性将急剧下降，而显得很脆,通常称这一温度为脆性转变温度。剩余应力、应力集中等因素引起的较高局部应力，容器就可能在没有消灭明显塑性变形的状况下发生脆性裂开而酿成灾难性事故。对于低温压力容器首先要选用适宜的材料，这些材料在使用温度下应具有良好的韧性。经细化晶粒处理的低合金钢可用到-30℃到-70℃，调质高强钢可用到-20℃到-50℃，3.5％镍钢可用到-100℃,9％镍钢可用到-196℃。低于-196℃时可选用奥氏体不锈钢和铝合金等。GB150.2-2023第3.7.2条规定使用温度不低于-196℃的奥氏体不锈钢，可以免除冲击试验，低于-196℃至-253℃，则由设计文件规定冲击试验要求，标准不做具体规定。GB150.2-2023第3.5条规定使用温度低于-20℃的低温钢板和锻件应当承受炉外精炼工艺。GB150.2-2023第4.1.7条规定设计温度＜－40℃〕增加落锤试验要求，用于检测无塑性转变温度〔NDT。GB150.2-20234.1.8〔＞20mm〕的超声检测〔逐张〕质量等级由Ⅲ级升为Ⅱ级。GB150.2-2023中表4规定了钢板的使用温度下限，包含低温用钢板。GB150.2-2023第5.1.1条规定使用温度低于-20℃的碳素钢和低合金钢管其正火交货的状态不允许用终轧温度符合正火温度的热轧来代替。GB150.2-2023第5.1.2条规定设计温度低于-40℃的钢管用钢应当承受炉外精炼工艺。GB150.2-2023第6.1.2条规定使用温度低于-20℃的低温钢锻件应当由经炉外精炼的钢锻制而成〔NB/T47009。GB150.2-2023第6.1.3条规定使用温度低于-20℃且公称厚度大200mm的低温钢锻件应选用III级或IV级。GB150.2-20236.2.3S113060℃；奥氏体-铁素体型钢锻件为-20℃；c)奥氏体型见GB150.2-2023第3.7.2条规定。GB150.2-2023第7.1.4条规定了使用温度低于-20℃的低合金螺柱的使用限制。GB150.2-20237.2.3为了避开在低温压力容器上产生过高的局部应力，在设计容器时应避开有过高的应力集中和附加应力；在制造容器时应严格检验，以防止容器中存在危急的缺陷。对于因焊接而引起的过大剩余应力，应在焊后进展消退焊接剩余应力处理。低温容器的材料标准板材标准板材：GB3531-2023《低温压力容器用低合金钢板》有 4 个钢号〔标准为 3 个，第一号修改单又增加了15MnNiNbDR〕16MnDR：t≤60，-40℃，47J60＜t≤120，-30℃，47J15MnNiDR：t≤60，-45℃，60J15MnNiNbDR：10-60，-50℃，60J09MnNiDR：t≤36，-70℃，47J36＜t≤120，-70℃，60J板材：GB19189-2023《压力容器用调质高强度钢板》有407MnMoVR：10≤t≤60，-20℃，80J12MnNiVR：10≤t≤60，-20℃，80J07MnNiVDR：10≤t≤60，-40℃，80J07MnNiMoDR：10≤t≤50，-50℃，80J板材：GB24511-2023《承压设备用不锈钢钢板和钢带》有17个钢号，其中奥氏体不锈钢11个〔-196℃，双相钢3个-20℃，铁素体不锈钢3个〔℃。9％Ni〔GB24510-2023〕本标准适用于制造液化自然气(LNG)储罐、液化自然气(LNG)船舶等低温压力容器用厚度不大于50mm的9%Ni钢板。GB150.2-2023A315MnNiNbDR同GB3531；08Ni3DR，6-100mm，-100℃，47J〔该材料没有专项标准〕06Ni9DR，6-40mm，-196℃，100J〔要求比GB24510-2023严格〕另外：JB/T4734《铝制焊接容器》是内容完整〔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℃。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构造形式、强度计算与钢相像，该局部内容均参照GB150。其焊接工艺评定和产品焊接试板局部均引用有关规定和标准只对铜材的特别要求作出补充规定。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别要求，当使用温度低于一般不低于-268℃〕时应保证仍具有良好的拉伸断后伸长率。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构造形式、强度计算与钢相像，该局部内容均参照GB150。其焊接工艺评定和产品焊接试板局部均引用有关规定和标准只对镍材的特别要求作出补充规定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别要求，当使用温度伸长率。锻件标准NB/T47009 〔JB/T4727〕有616MnD：t≤100，-45℃，47J100＜t≤300，-40℃，47J20MnMoD：t≤300，-40℃，47J300＜t≤700，-30℃，47J08MnNiMoVD：t≤300，-40℃，60J10Ni3MoVD：t≤300，-50℃，80J09MnNiD：t≤300，-70℃，60J08Ni3D：t≤300，-100℃，47JNB/T47010〔代替JB/T4728〕共有16钢管标准GB9948-2023石油裂化用无缝钢管1070mm6.5mm-20℃，31J〔GB150.2-2023第5.1.4条；GB6479高压化肥设备用无缝钢管2070mm6.5mm-20℃，31J〔GB150.2-2023第5.1.5条；16Mn钢管在壁厚不大于40mm时可以用于-40℃，34J〔附加杂质含量掌握，P≤0.025，P≤0.012；GB150.2-2023附录A增加了2个低合金钢管09MnD t≤8，-50℃，47J09MnNiD t≤8，-70℃，47JGB150GB13296-2023锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管GBT14976-2023流体输送用不锈钢无缝钢管〔不得用于换热管〕GBT21833-2023〔用于换热管时，应承受冷拔或冷轧钢管，尺寸精度承受高级精度〕GBT12771-2023流体输送用不锈钢焊接钢管〔不得用于换热管，使用限制见GB150.25.2.4〕GBT24593-2023锅炉和热交换器用奥氏体不锈钢焊接钢管〔GB150.2第5.2.5〕GBT21832-2023〔不得用于换热管，使用限制见GB150.2第5.2.6,7,8条〕对低温容器材料的原则性要求全部受压元件必需经过炉外精炼；符合相关低温材料标准；一些材料不能用，如Q235系列钢材以及标准抗拉强度下限值Rm≥540Mpa的钢材；焊条应按批进展药皮汗水量或熔敷金属集中氢含量的复验。另外GB150.2-2023第6.1.3条规定使用温度低于-20℃且公称厚度大200mm的低温钢锻件应选用III级或IV级。GB150.2-20234.1.8〔＞20mm〕的超声检测〔逐张〕质量为Ⅱ级。低温容器的构造设计构造尽量简洁，削减约束；避开产生过大的温度梯度；尽量避开构造外形的突然变化，以降低应力突变；接收与壳体连接部位应圆滑过渡，接收端部内壁处倒圆；容器的支座或支腿不得直接焊接在受压元件上，需设置垫板；接收补强尽可能承受整体补强或者厚壁管补强。〔阅历建议〕上述要求老标准没有变化，是原则性的要求，没有细节规定。低温容器的焊接接头设计A,BB类接头不能承受双面焊接时，可以承受焊后不坼除垫板的单面对接接头；C类接头的平法兰有具体的温度及压力使用限制，最好不要承受平法兰，而承受对焊法兰；全部封头与筒体的焊接必需全焊透；全部接收与壳体的焊接必需全焊透；E壳体焊接不得承受十字焊缝〔一般容器为不宜承受十字焊缝。低温容器的制造、检验和验收要依据NB/T47014进展焊接工艺评定或者具有经过评定合格的焊接工艺支持〔通用要求；掌握焊接线能量，宜多道焊〔GB150.4第7.2.5条；不得有未焊透、未溶合、裂纹、气孔、咬边等缺陷，尽量削减余高。〔GB150.45.3.37.2.6〕e)GB150.47.2.3-100℃但不低于-196℃的奥氏体不锈钢，其焊接接头需要进展冲击试验，31J。GB1