案例：低温压力容器设计材料的选用

[摘  要]介绍了压力容器中的低温低应力工况以及低温工况设备设计时的材料选用需要的注意事项，并以实际工程案例进行分析，可为工程技术人员在设计和制造中提供参考。

[关键词]低温设备；低温低应力；

1．低温低应力工况的材料选用

根据GB150.1~150.4-2011《压力容器》附录E《关于低温压力容器的基本设计要求》的规定，低温压力容器设计是指碳素钢和低合金钢制容器的设计温度低于-20℃，对于奥氏体型钢制低温压力容器设计温度低于-196℃的设计，对于碳素钢和低合金钢制容器，由于环境温度的影响导致操作条件下容器壳体的金属温度低于-20℃时，也应遵守附录E的规定，环境温度系指容器使用地区历年来“月平均最低气温的最低值”。“月平均最低气温”系按当月各天的最低气温相加后除以当月的天数。

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）小于或等于钢材标准常温屈服点的1/6，且不大于50MPa时的工况。当壳体或受压元件使用在“低温低应力工况”下，可以按设计温度加50℃）（对于不要求焊后热处理的容器，加40℃）后的温度值选择材料，低温低应力工况不适用于螺栓材料以及钢材标准抗拉强度下限值大于等于540MPa的材料。

1.1工程案例一：

某丙烯腈项目及相关配套设施中，有4台液氨球罐，开车前要进行氮气置换，保压0.2MPaG，液氨进入球罐后，瞬间气化，球罐温度降低，此时的设计温度为-52℃，设计压力0.3 MPaG。正常操作时的设计温度为50℃，设计压力为2.16 MPaG。开车时温度随时间变化情况如下表1：     顺便说一下，氨气的临界温度比较高，稍微加压就容易液化，以便保存。

该球罐不存在设计压力2.16MPaG与设计温度-52℃叠加的情况，根据置换工况分析，球罐在设计压力作用下的一次总体薄膜应力为35MPa，球壳板材料为Q345R，常温下钢材屈服强度为315MPa，该球罐实际承受的最大一次总体薄膜和弯曲应力小于钢材标准常温屈服点的1/6，且不大于50MPa，可以判定氮气置换工况属于低温低应力工况，该球罐球壳板材料选取Q345R是能够满足要求的。

2．低温压力容器材料的合理选用

由于环境低温或介质低温的影响，其受压元件在拉应力的作用下，应力水平在低于材料的屈服强度，或低于许用应力的情况下可能会发生脆性破坏，脆性破坏前容器结构不出现或是只有局部的极小塑性变形，而在结构的大范围内没有宏观的整体屈服迹象或其它明显征兆，对石油化工生产的安全威胁很大。低温压力容器的选材应考虑设计温度、材料的低温冲击韧性、壁厚、使用时的拉应力水平、焊接及焊后热处理等因素进行合理选用。低温容器受压元件用钢材必须是镇静钢，承受载荷的非受压元件也应该是具有相当韧性且焊接性能良好的钢材。低温用钢应以正火或调质状态供货，正火处理除可以细化晶粒外，还可以减少由于终轧温度和冷却速率不同而引起的显微组织不均匀，可降低钢材无塑性转变温度。常用低温受压元件和附件的选用见表2：

2.1工程案例二：

大唐呼伦贝尔某项目中，有一台固定顶甲醇储罐，设计压力0.49~6KPaG，设计温度为环境温度，该储罐无保温无伴热，介质为甲醇，介质密度为792kg/m³，全容积200m³。按照GB50341-2014的设计规定，对于既无加热又无保温的油罐，油罐的最低设计温度应取建罐地区的最低日平均温度加13℃。呼伦贝尔最低日平均气温为-42.5℃，根据GB50341-2014的设计规定，该甲醇储罐的最低设计温度应为-29.5℃，罐体材料应选择16MnDR，目前该设备已经运行五年未出现质量问题。

3．低温压力容器支撑结构设计

低温设备由于环境低温或介质温度的影响，需要对设备与外界接触的部位进行特殊处理，以防止设备温度急剧变化引起破坏，因此要对低温设备支撑结构进行特殊设计。

3.1工程案例三：

某项目中，有一台卧式液氯贮罐，设计压力1.62MPaG，设计温度为-45℃，介质为液氯，介质密度为1572kg/m³，全容积25m³。壳体材料为09MnNiDR(正火)，鞍座材料选择16MnDR，鞍座垫板材料选择为09MnNiDR(正火)，并增加鞍座垫木与基础隔离，详见图1所示。

4.结论

低温压力容器的选材和设计除考虑设计温度等因素以外，还必须要根据具体用途、具体使用条件、特定的安全重要性，从而提出必要的或高于GB150.1~GB150.4-2011《压力容器》合格指标的补充要求。