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【摘 要】 本文通过国内外低温压力容器设计理念的比较，仅就碳钢、低合金钢，按常规设计的压力容器壳体，在小于-20℃的工况条件下，对低温压力容器的设计做以介绍。
【关键词】 低温 界限 断裂力学 压力容器 设计
压力容器所发生的破裂，总体上可分为两类：一类为塑性破裂，另一类为脆性破裂。低温压力容器的破坏属于后一类，即受压元件在拉应力的作用下，其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突然发生破裂，这一现象被称为低应力脆断。脆性断裂具有一定的不可预知性和突发性的特点，所以往往更容易造成灾难性的后果。鉴于此，世界上主要的压力容器设计规范均对低温压力容器提出了高于常温压力容器的设计要求，以期防止压力容器在低温操作过程中发生脆性断裂事故。
1 低温的界定
由于低温脆断这一破裂现象发生的前后，均没有或只有局部极小的塑性变形，而没有整体屈服迹象，目前世界各国，凡按常规设计的压力容器规范，对受压元件的低应力脆断，都做出了相应的规定和给出了各自的低温界限，见表1。
表1 各国的相应规定和低温界限
我国根据多年的实践经验证实在-19℃～0℃时的压力容器，按常温进行选材、设计、制造是具有足够安全性的。所以，GB150-2011《压力容器》仍把低温压力容器低温界限规定为小于等于-20℃。
2 设计温度的确定
小于-20℃这一低温界限，对实际的韧-脆性的转变是在一定的温度范围内发生而言的，有着一定的宽松尺度。但就其工程设计来讲，还是较为极端的。因为设计温度大于- 20℃，和设计温度小于-20℃，在设计、选材、制造等方面是截然不同的。所以，设计温度的确定是低温压力容器设计中一项至关重要的因素。应从设备在相应低温下与压力的组合工况，和是否受环境影响、介质的状态及有无保温或保冷等方面，去做具体问题分析。
在工程上，通常采用以下几种方法来确定处于低温下工作的压力容器的设计温度。
（1）通过计算当受压元件两侧有热量传递过程时，可根据传热计算求得在相应的温度下，沿受压元件厚度方向的平均金属温度。计算方法可采用GB151-99《管壳式换热器》附录F所给出的公式计算。但是，由于很多介质的传热系数K值和给热系数a值难以查出，在工程计算中，多采取经验值代入。尽管这样比起不计算精确得多。
（2）当受压元件与工作介质直接接触，并有外保冷或保温设施时，可取介质的最低温度或介质的工作温度减去5℃～10℃做为该受压元件的设计温度。
（3）当受压元件可能受环境温度控制时，即在寒冷地区，受压容器置于露天或无采暖的厂房内(为事故停车所特设的容器及意外降温，和停车后的自然温除外)，受压元件的设计温度应从以下几方面考虑确定：①对盛装液体，且物料的充装量占容器容积1/4以上，且无保温设施的贮存压力容器，由于液体的热容量较气体大，至使受压元件的金属温度要略高于冬季空气调节外计算温度，所以需把冬季空气调节室外计算温度上升1℃，方可做为该受压元件的设计温度。②对盛装压缩气体，且无保温设施的贮存压力容器，由于气体的热容量小，受压元件的金属温度按近于冬季空气调节室外计算温度，所以取冬季空气调节室外计算温度下降2℃，做为该受压元件的设计温度是足够安全的。③对于工艺参数不清或不全的情况，可依相同的工况,并正在运行的设备，采用实测办法来确定其设计温度。
设计温度一经确定，便可依小于-20℃这一压力容器的低温界限，判定压力是否应按低温选材、设计、制造等。对于设计温度小于-20℃的压力容器的受压元件，原则上均应考虑其低温脆断因素而按低温度设计，但在不同的工况下也有例外。
3 低温低应力工况
低温低应力的工况，是依据压力容器处于小于-20℃时，受压元件实际应力水平而确定的，是对低温压力容器受压元件的一种特殊处理方法。GB150-2011中规定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强度的1/6，且不大于50Mpa时的工况。
在GB150-2011中提出，对于碳素钢和低合金钢制容器，当壳体或其受压元件使用在“低温低应力工况”下，若其设计温度加50℃（对于不要求焊后热处理的容器加40℃）后，不低于-20℃，除另有规定外不必遵循关于低温容器的规定。
4 低温压力容器用钢材的选用
低温压力容器受压元件采用的钢材，必须是氧气转化炉或电炉冶炼的镇静钢，并采用炉外精炼工艺。并进行低温冲击试验。
夏比（V型缺口）低温冲击试验的试验温度根据容器受压元件的最低设计温度确定，并应考虑承载应力的类型和大小、截面厚度及焊接接头韧性下降等因素。确定原则如下：
（1）试验温度应等于或低于设计温度（一般情况下取等于设计温度）。
（2）设计条件符合低温低应力工况时，冲击试验温度可低温低应力工况的规定进行调整，当调整后的冲击试验温度高于或等于0℃时，可不必进行低温冲击试验。
（3）壳体厚度大于16mm，但又无法进行焊后消除应力热处理的容器，应按表2的要求降低壳体材料及焊接接头的冲击试验温度。
（4）母材可能因焊接而导致热影响区冲击韧性下降较多时，材料选用时应考虑有较大的韧性裕量，或降低母材的冲击试验温度，以保证焊接接头各个部位（热影响区、熔合线、焊缝金属）的低温韧性均能达到要求。
（5）除环境低温容器外，安装在容器外的无保温螺栓材料的试验温度，一般可比壳体设计温度提高20℃~30℃。螺母用材料的冲击试验温度允许比螺栓的试验温度提高30℃；
（6）对不需焊接，且以承受弯曲应力为主的承压元件，如螺栓连接的平盖、活套法兰等，材料的冲击试验温度允许比容器的设计温度提高30℃。
表2 不进行焊后热处理的壳体材料及焊接接头的冲击试验温度降低值（℃）
试样的热处理状态应符合材料的最终使用状态，其中包括加工过程中的热加工、消除应力热处理等。
冲击功按材料强度等级应达到表3所列的要求
注：a对于Rm＞570MPa的钢材每个试样的KV2均应不低于表列的平均值，其他钢种3个试样中只允许1个试样的冲击功低于表列的平均值，但不应低于平均值的70%（见表列的单个试样值及设计文件规定值取大值）。
用于制造低温压力容器筒体、凸形封头和球壳的钢板，板厚为16mm~20mm的钢板每批抽检20%，最少一张，板厚大于20mm的钢板，逐张按《承压设备无损检测》JB4730.3进行超声检测，且不低于III级。
低温压力容器用锻件按《低温承压设备用低合金锻件》NB47009，应不低于II级要求，设计压力大于或等于1.60Mpa时，应不低于III级。
5 低温容器的结构设计
低温压力容器及其部件的结构设计应充分考虑一下各项要求：
（1）结构尽可能简单，减少焊接件的拘束程度。
（2）结构应避免产生过大的温度梯度。
（3）结构应减少局部的应力集中以及截面的急剧变化。
（4）附件的连接焊缝不应采用不连续焊或点焊，且不应与A、B类焊接接头相重合。
（5）容器的鞍座、耳座、支腿（球罐除外）宜设置垫板或连接板，尽量避免直接与容器壳体相焊。垫板或连接板应与本体材料相同。
（6）焊有接管及载荷复杂的附件的容器，需焊后消除应力热处理而不能进行整体热处理时，应考虑焊接部位单独热处理的可能性。
（7）接管补强应尽可能采用整体补强或厚壁管补强，若采用补强板，应为全焊透结构，切焊缝圆滑过渡。
6 国内外设计标准的对比
AMSEⅧ一1与EN1345均采用了断裂力学的基本原理和方法，综合考虑材料的组别、实际应力水平、材料厚度和元件的最低操作温度来判断是否需要进行夏比冲击试验以及如果需要时的冲击试验温度，这与钢材发生脆性断裂的实际原理更为相符。其中EN 13445给出了基于断裂力学分析的方法作为其第一和第二种方法的补充，对特殊情况(如采用超标准的材料、无损检测发现超标缺陷、第一和第二种方法不能适用的情况等)的处理给出了基本原则和思路，显得更为先进。
在设计低温压力容器的过程中，我们应该在遵循国家相关标准的情况下，学习外国先进的设计、计算思想，完善自身设计产品以确保产品的安全性和必要的经济性。
【关键词】 低温 界限 断裂力学 压力容器 设计
压力容器所发生的破裂，总体上可分为两类：一类为塑性破裂，另一类为脆性破裂。低温压力容器的破坏属于后一类，即受压元件在拉应力的作用下，其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突然发生破裂，这一现象被称为低应力脆断。脆性断裂具有一定的不可预知性和突发性的特点，所以往往更容易造成灾难性的后果。鉴于此，世界上主要的压力容器设计规范均对低温压力容器提出了高于常温压力容器的设计要求，以期防止压力容器在低温操作过程中发生脆性断裂事故。
1 低温的界定
由于低温脆断这一破裂现象发生的前后，均没有或只有局部极小的塑性变形，而没有整体屈服迹象，目前世界各国，凡按常规设计的压力容器规范，对受压元件的低应力脆断，都做出了相应的规定和给出了各自的低温界限，见表1。
表1 各国的相应规定和低温界限
我国根据多年的实践经验证实在-19℃～0℃时的压力容器，按常温进行选材、设计、制造是具有足够安全性的。所以，GB150-2011《压力容器》仍把低温压力容器低温界限规定为小于等于-20℃。
2 设计温度的确定
小于-20℃这一低温界限，对实际的韧-脆性的转变是在一定的温度范围内发生而言的，有着一定的宽松尺度。但就其工程设计来讲，还是较为极端的。因为设计温度大于- 20℃，和设计温度小于-20℃，在设计、选材、制造等方面是截然不同的。所以，设计温度的确定是低温压力容器设计中一项至关重要的因素。应从设备在相应低温下与压力的组合工况，和是否受环境影响、介质的状态及有无保温或保冷等方面，去做具体问题分析。
在工程上，通常采用以下几种方法来确定处于低温下工作的压力容器的设计温度。
（1）通过计算当受压元件两侧有热量传递过程时，可根据传热计算求得在相应的温度下，沿受压元件厚度方向的平均金属温度。计算方法可采用GB151-99《管壳式换热器》附录F所给出的公式计算。但是，由于很多介质的传热系数K值和给热系数a值难以查出，在工程计算中，多采取经验值代入。尽管这样比起不计算精确得多。
（2）当受压元件与工作介质直接接触，并有外保冷或保温设施时，可取介质的最低温度或介质的工作温度减去5℃～10℃做为该受压元件的设计温度。
（3）当受压元件可能受环境温度控制时，即在寒冷地区，受压容器置于露天或无采暖的厂房内(为事故停车所特设的容器及意外降温，和停车后的自然温除外)，受压元件的设计温度应从以下几方面考虑确定：①对盛装液体，且物料的充装量占容器容积1/4以上，且无保温设施的贮存压力容器，由于液体的热容量较气体大，至使受压元件的金属温度要略高于冬季空气调节外计算温度，所以需把冬季空气调节室外计算温度上升1℃，方可做为该受压元件的设计温度。②对盛装压缩气体，且无保温设施的贮存压力容器，由于气体的热容量小，受压元件的金属温度按近于冬季空气调节室外计算温度，所以取冬季空气调节室外计算温度下降2℃，做为该受压元件的设计温度是足够安全的。③对于工艺参数不清或不全的情况，可依相同的工况,并正在运行的设备，采用实测办法来确定其设计温度。
设计温度一经确定，便可依小于-20℃这一压力容器的低温界限，判定压力是否应按低温选材、设计、制造等。对于设计温度小于-20℃的压力容器的受压元件，原则上均应考虑其低温脆断因素而按低温度设计，但在不同的工况下也有例外。
3 低温低应力工况
低温低应力的工况，是依据压力容器处于小于-20℃时，受压元件实际应力水平而确定的，是对低温压力容器受压元件的一种特殊处理方法。GB150-2011中规定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强度的1/6，且不大于50Mpa时的工况。
在GB150-2011中提出，对于碳素钢和低合金钢制容器，当壳体或其受压元件使用在“低温低应力工况”下，若其设计温度加50℃（对于不要求焊后热处理的容器加40℃）后，不低于-20℃，除另有规定外不必遵循关于低温容器的规定。
4 低温压力容器用钢材的选用
低温压力容器受压元件采用的钢材，必须是氧气转化炉或电炉冶炼的镇静钢，并采用炉外精炼工艺。并进行低温冲击试验。
夏比（V型缺口）低温冲击试验的试验温度根据容器受压元件的最低设计温度确定，并应考虑承载应力的类型和大小、截面厚度及焊接接头韧性下降等因素。确定原则如下：
（1）试验温度应等于或低于设计温度（一般情况下取等于设计温度）。
（2）设计条件符合低温低应力工况时，冲击试验温度可低温低应力工况的规定进行调整，当调整后的冲击试验温度高于或等于0℃时，可不必进行低温冲击试验。
（3）壳体厚度大于16mm，但又无法进行焊后消除应力热处理的容器，应按表2的要求降低壳体材料及焊接接头的冲击试验温度。
（4）母材可能因焊接而导致热影响区冲击韧性下降较多时，材料选用时应考虑有较大的韧性裕量，或降低母材的冲击试验温度，以保证焊接接头各个部位（热影响区、熔合线、焊缝金属）的低温韧性均能达到要求。
（5）除环境低温容器外，安装在容器外的无保温螺栓材料的试验温度，一般可比壳体设计温度提高20℃~30℃。螺母用材料的冲击试验温度允许比螺栓的试验温度提高30℃；
（6）对不需焊接，且以承受弯曲应力为主的承压元件，如螺栓连接的平盖、活套法兰等，材料的冲击试验温度允许比容器的设计温度提高30℃。
表2 不进行焊后热处理的壳体材料及焊接接头的冲击试验温度降低值（℃）
试样的热处理状态应符合材料的最终使用状态，其中包括加工过程中的热加工、消除应力热处理等。
冲击功按材料强度等级应达到表3所列的要求
注：a对于Rm＞570MPa的钢材每个试样的KV2均应不低于表列的平均值，其他钢种3个试样中只允许1个试样的冲击功低于表列的平均值，但不应低于平均值的70%（见表列的单个试样值及设计文件规定值取大值）。
用于制造低温压力容器筒体、凸形封头和球壳的钢板，板厚为16mm~20mm的钢板每批抽检20%，最少一张，板厚大于20mm的钢板，逐张按《承压设备无损检测》JB4730.3进行超声检测，且不低于III级。
低温压力容器用锻件按《低温承压设备用低合金锻件》NB47009，应不低于II级要求，设计压力大于或等于1.60Mpa时，应不低于III级。
5 低温容器的结构设计
低温压力容器及其部件的结构设计应充分考虑一下各项要求：
（1）结构尽可能简单，减少焊接件的拘束程度。
（2）结构应避免产生过大的温度梯度。
（3）结构应减少局部的应力集中以及截面的急剧变化。
（4）附件的连接焊缝不应采用不连续焊或点焊，且不应与A、B类焊接接头相重合。
（5）容器的鞍座、耳座、支腿（球罐除外）宜设置垫板或连接板，尽量避免直接与容器壳体相焊。垫板或连接板应与本体材料相同。
（6）焊有接管及载荷复杂的附件的容器，需焊后消除应力热处理而不能进行整体热处理时，应考虑焊接部位单独热处理的可能性。
（7）接管补强应尽可能采用整体补强或厚壁管补强，若采用补强板，应为全焊透结构，切焊缝圆滑过渡。
6 国内外设计标准的对比
AMSEⅧ一1与EN1345均采用了断裂力学的基本原理和方法，综合考虑材料的组别、实际应力水平、材料厚度和元件的最低操作温度来判断是否需要进行夏比冲击试验以及如果需要时的冲击试验温度，这与钢材发生脆性断裂的实际原理更为相符。其中EN 13445给出了基于断裂力学分析的方法作为其第一和第二种方法的补充，对特殊情况(如采用超标准的材料、无损检测发现超标缺陷、第一和第二种方法不能适用的情况等)的处理给出了基本原则和思路，显得更为先进。
在设计低温压力容器的过程中，我们应该在遵循国家相关标准的情况下，学习外国先进的设计、计算思想，完善自身设计产品以确保产品的安全性和必要的经济性。