低温压力容器设计要点.docx

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低温压力容器设计要点

低温压力容器

目前我国没有专门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GB150.3-2011附录E（老版150为附录C）

●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℃（新标准GB150-2011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）

GB150.1-2011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

GB150.3-2011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。

（注：

一次应力为平衡压力与其他机械载荷所必须的法向应力或且应力）

这个定义与老标准有差别，设计应力与环向应力的区别，用设计应力更严谨。

新标准明确了在进行容器的“低温低应力工况”判定时，除了对壳体元件进行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行考查，如平封头、管板、法兰等。

●关于低温低应力工况下，选材按照设计温度加50℃（或者，加40℃）的规定

GB150.3-2011附录E第E2.2条：

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设备，加40℃）后的温度值选择材料，但不适用于：

a）Q235系列钢材；

b）标准抗拉强度下限值Rm≥540Mpa的钢材；

c）螺栓材料。

新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，对低温容器进行焊后热处理可以大大减少接头范围内的焊接残余应力，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。

因此新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，即使根据“低温低应力工况”判断容器不是低温容器，则设计者根据容器的具体条件或者工程经验仍然可以按照低温容器的要求进行设计，仅仅材料不是低温钢材而已）。

●设计温度的确定

由于-20℃是判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。

设计温度的确定的原则按照GB150.1-2011第4.3.4条的规定。

对于0℃以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低设计温度。

a）根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）根据容器内部介质温度并结合外部条件求得金属温度；

如有可靠的保温或保冷措施，则金属温度直接取介质温度。

d）对于露天或无采暖厂房内放置的容器，则要考虑环境气候条件，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。

压力容器在低于转变温度的条件下使用时，容器中如存在因缺陷、残余应力、应力集中等因素引起的较高局部应力，容器就可能在没有出现明显塑性变形的情况下发生脆性破裂而酿成灾难性事故。

对于低温压力容器首先要选用合适的材料，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。

GB150.2-2011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。

GB150.2-2011第3.5条规定使用温度低于-20℃的低温钢板和锻件应当采用炉外精炼工艺。

GB150.2-2011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）。

GB150.2-2011第4.1.8条规定低温钢板（＞20mm）的超声检测（逐张）质量等级由Ⅲ级升为Ⅱ级。

GB150.2-2011中表4规定了钢板的使用温度下限，包含低温用钢板。

GB150.2-2011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。

GB150.2-2011第5.1.2条规定设计温度低于-40℃的钢管用钢应当采用炉外精炼工艺。

GB150.2-2011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）。

GB150.2-2011第6.1.3条规定使用温度低于-20℃且公称厚度大于200mm的低温钢锻件应选用III级或IV级。

GB150.2-2011第6.2.3条规定了高合金锻件的使用温度：

a）铁素体型S11306钢锻件为0℃；

b）奥氏体-铁素体型钢锻件为-20℃；

c）奥氏体型见GB150.2-2011第3.7.2条规定。

GB150.2-2011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。

GB150.2-2011第7.2.3条规定了高合金螺柱的使用温度限制。

为了避免在低温压力容器上产生过高的局部应力，在设计容器时应避免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险的缺陷。

对于因焊接而引起的过大残余应力，应在焊后进行消除焊接残余应力处理。

低温容器的材料标准

板材标准

板材：

GB3531-2008《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℃，47J

60＜t≤120，-30℃，47J

15MnNiDR：

t≤60，-45℃，60J

15MnNiNbDR：

10-60，-50℃，60J

09MnNiDR：

t≤36，-70℃，47J

36＜t≤120，-70℃，60J

板材：

GB19189-2011《压力容器用调质高强度钢板》

有4个钢号

07MnMoVR：

10≤t≤60，-20℃，80J

12MnNiVR：

10≤t≤60，-20℃，80J

07MnNiVDR：

10≤t≤60，-40℃，80J

07MnNiMoDR：

10≤t≤50，-50℃，80J

板材：

GB24511-2009《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（0℃）。

板材：

《低温压力容器用9％Ni钢板》（GB24510-2009）

本标准适用于制造液化天然气（LNG）储罐、液化天然气（LNG）船舶等低温压力容器用厚度不大于50mm的9%Ni钢板。

GB150.2-2011附录A增加了3个低温钢板

15MnNiNbDR同GB3531；

08Ni3DR，6-100mm，-100℃，47J（该材料没有专项标准）

06Ni9DR，6-40mm，-196℃，100J（要求比GB24510-2009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℃（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镍材的特殊要求作出补充规定。

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殊要求，当使用温度低于－198℃（一般不低于-268℃）时应保证仍具有良好拉伸断后伸长率。

锻件标准

NB/T47009低温承压设备用低合金钢锻件（代替JB/T4727）

有6个钢号：

16MnD：

t≤100，-45℃，47J

100＜t≤300，-40℃，47J

20MnMoD：

t≤300，-40℃，47J

300＜t≤700，-30℃，47J

08MnNiMoVD：

t≤300，-40℃，60J

10Ni3MoVD：

t≤300，-50℃，80J

09MnNiD：

t≤300，-70℃，60J

08Ni3D：

t≤300，-100℃，47J

NB/T47010承压设备用不锈钢和耐热钢锻件（代替JB/T4728）

共有16个钢号

钢管标准

GB9948-2006石油裂化用无缝钢管

其中10号钢管在外径不小于70mm，壁厚不小于6.5mm时可以用于-20℃，31J（GB150.2-2011第5.1.4条）；

GB6479高压化肥设备用无缝钢管

其中20号钢管在外径不小于70mm，壁厚不小于6.5mm时可以用于-20℃，31J（GB150.2-2011第5.1.5条）；

16Mn钢管在壁厚不大于40mm时可以用于-40℃，34J（附加杂质含量控制，P≤0.025，P≤0.012）；

GB150.2-2011附录A增加了2个低合金钢管

09MnDt≤8，-50℃，47J

09MnNiDt≤8，-70℃，47J

GB150引用的不锈钢钢管标准

GB13296-2007锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管

GBT14976-2012流体输送用不锈钢无缝钢管（不得用于换热管）

GBT21833-2008奥氏体-铁素体型双相不锈钢无缝钢管（用于换热管时，应采用冷拔或冷轧钢管，尺寸精度采用高级精度）

GBT12771-2008流体输送用不锈钢焊接钢管（不得用于换热管，使用限制见GB150.2第5.2.4条）

GBT24593-2009锅炉和热交换器用奥氏体不锈钢焊接钢管（使用限制见GB150.2第5.2.5条）

GBT21832-2008奥氏体-铁素体型双相不锈钢焊接钢管（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

a）所有受压元件必须经过炉外精炼；

b）符合相关低温材料标准；

c）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；

d）焊接材料也有要求：

应与母材的性能，尤其韧性方面相当。

焊条应按批进行药皮汗水量或熔敷金属扩散氢含量的复验。

另外

GB150.2-2011第6.1.3条规定使用温度低于-20℃且公称厚度大于200mm的低温钢锻件应选用III级或IV级。

GB150.2-2011第4.1.8条规定低温钢板（＞20mm）的超声检测（逐张）质量为Ⅱ级。

●低温容器的结构设计

a）结构尽量简单，减少约束；

b）避免产生过大的温度梯度；

c）尽量避免结构形状的突然变化，以降低应力突变；

d）接管与壳体连接部位应圆滑过渡，接管端部内壁处倒圆；

e）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；

f）接管补强尽可能采用整体补强或者厚壁管补强。

（经验建议）

上述要求新老标准没有变化，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）A,B类接头要求全焊透；

b）B类接头不能采用双面焊接时，可以采用焊后不坼除垫板的单面对接接头；

c）C类接头的平法兰有具体的温度及压力使用限制，最好不要采用平法兰，而采用对焊法兰；

d）所有封头与筒体的焊接必须全焊透；

e）所有接管与壳体的焊接必须全焊透；

f）补强圈与壳体搭接的角焊缝不允许存在未焊透，且连续焊；

g）E类焊接接头除结构要求外，应避免简短焊接或者点焊；

h）壳体焊接不得采用十字焊缝。

（一般容器为不宜采用十字焊缝）。

●低温容器的制造、检验和验收

a）要按照NB/T47014进行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）；

b）控制焊接线能量，宜多道焊（GB150.4第7.2.5条）；

c）不得有未焊透、未溶合、裂纹、气孔、咬边等缺陷，尽量减少余高。

d）低温容器受压元件不得采用硬印标记（GB150.4第5.3.3条，7.2.6条）

e）GB150.4第7.2.3条规定设计温度低于-100℃但不低于-196℃的奥氏体不锈钢，其焊接接头需要进行冲击试验，31J。

f）GB150.4第8.2.2.1条规定了需要PWHT的厚度，如16MnDR：

＞25mm；09MnNiDR、15MnNiDR：

＞20mm（设计温度≥－45℃），任意厚度（设计温度＜－45℃）；08Ni3DR，任意厚度。

（建议低温容器尽可能PWHT，老标准C4.4条规定所有低温钢板大于16mm就需要PWHT）

g）需要逐台制备产品焊接试板（GB150.4第9.1.1.1条）；

h）GB150.4第10.3.1条规定了需要100%RT或者UT的条件：

其中设计温度低于-40℃，或者焊接接头厚度大于25mm的低温容器。

i）低温容器的局部RT或者UT则不能少于50%，且不少于250mm。