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静设备
石油化工设备技术,2014,33(5)?8?
Petro-chemical Equipment Technology
浅析低温容器低应力工况
兰天路
(中国石化工程建设有畏公司,北京100101
摘要:文章从规范GB150.1~150.4一2011《压力容器》对低温容器的设计建造规定出发,参照国内外
的相关规范标准,分析低温容器设计的本质;闻述了GB150.1~150.4-2011《压カ容器》和ASMF锅炉及
压力容器规范》中对低温容器定义的不同之处,以及“低温低应力エ况”的本质意义。结合工程实际中的四种
典型工况,探讨了低温低应力容器的合理性设计。
关键词:低温容器低温低应カ工况低温韧性MDMT
在压力容器行业的工程实践中,低温容器的对所谓“低温容器”的界定也有所不同,但本质上
设计一直都是不容忽视的。低温容器的低温脆性都是根据材料的冷脆性能,去衡量材料的的低温
破坏,发生破坏的受压元件整体应力水平很低,并韧性或者确定材料的韧脆转変温度。一般情况
且裂纹仅从应力集中或缺陷处开始并高速扩展,下,衡量材料的低温韧性,通常使用的方法是用
通常没有明显的征兆,危害极大。
CVN( Charpy Vー Notch impact Test)冲击试验
在国内外诸多压力容器建造规范中,对于低(夏比V型缺口冲击试验),即用冲击吸收功值来
温容器的设计和建造,无论是材料选用,还是结构衡量。
设计、焊接、热处理和无损检测等方面都有极其严2低温容器的设计规定
格的要求。
中国的规范文献(1】中对低温容器的定义,总
在文献【】的规范性附录E的关于低温容器体来说是根椐温度来界定的,其定义为“设计温度
的基本设计要求中,引入了“低温低应力工况”的低于-20℃的碳素钢和低合金钢制、双相不锈钢
概念。然而,在确定的设计条件下,如何理解和应和铁素休不锈钢制容器,以及设计温度低于
用“低温低应力工况”进行合理的设计,这些都需-196C的奥氏体不锈钢制容器”。同时,文
要从低温容器的本质意义上去探究。
献1】指出,“对于设计温度低于-196C的奥氏
1低温容器的本质
体不锈钢制容器的设计,按相关规范标准处理。
我们知道,具有体心立方品格结构的碳素钢所以,本文中讨论的低温容器,是碳素钢和低合金
和低合金钢,在温度下降的时候,韧性会随之下钢材料在低温下的应用,即文献【1】附录E一有
降,当低到某一温度时,材料会发生韧脆转变,在关低温压力容器的基本设计要求的内容。
低应力水平下发生断裂,断裂形式由韧性状态转
在文献【1】附录E中,引人了“低温低应力工
变为脆性状态,这一温度称为韧脆转变温度,材料况”的概念,定义为“壳体或其受压元件的设计温
的这种现象称为冷脆
度虽然低于一20℃,但设计应力(在该设计条件
所谓“低温容器”的低温脆性破坏就是源于材
下,容器元件实际承受的最大一次总体薄膜和弯
料的冷脆现象,从设计建造的特殊性上,就是防止曲应力。以下简称同。)小于或等于钢材标准常湿
低温脆断的问题。用于低温容器的材料必须具有
屈服强度的1/6,且不大于50MPa时的工况”。
尽量低的韧脆转变温度和足够的低温韧性,就是
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说材料的使用温度必须足够的高于其韧脆转变温
收稿日期:2014-05-09
度,同时,材料在其使用温度下的低温韧性指标还
作者简介:兰天路,女,2007年毕业于天津大学化工过程机
械专业,工学硕上,现在设备二室从事石油化工设备的设计
必须充分的大于设计规定值。在国内外诸多压力
工作,工程师。
容器建造规范中,根据各个国家自身条件的不同,
Email:lantianlusei@;sinopec.com
第35卷第5期
兰天路.浅析低温容器低应力工况
然而,在实际的设计实践中,一般情况下,若根据同时MDMT在一48~-104℃时,可免除冲击试
最苛刻工况来进行受压元件的设计,实际的设计验。从图2中不难看出,这个关于免做冲击试验
应力会很难满足“低温低应力工况”,除非设计余的MDMT降低值的规定,既是与文献(1】中“低
量足够大;换句话说,如果仅仅是为了满足低温低温低应力工况”大致相同的关于低温低应力的规
应力工况的要求而人为加大设计裕量也是没有必定。这里,需要探讨的是根据厚度或应力所得的
要的。那么,文献【1】对“低温低应力工况”做出规比值0.35的意义,我们试作分析,文献【1】中“低
定的本质意义是什么,在实践中如何应用呢?这温低应力工况”的判定原则是设计应力小于或等
些也许可以通过参照其他相关规范标准来寻求于标准常温屈服强度的1/6,而文献【2】和文献
答案。
1】现在的安全系数均为1.5,按0.35的比值,则
低温容器的设计规定及比较
计算应力与屈服强度的比值为1/4.3,与文献1
作为文献(1】的主要参考规范一文献2,对中的1/6相比,文献【1】更加保守。同时,在低温
所谓“低温容器”的界定,不是仅仅按温度划分的,低应力MDMT降低值的应用上,文献(1】只有在
还与材料类别、受压元件厚度和实际应力水平有“低温低应力工况”下,オ对MDMT进行调整,且
关。总的原则是,先在材料标准中,规定了各种材温度差值只有50C(不要求焊后热处理的容器为
料的CVN值,然后在其低温操作部分(UCS-65、40℃),而文献【2),是对应了图2中一条曲线,不
UCS-66和UCS-67)针对不同材料判定是否需要同的比值对应不同的温度差值
冲击试验及确定其冲击试验的MDMT。在此,
MDMT的概念与文献(1】中的一致,即“设计时,
容器在运行过程中预期的各种可能条件下各元件
金属温度的最低值”。用以确定是否需要冲击试
16
验及冲击试验的MDMT。该部分的应用大致有
區4
以下两方面
1)按设计条件的MDMT、材料类别、受压元
件厚度,査取冲击试验豁免曲线,见图1。在曲线
下方说明有脆断可能,需按该交点的MDMT进
要求冲击试验
行神击试验。在这里需要注意的是,该曲线是根
76102127
据材料弹塑性断裂力学原理进行判别(即K),
公称厚度/mm
判别式为K1=お√xa≤Kc,但是在形式上还是用
图1冲击试验豁免曲线
注:对焊接结构,最大厚度限于102mm
CNV值】。
2)提出一个关于免做冲击试验的MDMT降
1,0
低值的规定,见图2。图2中纵坐标为考虑焊接
0.80
接头系数后的计算厚度与考虑腐蚀裕量后的有效
厚度的比值(或是考虑焊接接头系数后的一次总
0.60
体薄膜应力与许用应力的比值,以下简称比值),
杀0.40
同时也可用于不承受一次总体薄膜应力的元件
0.3
当比值小于等于0.35时可免做冲击试验
(如法兰、封头和平盖等),其所考虑的应力为弯曲
应力;而横坐标是可降低的温度差值;按根据厚度
020406080100120140
或应力所得的比值,査曲线得温度差值,以减小所
温度差值/℃
需要进行冲击试验的MDMT,当以调整后的
MDMT,按图1可免除冲击试验时,即可免除冲
图2免做冲击试验的MDMT降低值
击试验。
通过以上的比较分析,我们