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值得收藏:国际低温压力容器简介

2018-6-8 11:52:43      点击:

    前言:

    把设计温度为-20℃以下的压力容器称为低温压力容器,如:液化乙烯、液化天然气、液氮和液氢等的储存和运输容器。早在19世纪末在液态空气工业上发展起来的,随着近40年科学技术突飞猛进,得到了迅速发展和广泛的应用。低温压力容器是低温工业过程的关键设备。

   

   一般压力容器选用的是铁素体钢,温度降低到某一程度时,钢的韧性将急剧下降而显得很脆破坏。低温脆断在没有预兆的情况下发生的,危害性特别大,所以低温压力容器在选材、检验和制造的过程中应采取措施,防止低温脆断事故的发生。 对于深低温条件下运行的容器,除了上述措施外,还必须有良好的低温绝热结构和密封结构。本文主要对低温压力容器的近期研究成果进展、选材方法、结构特点和绝热结构等简单介绍。

    压力容器的低温界限

   

国家 美国 日本 德国 法国 英国 中国
规范名称 ASEM VIII-1 JIS B8270 AD规范 非直接火受压设备设计规范 PD550 GB150.1~150.4
低温界限 <-30℃ <-10℃
<-10℃
<-20℃
<0℃
<-20℃
     从上图可知:目前世界各国压力容器低温界限各不相同,美国是按应力分析法进行设计的压力容器规范,按应力分析法设计的压力容器规范要求容器在整个使用过程中,无论在常温或低温下使用,都应具有一致的韧性要求,以防止在各个使用环节上发生脆性断裂。这些规范所考虑的压力容器的使用环节主要有正常运转时、开始运转时、耐压试验时等工况。

   因此. 规范并不人为地划分温度界限,从分析的角度以及防止脆性断裂的机理上来看,是比较科学的。按常规设计的压力容器规范多为经验的总结,其中包括失效、破坏的经验总结。所以,各国都根据各自的使用经验人为地划分了低温界限。

   我国压力容器规范近年来习惯把低于-20℃作为低温界限。实践表明,高于或等于-20℃的压力容器按一般常温容器进行选材、设计、制造是具有足够安全性的,也被广大设计、制造、使用及监察部门所认可。


    

   低温低应力工况:

   1972 年的德国AD 规范首先在低温压力容器中,把使用温度和应力水平联系在一起综合考虑,这种考虑方法符合断裂力学观点。派林尼的断裂分析图以及Wells 的宽板拉伸试验均表明,如果对焊接构件在使用前,先在高于材料NDT (无塑性转变温度)的温度下( 一般为常温)进行超载试验,只要这个预加的试验载荷与操作时的载荷在容器中引起的应力是同种类型和同样方向的,则脆性断裂就不会在使用过程中,在低于预加的试验载荷下发生。

  容器制造完成后都要进行相当于设计压力1.25~2.0 倍的水压试验, 此水压试验的实施为焊态容器在低应力工况下避免发生脆性断裂提供了保证。同时该观点和制冷行业的观点是一致的,我国在制冷和空分设备中, A3F (现为Q235 - A • F) 曾用于-196℃ 的制氧蓄冷器,铸铁设备也成功地应用于低温场合。


     

   从典型的制冷剂温度与饱和蒸气压的关系可知,采用如R12 、R22 、R717 等标准沸腾温度高于-50℃ 的制冷剂的制冷压力容器,设计压力与低温(低于或等于-20℃) 下的工作压力的比值都在6 以上。

   以设备的水压试验压力为设计压力的1.25~2.0 倍计算,则水压试验压力与低温下工作压力的比值均在7.5 倍以上。而壳体的一次总体薄膜应力仅考虑由内压引起时,其应力水平是相当低的。

AD 规范把应力分为三类:一类为常温的设计应力;二类为常温许用应力的75 % 或50%;三类为常温许用应力的25 % 。如以DIN 171001 组钢为例,在一类应力范围的许用工作温度为-10℃(很接近材料的NDT) , 二类应力范围的许用工作温度为-60 ℃[接近材料的NDTS ,即NDT-(45~50)℃], 三类应力范围的许用工作温度为-85℃ 。

   进入20 世纪80 年代后,随着断裂力学不断发展和低温压力容器应用范围日益扩大,世界各国压力容器的规范或标准中都规定了低应力工况下低温压力容器的特殊处理方法,具体见下表:

                                    各国规范对低应力工况的处理措施



   我国压力容器国家标准GB 150.3 对"低温低应力工况"也作了规定,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的工况。

   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℃后.不低于-20℃ 时,则不必遵循低温压力容器的有关规定;若设计温度调整后低于-20℃时,按调整后的设计温度执行低温压力容器的有关规定,钢材的冲击试验温度也应低于或等于调整后的设计温度。

   "低温低应力工况"不适用于钢材标准抗拉强度下限值大于540 MPa 的低温容器,也不适用于分析设计。螺栓材料一般不列入低温低应力工况考虑,但应计及螺栓和壳体设计温度间的差异。