低温压力容器及管道系统在用检验 合肥通用所压力容器检验站 袁榕 概       况        低温技术是19世纪末在液态空气工业上发展起来的，随着科学技术的进步，低温技术在近30年中得到了迅速发展和广泛应用。低温压力容器和管道系统是低温工业过程的关键设备。碳钢和低合金钢制低温压力容器的特点是容易产生低温脆性破坏。低温脆断是在没有预兆的情况下突然发生的，危害性很大，因此在选材、试验方法和制造等方面均要采取措施，防止低温脆断事故发生。铝及铝合金、钛及钛合金、铜及铜合金、镍及镍合金和奥氏体不锈钢等制低温压力容器则没有低温脆断的情况。对于深低温条件下运行的容器，应有良好的低温绝热结构和密封结构。  表1  常见的低温工业过程 低温压力容器的低温界限        1、按常规设计的压力容器规范多采用经验的总结，包括失效、破坏的经验总结。所以各国根据各自的使用经验，人为划分低温界线。我国压力容器规范多年来习惯把小于或等于-20℃作为低温界线。实践表明这样划分具有足够的安全性。目前世界各国按常规设计的压力容器规范，对低温压力容器划分的温度界限各不相同，如表2所示。         2、按应力分析法设计的压力容器规范要求容器在整个使用（包括制造）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。因此，按应力分析法进行设计的压力容器规范，如ASMEⅧ-2，中国的JB4732都不划分低温与常温的温度界限。 低温压力容器和管道典型结构⑴     低温压力容器和管道典型结构⑵     低温压力容器和管道典型结构⑶     低温压力容器和管道典型结构⑷     低温压力容器和管道典型结构⑸     低温压力容器和管道典型结构⑹     低温压力容器和管道典型结构⑺     低温压力容器和管道典型结构⑻        低温压力容器的结构材料         低温压力容器内胆常采用奥氏体不锈钢、铝合金、铜合金（钛）；液化天然气的内胆也可用9%Ni镍钢和镍合金；液氟容器内胆多用蒙乃尔合金或不锈钢。低温压力容器外壳常用碳钢（如Q235、16MnR等）。内胆与外壳连接管道和构件常用奥氏体不锈钢、蒙乃尔合金。   低温钢制压力容器（标准）     国内：    1 GB150-1998《钢制压力容器》；    2《压力容器安全技术监察规程》；    3 JB4732《钢制压力容器分析设计标准》。    国外：    1 美国ASME锅炉压力容器规范Ⅷ-1、Ⅷ-2；    2 英国BS5500-1997《非直接受火熔焊压力容器规范》；    3 德国AD《压力容器规范》；    4 日本JISB8270-1993《压力容器基础标准》；    5 日本JISB8240-1993《制冷用压力容器结构》；    6 法国CODAP-1995《压力容器构造》。 低温钢制压力容器       19世纪末以来，在严寒地带的铁轨、桥梁和结构件曾发生一系列低温脆性断裂事故。本世纪40年代以来，许多压力容器、管道、化工设备及大型结构等焊接结构，多次发生低应力脆断，造成了巨大的损失。低应力脆断具有下列特点：       1、断裂时容器名义应力低于材料的屈服强度，在断裂之前没有或者只有局部极小的塑性变形；       2、裂纹扩展速率大；       3、低应力脆断多属解理断裂或准解理断裂（穿晶断裂），及脆性断裂（沿晶断裂），断口有晶粒状特点，光亮和平滑；        4、低应力脆断往往发生在有缺口或裂纹的容器上，并以筒体自身存在的各种工艺缺陷及杂质作为裂纹源；       5、断裂一般发生在较低温度，此时材料的韧性很差。       通过对金属断裂机理进行分析，发现金属的低温韧性，即缺口尖端处的金属微观塑性变形能力是决定压力容器抵抗应力脆断破坏的能力。 低温钢容器-影响低温韧性因素         1、晶体结构因素：体心立方结构的铁素体钢脆性转变温度较高，脆性断裂倾向较大；面心立方结构金属如铜、铝、镍和奥氏体钢则没有这种温度效应，即不产生低应力脆断。        2、化学成分的影响：对低温压力容器而言，增加含碳量将增大材料的脆性，提高脆性转变温度，低温用钢含碳量不超过0.2%。锰、镍改善钢材低温韧性，少量V、Ti、Nb、Al弥散析出碳化物和氮化物，进行沉淀强化改善钢材低温韧性。       3、晶粒度的影响：晶粒尺寸是影响钢低应力脆断重要因素。细晶粒使金属有较高断裂强度，且使脆性转变温度降低。       4、夹杂物的影响：磷易产生晶界偏析，钢中的氧以各种氧化物的形式在晶界析出，显著提高钢的脆性转变温度，导致低应力脆断。       5、热处理和显微组织影响：对钢的低应力脆断有很大影响。调质处理可以改善钢材低温韧性，但回火温度不应过高；正火处理用得最多；退火处理组织粗大，一般不采用。       6、冷变形的影响：冷变形使钢的韧性降低，应变时效使低温韧性恶化，脆性转变温度升高。       7、应力状态的影响：焊接接头中有裂纹存在又具有残余应力时，低应力脆断性质更为明显。 低温压力容器用钢的韧性要求           大部分国家将低温容器设计重点放在选材上，并在制造、结构上加以某些限制。早期的ASME规范，对于低碳钢及某些低合金钢制成的容器，在低温工作时要求其材料的夏比（V形缺口）冲击试验冲击功不小于20J。        该规定是建立在大量的破坏事故及其材料试验基础上的，对当时规范所推荐钢板的大量夏比（V形缺口）冲击试验结构中，发现起裂型钢板的最大冲击功约为14J，传裂型钢板最大冲击功不超过18J，大于27J的均属于止裂型。基于当时的研究结果，将V形缺口）冲击试验冲击功AKV=20J作为材料在其最低使用温度下的韧性考核指标。到了1953年，由于使用了较高强度的钢种，其临界转变温度基点转移到AKV冲击功曲线的较高位置上去了，20J的AKV冲击功指标并不能避免脆断的发生。因而对高强度钢而言，不同的钢种应分别对指标进行校正（或附加侧向膨胀量≥0.38mm)。        目前国外容器规范采用20J作为低碳钢在最低工作温度或设计温度下钢材缺口韧性唯一判据的有：美国ASME Ⅷ-1及Ⅷ-2，法国规范等。AD规范W10采用DVM试样的冲击功作为判据，即在设计温度下的DVM试样冲击功韧性为横向35J/cm2，此值相当于采用V形缺口夏比试样，在设计温度提高10℃的试验温度下达到纵向27J。一般认为在采用相同试样型式的前提下，纵横向的冲击功之比大约为1∶0.7。        GB150参考采用了ASME Ⅷ-1的有关规定，以20J作为低碳钢强度级别的钢材的验收判据。对钢板来讲国内要求横向取样，其冲击功要求并不低于国外规则对钢材的韧性要求。 钢材低温韧性的评定方法       自40年代钢结构的脆性断裂引起人们重视以来，各国对钢材低温韧性的评定方法以及评定指标进行了广泛的研究及试验。其中与压力容器关系较为密切的试验方法有下列几种：低温冲击韧性试验（V形缺口、U形缺口、DVM试样）；落锤试验；全厚度的大型试验（宽板试验、双重拉伸试验、ESSO试验）；断裂力学试验（平面应变断裂韧性KIC及裂纹尖端张开位移COD法）。       其中以低温夏比（V形缺口）冲击试验应用最为广泛，低温压力容器用钢的冲击试验温度应低于或等于壳体或主要受压元件的最低设计温度
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