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1、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关卫和 2020 6 4 2 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
2、常见的低温工业过程 2020 6 4 3 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ASME 2 中国的JB4732都
3、不划分低温与常温的温度界限 表2各国按常规设计钢制容器规范的低温界线 2020 6 4 4 低温压力容器和管道的典型结构 液氧 液氮和液氩压力容器 图115L杜瓦容器 2020 6 4 5 低温压力容器和管道的典型结构 液氧 液氮和液氩压力容器 图2CF 100000液氧储槽 1 仪表箱 2 液氧蒸发器 3 抽真空管 4 盖板 2020 6 4 6 低温压力容器和管道的典型结构 液氧 液氮和液氩压力容器 图3WYN 180型运输用低温容器 1 真空封口 2 支承 3 输液管 4 定点液位计 5 引线管 6 挡板 7 外壳 8 吸附剂 9 安全阀 10 增压系统 11 压差液位计 12 盖板 1
4、3 仪表板 14 内胆 15 增压管 2020 6 4 7 低温压力容器和管道的典型结构 液氧 液氮和液氩压力容器 图438M3铁路液氧槽车 1 外壳体 2 内容器 3 吊杆 4 排液阀 5 排液管 2020 6 4 8 低温压力容器和管道的典型结构 液氢和液氦压力容器 图5液氮保护的液氢容器 2020 6 4 9 低温压力容器和管道的典型结构 液氢和液氦压力容器 图6100L多屏绝热液氦容器 2020 6 4 10 低温压力容器和管道的典型结构 液化天然气储存容器 图7东京煤气公司130000M3地下液化天然气储罐 2020 6 4 11 低温压力容器和管道的典型结构 低温液体输送压力管道及
5、设备 图8低温阀门 1 摆动杆 2 可拆卸的罩 3 阀 2020 6 4 12 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36 Ni钢 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 2020 6 4 13 低温钢制压力容器 标准规范 国内 1GB150 1998 钢制压力容器 2 压力容器安全技术监察规程 3JB4732 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 1 2 2英国BS5500 199
6、7 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 2020 6 4 14 低温钢制压力容器 低温用钢 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 钢的冷脆是压力容器材料脆化最重要的类型 所谓冷脆性是指金属材料在低温下呈现韧性降低 脆性增大的现象 对于在低温下工作的受压元件 考虑钢材冷脆性是选用钢材的基本要求 对于高温下工作的承压设备 虽然在运行状态下塑性良好 但在室温下进行水压试验时 仍有可能发生脆性破坏 这
7、也属于冷脆问题 本世纪纪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 多次发生脆性破坏 造成了巨大的损失 为了避免发生破坏 在水压试验时规定了不同的最低温度值 当温度逐渐降低时 材料的破坏型式将由延性断裂转变为脆性断裂 其转变点的温度称为韧脆转变温度 这是材料低温韧性的重要指标 2020 6 4 15 低温钢制压力容器 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
8、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
9、 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 2020 6 4 16 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
10、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 1及 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
11、冲击功之比大约为1 0 7 GB150参考采用了ASME 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 2020 6 4 17 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
12、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 并以在冲击试验中对应的一定的吸收功AKV J 或一定的断口纤维百分率的温度 即脆性转变温度来评定材料的低温韧性 1 美国ASME规范 1 2 日本JIS8243 德国AD 压力容器规范 法国CODAP 1995 压力容器构造 以 V形缺口 冲击试验为依据 2 英国BS5500 1997 非直接受火熔焊压力容器规范 以宽板试验为基础 以 V形缺口 冲击试验为工程评定方法 3 日本WES3003 低温结构用钢板评定基准 及JISB8250 压力容器构造 另一标准 以温度梯度型双重拉伸试验 以ESSO试
13、验为基础 以缺口冲击试验作为工程评定方法 4 美国ASME规范 核动力装置设备 是国外唯一的以断裂力学理论为基础的规范 采用缺口冲击试验及落锤试验作为工程的评定方法 2020 6 4 18 低温压力容器用钢板和锻件 一 国内 外常用的低温用钢主要采用低温镇静钢和镍系低温钢1 低温镇静钢 16MnDR 09Mn2VDR 09MnTiCuRe 06MnVAl 06AlNbCuN2 镍系低温钢 0 5 2 25 Ni 70 3 5 Ni 101 5 Ni 120 170 9 Ni广泛用于液氧储罐 强度高 具有良好的低温韧性 196 2 5Ni 60 AKV 47J 3 5Ni 100 AKV 47J
14、 9Ni 170 AKV 47J 15Mn26A14 253 AKV 47J 3 奥氏体不锈钢 1Cr18Ni9 196 AKV 47J 700 二 低温压力容器用钢板 GB150 钢制压力容器 GB3531 低温用压力容器钢板 16MnDR 40 AKV 24J 15MnNiDR 45 AKV 27J 09Mn2VDR 40 AKV 27J 09MnNiDR 40 AKV 27J 07MnNiCrMoVDR 40 AKV 47J 三 低温压力容器用钢锻件09Mn2VD 50 AKV 27J 20MnMoD 30 AKV 27J 08MnNiMoVD 40 AKV 47J 10Ni3MoD 5
15、0 AKV 47J 16MnD 40 AKV 20J 09MnNiD 70 AKV 27J 2020 6 4 19 防止低应力脆断的设计原则 目前所有的容器规范对低温压力容器的设计 是根据室温抗拉强度或屈服强度所决定的许用应力进行设计 该方法能有效地防止发生大塑性变形的破坏 如何确定需要的韧性水平 应根据采用何种原则决定 第一种原则 允许存在一定的缺陷 但应能防止开裂 在焊接部位一般来说存在缺陷较多且韧性较差 而断裂总是从缺陷和韧性较差的地方开始的 因此采用这一原则时必须测定热影响区和熔合线的性能 要求韧性最差的地方能承受外载荷所产生的应变 第二种原则 允许有缺陷存在并有可能自韧性较差的焊接区
16、开裂 主要靠母材来防止裂纹扩展而避免产生断裂事故 由于焊接接头金属 熔合线和热影响区的韧性较母材差 所以裂纹往往沿着焊接接头区而扩展 因而用这种方法来防止脆断并不可靠 第三种原则 允许自缺陷处发生开裂 而容器的各个部位均能止裂 它存在二个缺点 采用这种防止脆断方法时要选用韧性非常好的材料 这意味着材料成本费非常高昂 作为一个绝对安全准则的有效性是和结构类型有关的 对带缺陷容器的爆破试验结果表明 在完全液压状态下止裂较容易 在气压或带有部分气体的液压情况下 由于系统中储藏的能量较大 止裂较困难或须设计专门的止裂结构 而对于石油化工及制冷空分行业的低温压力容器来说 其内部介质往往是气相 气液二相 因此不能用止裂原则来防止低温脆断 由此可见 对于低温压力容器最适当的防止脆断的办法是第一种原则即防止开裂原则 目前世界各国的压力容器规范都采用这一原则 2020 6 4 20 低温低应力工况 1 1972年德国AD规范首先在低温容器中 把使用温度和应力水平联系在一起综合考虑 试验表明如焊接构件在使用前 先在高于材料无塑性转变温度下进行超载试验 只要这个预加的试验载荷与操作时应力是同种类型和同样方向
