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低温压力容器设计要点

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低温压力容器设计要点_第1页
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精品低温压力容器目前我国没有特地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 GB150.3-2023 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℃(标准 GB150-2023 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〕GB150.1-2023 第 4.3.4d 条:在确定最低设计金属温度时,应当精品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GB150.3-2023 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需的法向应力或 且应力〕这个定义与老标准有差异,设计应力与环向应力的区分,用 设计应力更严谨标准明确了在进展容器的“低温低应力工况”判定时,除 了对壳体元件进展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展考察,如平封头、管板、法兰等● 关于低温低应力工况下,选材依据设计温度加 50℃〔或者, 加 40℃〕的规定GB150.3-2023 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, 对低温容器进展焊后热处理可以大大削减接头范围内的焊接剩余应力,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,即使依据“低温低应力工况”推断容器不是低温容器,则设计者依据容器的具体条件或者工程阅历仍旧可以依据低温容器的要求进展设计,仅仅材料不是低温钢材而已〕。

● 设计温度确实定由于-20℃是推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确实定的原则依据 GB150.1-2023 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)依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)依据容器内部介质温度并结合外部条件求得金属温度;如有牢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、 剩余应力、应力集中等因素引起的较高局部应力,容器就可能在没有消灭明显塑性变形的状况下发生脆性裂开而酿成灾难性事故对于低温压力容器首先要选用适宜的材料,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GB150.2-2023 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GB150.2-2023 第 3.5 条规定使用温度低于-20℃的低温钢板和锻件应当承受炉外精炼工艺GB150.2-2023 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〕GB150.2-2023 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GB150.2-2023 中表 4 规定了钢板的使用温度下限,包含低温用钢板GB150.2-2023 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GB150.2-2023 第 5.1.2 条规定设计温度低于-40℃的钢管用钢应当承受炉外精炼工艺GB150.2-2023 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〕。

GB150.2-2023 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GB150.2-2023 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 GB150.2-2023 第 3.7.2 条规定GB150.2-2023 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GB150.2-2023 第 7.2.3 条规定了高合金螺柱的使用温度限制为了避开在低温压力容器上产生过高的局部应力,在设计容 器时应避开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急的缺陷对于因焊接而引起的过大 剩余应力,应在焊后进展消退焊接剩余应力处理低温容器的材料标准板材标准板材:GB3531-2023《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℃,47J60<t≤120,-30℃,47J15MnNiDR:t≤60,-45℃,60J15MnNiNbDR:10-60,-50℃,60J09MnNiDR:t≤36,-70℃,47J36<t≤120,-70℃,60J板材:GB19189-2023《压力容器用调质高强度钢板》 有 4 个钢号07MnMoVR:10≤t≤60,-20℃,80J12MnNiVR:10≤t≤60,-20℃,80J07MnNiVDR:10≤t≤60,-40℃,80J07MnNiMoDR:10≤t≤50,-50℃,80J板材:GB24511-2023《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》〔GB24510-2023〕本标准适用于制造液化自然气(LNG)储罐、液化自然气(LNG) 船舶等低温压力容器用厚度不大于 50mm 的 9%Ni 钢板GB150.2-2023 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 GB24510-2023 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构造形式、强度计算与钢相像,该局部内容均参照 GB150其焊接工艺评定和产品焊接试板局部均引用有关规定和标准只对铜材的特别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别要求, 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构造形式、强度计算与钢相像,该局部内容均参照 GB150其焊接工艺评定和产品焊接试板局部均引用有关规定和标准只对镍材的特别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别要求,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℃,47J100<t≤300,-40℃,47J20MnMoD: t≤300,-40℃,47J300<t≤700,-30℃,47J08MnNiMoVD: t≤300,-40℃,60J10Ni3MoVD: t≤300,-50℃,80J09MnNiD: t≤300,-70℃,60J08Ni3D: t≤300,-100℃,47JNB/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GB9948-2023 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〔GB150.2-2023 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〔GB150.2-2023 第 5.1.5 条〕;16Mn 钢管在壁厚不大于 40mm 时可以用于-40℃,34J〔附加杂质含量掌握,P≤0.025,P≤0.012〕;GB150.2-2023 附录 A 增加了 2 个低合金钢管09MnD t≤8,-50℃,47J09MnNiD t≤8,-70℃,47JGB150 引用的不锈钢钢管标准GB 13296-2023 锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管GBT 14976-2023 流体输送用不锈钢无缝钢管〔不得用于换热管〕GBT 21833-2023 奥氏体-铁素体型双相不锈钢无缝钢管〔用于换热管时,应承受冷拔或冷轧钢管,尺寸精度承受高级精度〕 GBT 12771-2023 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〕GBT 24593-2023 锅炉和热交换器用奥氏体不锈钢焊接钢管〔使用限制见 GB1。

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