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低温压力容器设计的若干问题探讨

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摘要:社会经济的发展带动了各行业的国际化发展,我国经济市场不断与国际接轨,很多国际同行,也加入了市场竞争之中。在此形势下,国内企业要想提高竞争力,在国际范围内提高知名度,势必要提升产品的设计标准。具体到压力容器行业而言也是如此,压力容器产品要不断提升设计水平,从而令产品在国际上拥有更强的竞争力,进一步推动整个产业的国际化发展。然而,从当前国内的压力容器行业来看,诸多企业在产品设计过程中还存在着诸多技术误区。

关键词:低温;压力容器;设计问题;研究

1设计温度的确定

不同的温度环境中,设计、选材以及制造等因素的选择存在着较大的差异,设计温度是以-20℃为准,高于这一温度与低于这一温度时,设计存在着巨大不同。在设计的过程中应从设备中设置恰当的设计温度,将温度与设计压力都考虑到设计载荷中去,针对环境温度、介质温度、保温或者保冷措施等逐一分析。在工程中针对低温压力容器的设计温度可用以下方法来确定:元件金属沿截面厚度的平均温度被称作为金属温度系,而其两侧的流体温度出现不一致时,计算其表面温度时,可利用传热计算的模式算出,具体操作时,还需要掌握各项数据,其中包括:通过流体与壁面间的给热、元件金属热量传导、污垢热阻等,从而代入计算。然而,目前一些很多数据无法查出,比如介质的传热系数K值、给热系数α值等,因此,在实际的计算中以经验代入为主[1]。针对当前已经有生产运行的同类容器,要想确实其受压元件金属温度值往往是以实际测定的方式来完成。针对露天厂房或者是无采暖措施的厂房内的容器,壳体金属温度需要考虑到环境气温条件给其带来的影响。

2材料的低温冲击韧性

2.1材料韧性与温度的关系

冲击韧性与温度变化两者之间直接相关,而中低强钢与高强钢的冲击韧性与温度变化相关性存在着一定的差异,具体如图1抗拉强度所示,高强钢大于1000MPa,中低强钢小于600MPa。相对现有的研究结论分析,低温环境下会产生解理断裂,而高温环境下会产生韧窝断裂。从图示中来看,中、低强钢韧脆转变温度相对较高。高强钢通常情况下都具有较高的解理断裂抗力,但是其韧脆转变温度一般情况下都较低,高强钢的韧性断裂抗力相对较低,温度变化之下其韧性的变化也相对平衡。基于此,在选取材料时,低温韧性是满足制作低温压力容器的首要条件,并在此基础之上选择高强度钢材[2]。

2.2提高材料低温韧性的方法

2.2.1细化晶粒

材料的低温韧性的提升可采取加入必要元素的形式来完成,比如可将适量的Ti、V、Nb、Al等元素加入至钢内,从而形成细小稳定的TiC、VC、NbC、AlN等化合物粒子,它们可以有效阻止奥氏体晶粒变大化,将钢晶料进行细化,有效提升晶界总面积,从而达到提升钢低温韧性的效果。

2.2.2改善基体的韧性

在进行炼制的过程中可加入适量镍,这是由于镍溶于铁素体时可以有效改变位错运动,从而令其更好地绕过障碍,规避大型的应力集中,有效提升整个基体的韧性。假如其镍的含量>13%,还有可能消除韧脆转变。目前实践中的低温钢通常都是高镍钢。除了镍,锰也是常用的一种元素,只是其效果不如镍。

2.3低温压力容器的结构设计

低温环境下钢材对应力集中敏感性增加,导致低温脆性破坏倾向也更大。在进行结构设计时需要将其尖角、应力集中等消除,设计注意事项如下:结构以简单为宜,从而保证元件间互相约束程度降低。温度梯度不应过大。截面尽可能避免急剧变化,从而降低应力集中。附件连接焊缝要避免与设备A、B类焊缝相接,同时要以连续焊的形式完成。在焊接支腿、耳座、鞍座等部件使其与筒体连接时,需要设置垫板或者连接板等,并且要保护板材选材可满足低温使用。接管补强时要尽可能选择使用整体补强、厚壁管补强等,如果补强时,使用的补强板,那么就要采取全焊透的结构处理其截面,保证焊缝可以圆滑地进行过渡。结构中焊缝交叉、焊缝集中问题应尽可能避免。若容器存在焊接的复杂部件,焊接完成之后,要消除其应力,并单独对部件进行热处理。焊缝结构:A类焊缝可进行双面对接焊,如若选择单面对接焊,要求其质量达到双面焊的水平;B类焊缝与A类焊缝相类,假如不受结构限制,可使用不拆除垫板的单面对接接头;C、D类焊缝应使用全截面焊透结构模式。

2.4焊接要求

在低温压力容器的制作过程中需要高质量的焊接,对焊接工艺有着相当高的标准,应当按照《承压设备焊接工艺评定(NB/T47014-2011)》中,制定的标准来评定焊接工艺水平。焊接所使用的材料,也有一定的要求,通常要求使用和其母体材料具有较高相似性的材料,并且要保证其低温韧性。低温用钢在焊接的过程中要避免焊缝金属与热影响区之间出现粗晶组织,最终影响到钢材的低温韧性,所以,在焊接的过程中要保证对其焊接线能量的挨近,保证在相应范围内选择较小的能量,展开多道焊接,避免焊道高温。同时,要针对焊缝展开冲击实验,如果焊缝两侧的母材需要不同的冲击试验要求,此时需要调整其冲击实验的温度,采取两者中相对较高的温度。焊接接头的过程中要规避弧坑等缺陷,尽可能地降低余高,避免凸形角焊缝。完成焊接之后也要展开焊后热处理,从而有效降低低温脆断,将焊接接头部分残留下来的应力进行消除。如若焊后热处理失当会引发容器的变形、过热、开裂等问题,因此要保证热处理的正确性。在进行热处理的赛程中选定正确的厚度、严格设计正确的参数、保证操作规范性。

2.5焊接和焊后热处理

2.5.1焊接注意事项

以《钢制压力容器焊接工艺评定(JB4708)》为标准,进行焊接操作,并对焊接工艺进行严格评定,同时,制定完善的工艺指导手册,用于容器生产的焊接指导。如若焊缝两侧的母材需要不同的冲击试验要求,此时需要调整其冲击实验的温度,以较高一方的温度为准。低温冲击功两侧母材所要达到了较低抗拉强度值,也需要达到GB150-1998表C2中的相关标准。根据具体要求,来确认母材的热影响区。当两侧母材对拉伸与弯曲性能的标准不同时,其接头的各项性能按照其中较低的标准执行。依据JB4708对其焊接工艺展开评定,假设焊接接头是,不同的多个组别号构成,则需要重新进行低温冲击试验来评定。严格把控焊接线能量。在进行焊接工艺评定范围中,焊接线能量宜小不宜大,尽量选择多道施焊。

2.5.2焊后热处理的注意事项

焊后热处理在焊接工作中不可忽视,其主要作用是有效消除焊接残余应力,从而降低其低温脆断。根据GB150-1998的相关规定,如若采用的是碳素钢或者低合金钢,且其钢板厚度超过16mm,焊接后必须要接受热处理。如果焊后热处理不当会引发产品变形、开裂、脱碳等多种缺陷。有些缺陷可以进行再次热处理来解决,但是有些缺陷却是不可逆的。焊后热处理有以下注意事项:在壳体上进行盖板、法兰等焊接时,可取其壳体厚度。在进行高颈法兰与接管焊接时,可取其管颈厚度。在进行焊缝返修时,可取其所填充的焊缝金属厚度。在进行管与管板焊接时,可取其两者的焊缝厚度。在接管与壳体以及入孔进行焊接的过程中,可采取当前元件中厚度最大者。选定处理厚度之后,要注意各工艺参数的设置,保证其符合相关操作规范。

2.6制造与检验设计环节

完成之后,还要在制造容器之前展开多次试验与处理,从而保证产品的质量,比如要进行热加工处理、除应力热处理等。针对热成形、温成形等元件,要在其成形后,进行热处理,使其达到较好的使用状态。各步骤的检验与其成品质量息息相关,针对容器壳体厚度>25mm、设计环境温度在-40℃之下的A、B类焊接接头,应采取超声波检测亦或者是全部射线检测。除此之外,低温压力容器还要对A、B类焊接接头展开必要的无损检测,针对其重要的局部进行再次检测,其检测的长度应当不小于250mm,且不得低于其焊接接头长度的一半。如若对其展开液压实验,那么要保证其液体的温度必须要大于或者等于其接头与壳体材料冲击试验温度加20℃,若两者温度不同则取其高者。

3结语

当前在液态天然气、石油装置等多个领域中,低温容器都发挥着重要的作用,容器的设计直接决定着生产的安全性,因此,在设计的过程中必须要慎之又慎,以《GB150-201从压力容器》等规范、标准文件为参考,规范操作,设计出结构、选材都相对合理,且强度计算无误的产品,保证安全生产。

参考文献

[1]李世玉.压力容器设计工程师培训教程[M].北京:新华出版社,2005:362~380.

[2]中国石油和化学工业协会.《钢制低温压力容器技术规定》(HG/T20585-2011)[S].北京:中国计划出版社,2011.

作者:彭玄 单位:上海森松压力容器有限公司

低温压力容器设计的若干问题探讨责任编辑:张雨    阅读:人次