低温压力容器设计理念研究

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摘要：为了进一步提高低温压力容器的设计水平与使用性能，对国内外的低温压力容器设计理念进行了比较。首先，对我国GB150《压力容器》中的设计理念进行分析，然后以美国ASMEⅤⅢ-1规范中关于压力容器的设计理念和欧盟EN13445规范中关于压力容器的设计理念作为对比研究对象，分析对比三种低温压力容器设计理念的异同之处，仅供参考。

关键词：低温压力容器；设计理念；比较

低温压力容器区别于常温压力容器的地方在于其容易发生脆性断裂，不可预知、不可控。换句话说，就是低温压力容器比常温压力容器更易引发重大的灾难事故。所以，必须要对低温压力容器进行科学的设计。对此，世界各国都出台了关于低温压力容器设计的规范条文，但各国之间各有一定的不同。目前，我国现行的规范是GB150《压力容器》，其中可以看出我国关于低温压力容器设计的理念。而美国现行的规范是ASMEⅤⅢ-1规范，欧盟则是EN13445规范。笔者对这三者设计理念进行了分析对比，仅作抛砖引玉之用。

1我国GB150《压力容器》中的设计理念分析

在我国现行的GB150《压力容器》中，低温界限为-20℃以下时，可以在一定温度范围内发生韧性-脆性转变，而其尺度并没有严格规定，允许有一定差异。不过，对于工程设计而言，这一规定仍然具有一定的极端性。例如，当设计温度低于或者高于-20℃时，工程的设计、选材及制造等环节均存在较大的差异。所以，在低温压力容器设计时，明确设计温度是最为关键的一项环节。而若想确保设计温度的合理性，则必须要站在多个角度进行分析，如介质状态的影响、环境的影响、保护措施的影响、压力-低温组合工况的影响等等。根据既往经验，笔者认为设计温度可以依据以下方法来确定：①若受压元件的两侧均具有热量传递，则可根据GB151-99中的相关公式，利用传热计算的方式计算出设计温度；②若受压元件直接接触工作介质，则可以以介质的工作温度或者最低温度为标准，折减5℃-10℃作为设计温度；③若受压元件受环境温度的影响，那么在确定设计温度时就需要充分考虑到多方面问题，如在寒冷环境下，若物料的充装量≥压力容器的25%，介质为液体，则应当在室外计算温度的基础上再加1℃，而若介质为压缩气体，则应当在室外计算温度的基础上减2℃。

2国内外低温界定的分析对比

根据既往经验来看，压力容器在发生低温脆断破裂的过程中，并不会出现或仅有局部区域内极小塑性变形的现象，一般情况下，整体结构不会发生屈服现象。关于受压元件的低应力脆断问题，目前国内外都在相关压力容器规范中做出了相应的规定，并对其低温界限进行了划分。美国的ASMEⅤⅢ-1规范中所划分的低温界限标准为-3℃以下；德国的AD规范中所划分的低温界限标准为-10℃以下；英国的BS5500规范中所划分的低温界限标准为0℃以下；法国的非直接受压设备设计规范中所划分的低温界限标准为-20℃及以下；日本的JISB8243规范中所划分的低温界限标准为-10℃以下。而我国的GB150《压力容器》中所划分的低温界限标准则为-20℃，这是由于经既往经验来看，当在-20℃以上的温度环境下使用压力容器时，若以常温标准来选材、设计及制造，能够保障安全性。

3国内外设计理念的分析对比

美国ASMEⅤⅢ-1规范中关于压力容器的设计理念和欧盟EN13445规范中关于压力容器的设计理念均遵循了断裂力学相关原理及方法，即通过分析材料组别、材料厚度、应力水平、元件最低操作温度等来对冲击试验的可行性进行评估，这一点十分符合钢材脆性断裂情况下的原理。并且欧盟EN13445规范中还对基于断裂力学原理的分析方法进行了详细描述，即当常规方法不适用时，可以采用后续方法来进行补充，这更加突出了其方法的实用性。而我国的GB150《压力容器》中虽然也建议遵循断裂力学相关原理及方法对冲击试验的可行性进行评估，但其总体设计思想却仍旧比较滞后，与美国和欧盟的设计理念相比存在一定的差距。并且我国的GB150《压力容器》中所划分的低温界限标准，并未充分考虑到材料的厚度和在此厚度下的实际缺陷尺寸等对材料的冲击韧性的影响。以Q345R正火板为例，美国的ASMEⅤⅢ-1规范中认为150mm的Q345R正火板在0℃以上的温度条件下仍然无法完全避免脆性断裂，而20mm的Q345R正火板即使是在-35.0℃的温度条件下也不用进行低温冲击性试验即能保证不会发生脆性断裂。而我国的GB150《压力容器》中则要求25-200mm的Q345R正火板必须都要做相应温度条件下的冲击性试验。这意味着若以我国的GB150《压力容器》进行设计，如果材料厚度较大，则不但要考虑标准条款，还需要分析材料的实际韧性要求。

4结语

综上所述，对低温压力容器设计理念的分析具有很重要的意义和价值，而我国现行的GB150《压力容器》与国外相关规范相比，仍旧存在着一定的滞后性，因此未来仍需高度重视这一问题，在实践中不断完善和更新设计理念。

作者:董超 单位:中油辽河工程有限公司

参考文献：

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