低溫壓力容器設(shè)計(jì)理念研究

1、低溫壓力容器設(shè)計(jì)理念研究 摘要：為了進(jìn)一步提高低溫壓力容器的設(shè)計(jì)水平與使用性能，對國內(nèi)外的低溫壓力容器設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了比較。首先，對我國GB150壓力容器中的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行分析，然后以美國ASME-1規(guī)范中關(guān)于壓力容器的設(shè)計(jì)理念和歐盟EN13445規(guī)范中關(guān)于壓力容器的設(shè)計(jì)理念作為對比研究對象，分析對比三種低溫壓力容器設(shè)計(jì)理念的異同之處，僅供參考。 關(guān)鍵詞：低溫壓力容器；設(shè)計(jì)理念；比較 低溫壓力容器區(qū)別于常溫壓力容器的地方在于其容易發(fā)生脆性斷裂，不可預(yù)知、不可控。換句話說，就是低溫壓力容器比常溫壓力容器更易引發(fā)重大的災(zāi)難事故。所以，必須要對低溫壓力容器進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)。對此，世界各國都出臺了關(guān)于低溫壓

2、力容器設(shè)計(jì)的規(guī)范條文，但各國之間各有一定的不同。目前，我國現(xiàn)行的規(guī)范是GB150壓力容器，其中可以看出我國關(guān)于低溫壓力容器設(shè)計(jì)的理念。而美國現(xiàn)行的規(guī)范是ASME-1規(guī)范，歐盟則是EN13445規(guī)范。筆者對這三者設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了分析對比，僅作拋磚引玉之用。 1我國GB150壓力容器中的設(shè)計(jì)理念分析 在我國現(xiàn)行的GB150壓力容器中，低溫界限為-20以下時，可以在一定溫度范圍內(nèi)發(fā)生韌性-脆性轉(zhuǎn)變，而其尺度并沒有嚴(yán)格規(guī)定，允許有一定差異。不過，對于工程設(shè)計(jì)而言，這一規(guī)定仍然具有一定的極端性。例如，當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于或者高于-20時，工程的設(shè)計(jì)、選材及制造等環(huán)節(jié)均存在較大的差異。所以，在低溫壓力容器設(shè)計(jì)時，

3、明確設(shè)計(jì)溫度是最為關(guān)鍵的一項(xiàng)環(huán)節(jié)。而若想確保設(shè)計(jì)溫度的合理性，則必須要站在多個角度進(jìn)行分析，如介質(zhì)狀態(tài)的影響、環(huán)境的影響、保護(hù)措施的影響、壓力-低溫組合工況的影響等等。根據(jù)既往經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為設(shè)計(jì)溫度可以依據(jù)以下方法來確定：若受壓元件的兩側(cè)均具有熱量傳遞，則可根據(jù)GB151-99中的相關(guān)公式，利用傳熱計(jì)算的方式計(jì)算出設(shè)計(jì)溫度；若受壓元件直接接觸工作介質(zhì)，則可以以介質(zhì)的工作溫度或者最低溫度為標(biāo)準(zhǔn)，折減5-10作為設(shè)計(jì)溫度；若受壓元件受環(huán)境溫度的影響，那么在確定設(shè)計(jì)溫度時就需要充分考慮到多方面問題，如在寒冷環(huán)境下，若物料的充裝量壓力容器的25%，介質(zhì)為液體，則應(yīng)當(dāng)在室外計(jì)算溫度的基礎(chǔ)上再加1，而若介

4、質(zhì)為壓縮氣體，則應(yīng)當(dāng)在室外計(jì)算溫度的基礎(chǔ)上減2。 2國內(nèi)外低溫界定的分析對比 根據(jù)既往經(jīng)驗(yàn)來看，壓力容器在發(fā)生低溫脆斷破裂的過程中，并不會出現(xiàn)或僅有局部區(qū)域內(nèi)極小塑性變形的現(xiàn)象，一般情況下，整體結(jié)構(gòu)不會發(fā)生屈服現(xiàn)象。關(guān)于受壓元件的低應(yīng)力脆斷問題，目前國內(nèi)外都在相關(guān)壓力容器規(guī)范中做出了相應(yīng)的規(guī)定，并對其低溫界限進(jìn)行了劃分。美國的ASME-1規(guī)范中所劃分的低溫界限標(biāo)準(zhǔn)為-3以下；德國的AD規(guī)范中所劃分的低溫界限標(biāo)準(zhǔn)為-10以下；英國的BS5500規(guī)范中所劃分的低溫界限標(biāo)準(zhǔn)為0以下；法國的非直接受壓設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范中所劃分的低溫界限標(biāo)準(zhǔn)為-20及以下；日本的JISB8243規(guī)范中所劃分的低溫界限標(biāo)準(zhǔn)為-

5、10以下。而我國的GB150壓力容器中所劃分的低溫界限標(biāo)準(zhǔn)則為-20，這是由于經(jīng)既往經(jīng)驗(yàn)來看，當(dāng)在-20以上的溫度環(huán)境下使用壓力容器時，若以常溫標(biāo)準(zhǔn)來選材、設(shè)計(jì)及制造，能夠保障安全性。 3國內(nèi)外設(shè)計(jì)理念的分析對比 美國ASME-1規(guī)范中關(guān)于壓力容器的設(shè)計(jì)理念和歐盟EN13445規(guī)范中關(guān)于壓力容器的設(shè)計(jì)理念均遵循了斷裂力學(xué)相關(guān)原理及方法，即通過分析材料組別、材料厚度、應(yīng)力水平、元件最低操作溫度等來對沖擊試驗(yàn)的可行性進(jìn)行評估，這一點(diǎn)十分符合鋼材脆性斷裂情況下的原理。并且歐盟EN13445規(guī)范中還對基于斷裂力學(xué)原理的分析方法進(jìn)行了詳細(xì)描述，即當(dāng)常規(guī)方法不適用時，可以采用后續(xù)方法來進(jìn)行補(bǔ)充，這更加突出

6、了其方法的實(shí)用性。而我國的GB150壓力容器中雖然也建議遵循斷裂力學(xué)相關(guān)原理及方法對沖擊試驗(yàn)的可行性進(jìn)行評估，但其總體設(shè)計(jì)思想?yún)s仍舊比較滯后，與美國和歐盟的設(shè)計(jì)理念相比存在一定的差距。并且我國的GB150壓力容器中所劃分的低溫界限標(biāo)準(zhǔn)，并未充分考慮到材料的厚度和在此厚度下的實(shí)際缺陷尺寸等對材料的沖擊韌性的影響。以Q345R正火板為例，美國的ASME-1規(guī)范中認(rèn)為150mm的Q345R正火板在0以上的溫度條件下仍然無法完全避免脆性斷裂，而20mm的Q345R正火板即使是在-35.0的溫度條件下也不用進(jìn)行低溫沖擊性試驗(yàn)即能保證不會發(fā)生脆性斷裂。而我國的GB150壓力容器中則要求25-200mm的Q

7、345R正火板必須都要做相應(yīng)溫度條件下的沖擊性試驗(yàn)。這意味著若以我國的GB150壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果材料厚度較大，則不但要考慮標(biāo)準(zhǔn)條款，還需要分析材料的實(shí)際韌性要求。 4結(jié)語 綜上所述，對低溫壓力容器設(shè)計(jì)理念的分析具有很重要的意義和價值，而我國現(xiàn)行的GB150壓力容器與國外相關(guān)規(guī)范相比，仍舊存在著一定的滯后性，因此未來仍需高度重視這一問題，在實(shí)踐中不斷完善和更新設(shè)計(jì)理念。 參考文獻(xiàn)： 1劉英.國內(nèi)外關(guān)于低溫壓力容器設(shè)計(jì)理念的比較J.化學(xué)工程與裝備，2015，(05):187-188. 2譚寶粉.低溫壓力容器設(shè)計(jì)的問題解析J.科技展望，2015，(09):153. 3劉克強(qiáng)，孫健，魏瑞.有關(guān)低溫壓