高合龙

（中石油吉林化工工程有限公司，吉林 吉林 132002）

低温压力容器是指其设计温度低于-20℃的储存以及运输用的低温压力容器。通常情况下，低温压力容器是在极低温度下进行使用，但压力容器常用的铁素体不锈钢在极端低温环境下，其表面的不锈钢材料的韧性会受到影响变得很脆，这一情况被称为脆性转变温度。然而，一旦压力容器发生脆性破裂将会引发不可估量的事故。因此，选择合适的压力容器材料以及合理控制压力容器的温度是设计压力容器的重要环节，只有做好此环节才能使得企业在生产过程的安全得以保障。

1 低温低应力工况含义

有关压力容器低温低应力工况的定义，在GB150.3-2011《压力容器》附录E（规范性附录）《关于低温压力容器的基本设计要求》E1.4 中明确指出：低温低应力工况是压力容器壳体或其受压元件的设计温度低于-20℃，设计压力小于或者等于钢材常温标准以及屈服强度的1/6，且又不大于50MPa 时的工况。压力容器的应力一般可以分为3 类：即一次应力P，二次应力σ 以及峰值应力F。其中的一次应力P 又可以分为3 种：一次总体薄膜应力Pm，一次局部薄膜应力Pl 和一次弯曲应力Pb。其中，Pm 的特点是指：压力容器的壳体厚度方向分布较为均匀，并且其影响范围将涉及整个受压元件，达到屈服点后，受压元件会产生屈服，而应力不会重新分布，直到受压元件整体受到破坏。例如，压力容器圆筒的薄膜会产生薄膜应力；Pl 的特点是指：其应力水平超过了一次总体薄膜应力Pm 的标准，并且其影响范围仅能够涉及结构局部区域的一次薄膜应力；Pb 的特点是指平衡压力或其他机械载荷所需的厚度方向所产生的弯曲应力。

有关压力容器在低温低应力下的相关判断标准会涉及的一次总体薄膜应力Pm 和一次弯曲应力Pb。具体的判断标准是指压力容器壳体内的整个受压元件所承载的最大一次总体薄膜应力Pm 以及压力容器的法兰、封头、筒体等设备元件所承载的最大一次弯曲应力Pb，两者是否能够满足低温低应力工况的相关应用标准，如果二者能够同时满足标准，则表明压力容器可以按照规定进行设计、制造、检验以及使用。

2 低温低应力工况判断条件

2.1 低温压力容器的设计温度

设计温度必须低于-20℃，否则，不符合低温低应力工况标准。设计温度超过-100℃，则表明不符合于低温低应力工况。

2.2 低温压力容器的温度调整

针对储气罐碳钢压力容器或者不锈钢储罐压力容器来说，如果其壳体内外部或相关设备元件均达不到上述的设计温度，那么将会发生低温容器脆裂的风险，从而引起安全事故的发生。因此，处于低温低应力工况下的压力容器，需要及时将其设计温度上调40 ～50℃，并且不能低于-20℃，确保其调整后的温度能够符合低温压力容器工况，其调整后的温度可以表示为：

式中，T(△)代表压力容器调整后的温度；T设代表压力容器设计时的最低温度。当调整后的温度低于-20℃时，则表示该压力容器不符合低温低应力工况标准；当调整后的温度超过-20℃时，则表示该压力容器符合低温低应力工况标准。由此可见，低温容器进行温度调整后，其范围包括[-20℃—0℃～0℃]。

2.3 低温容器的设计应力

压力容器的界定范围及GB150 的使用范围中规定：压力容器的最大一次总体薄膜应力Pm 是指受压元件所引起的环向薄膜应力，其设计应力可以通过验证并计算出，受压元件的实际承载的应力Pm 是否符合低温低应力工况标准。如果相关试验结果表明：该应力小于或等于低温容器应用标准中的屈服强度的1/6，并且不超过50MPa 时，则表示该压力容器符合低温低应力工况标准。

法兰、封头、筒体等设备元件均按照低温容器所承载的最大一次弯曲应力Pb 进行设计的。因此，针对上述的这部分元件来说，只需要验证Pb 值小于低温压力容器工况标准中的屈服点，且不超过标准压强值，则表示该压力容器符合低温低应力工况的标准。

根据上述分析综合来看，针对低温压力容器所承载的最大一次总体薄膜应力Pm 以及最大一次弯曲应力Pb 这二者的工况标准都表明：必须小于钢材标准下的屈服点的1/6，且不超过50MPa 时，才能表示该压力容器的设计符合低温低应力工况标准。其中。如果压力容器的只有最大一次总体薄膜应力Pm 或最大一次弯曲应力Pb其中的任意一项符合钢材标准下的屈服点的1/6 或不超过50MPa 标准时，则表明该压力容器的工况不符合低温低应力工况标准。最后，针对该压力容器所承载的整体受压元件都需要进行严格的验证并计算，当计算出的结果表明所有数据均符合低温低应力工况标准时，才能够表示该压力容器的工况符合实际应用标准。

3 压力容器温度调整准则分析

3.1 ASME Ⅷ-1、ASME Ⅷ-12 应用

欧盟EN13445 标准与美国ASME 标准是当前全球应用较为广泛的压力容器设计标准。其中，美国的ASME标准是指：常规设计与分析设计两者设计需要分别体现在ASME Ⅷ-1、ASME Ⅷ-2 中。其中，ASME Ⅷ-1 的压力容器低温低应力工况温度调整准则是指：任何应力条件下的包含裂纹结构的应力强度因子与材料中的断裂韧性比值处于恒定的状态，这也就意味着，无论在何种条件下，其应力水平材料韧性是稳定的。此外，Rts代表一次薄膜应力σpm 与σys/1.5 之间的比值。当应力比为Rts时，KI、KIc的值也将会同时降低。其次，通过计算定力应力比Rts下的材料性能中的断裂韧性与基准断裂韧性之间的关系，可以得出低应力温度调整值ΔT，如图1 所示。

图1 ASME Ⅷ-1 低应力工况温度调整曲线

ASME Ⅷ-2 的防止压力容器壳体脆裂的相关标准是计算出其安全系数许用应力值。通过计算出设计应力以及安全系数许用应力值中的σs（屈服强度）函数以及压力容器板的厚度系数的函数，就能够计算出其最低设计温度TD，如公式（4）所示。

如图2 所示，低应力温度调整曲线分别有345MPa与450MPa 代表屈服强度的两条曲线。

图2 ASME Ⅷ-2 低应力温度调整曲线

根据图2 中的数据可以看出，温度调整值ΔT 与材料屈服强度有直接的关系，在同一应力比值下，屈服强度345MPa 的温度调整值大于ΔT 屈服强度450MPa。其中，这两者之间的间距差随着Rts值的减小反而在不断地扩大，可见其与屈服强度是呈现反比例关系。

3.2 基于主曲线法的压力容器低应力工况温度调整

根据上述的分析可得，低温压力容器的温度调整值与其所材料的强度及压力容器板的厚度标准有着直接的影响。在相同的应力比下，温度调整值ΔT 将随着t 值（压力容器板的厚度值系数）的增大反而减小。从图中可以明显看出，随着t 值的增加，无论是A 或B 曲线间的温度差逐渐减小。

主曲线法用到的是概率统计法来描述铁素体在脆变区域内存在的断裂韧性分布范围。其中，参考温度是指参与断裂韧性测试的压力容器能够确保所用材料的断裂韧性。并且此研究方法已成为目前制定压力容器温度调整细则的重要因素，与此同时，还被纳入多个国际的规范标准中，并且主曲线法所采纳的相关标准也适用于压力容器的结构性能的评价。因此，目前尚有许多发达国家已经开展了很多有关压力容器用的适用性检验工作。此外，由于ASME Ⅷ-2 国际适用规范标准在此前重新进行了调整，因此目前所采用的是以EN 13445 低温设计主曲线法。即，下列公式：

式中，B 为应力断裂韧性的厚度；Pf代表失效概率。

因此，根据美国、欧盟等相关国家所提出的压力容器防脆断的相关技术标准为基础，结合相关含缺陷结构以及相关应力假设分析，再通过主曲线法的断裂韧性模型，由此能够建立起一条全新的低应力工况下的温度调整曲线。

注：根据图3、图4 可以看出，全新的温度调整曲线位于ASME Ⅷ-2 与EN 13445 两条曲线之间，由此可以推算出基于主曲线法的全新温度调整曲线公式，如下所示：

图3 AW 态

图4 PWHT 态

4 讨论

美国、欧盟的国家所使用的国际标准规范为基础的压力容器设备防脆变方法被广泛应用，我国的压力容器设备的防范方法尚有不足之处，由于相关的技术较为落后，才使得我国压力容器的发展停滞不前。因此，本研究所探讨的构建低温低应力工况背景下的温度调整曲线，能够有效提高曲线的适用性，换言之，则表明该温度调整曲线能够满足市面上罐车碳钢及低合金钢的在极端低温环境下的应用需要，进而能够有效缓解罐车、罐箱的压力容器无法在低温环境下正常运行的局面。

5 结语

综上所述，本研究是以我国压力容器相关规范中的低温低应力工况进行详细分析，并且明确了ASMEⅧ-1、ASME Ⅷ-2 与EN 13445 等国际压力容器规范标准所规定的相关理论背景，由此研究出了影响压力容器低温低应力温度调整值与其板厚、屈服强度有直接关系，建立了一条基于主曲线法的低应力温度调整曲线，最后得出结论并表明限制我国压力容器最低设计温度的主要原因。