低溫壓力容器設計理念研究論文

2021-04-12 論文

　　摘要：

　　為了進一步提高低溫壓力容器的設計水平與使用性能，對國內外的低溫壓力容器設計理念進行了比較。首先，對我國GB150《壓力容器》中的設計理念進行分析，然后以美國ASMEⅤⅢ-1規范中關于壓力容器的設計理念和歐盟EN13445規范中關于壓力容器的設計理念作為對比研究對象，分析對比三種低溫壓力容器設計理念的異同之處，僅供參考。

　　關鍵詞：低溫壓力容器；設計理念；比較

　　低溫壓力容器區別于常溫壓力容器的地方在于其容易發生脆性斷裂，不可預知、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重大的災難事故。所以，必須要對低溫壓力容器進行科學的設計。對此，世界各國都出臺了關于低溫壓力容器設計的規范條文，但各國之間各有一定的不同。目前，我國現行的規范是GB150《壓力容器》，其中可以看出我國關于低溫壓力容器設計的理念。而美國現行的規范是ASMEⅤⅢ-1規范，歐盟則是EN13445規范。筆者對這三者設計理念進行了分析對比，僅作拋磚引玉之用。

　　1、我國GB150《壓力容器》中的設計理念分析

　　在我國現行的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發生韌性-脆性轉變，而其尺度并沒有嚴格規定，允許有一定差異。不過，對于工程設計而言，這一規定仍然具有一定的極端性。例如，當設計溫度低于或者高于-20℃時，工程的設計、選材及制造等環節均存在較大的差異。所以，在低溫壓力容器設計時，明確設計溫度是最為關鍵的一項環節。而若想確保設計溫度的合理性，則必須要站在多個角度進行分析，如介質狀態的影響、環境的影響、保護措施的影響、壓力-低溫組合工況的影響等等。根據既往經驗，筆者認為設計溫度可以依據以下方法來確定：

　　①若受壓元件的兩側均具有熱量傳遞，則可根據GB151-99中的相關公式，利用傳熱計算的方式計算出設計溫度；

　　②若受壓元件直接接觸工作介質，則可以以介質的工作溫度或者最低溫度為標準，折減5℃-10℃作為設計溫度；

　　③若受壓元件受環境溫度的影響，那么在確定設計溫度時就需要充分考慮到多方面問題，如在寒冷環境下，若物料的充裝量≥壓力容器的25%，介質為液體，則應當在室外計算溫度的基礎上再加1℃，而若介質為壓縮氣體，則應當在室外計算溫度的基礎上減2℃。

　　2、國內外低溫界定的分析對比

　　根據既往經驗來看，壓力容器在發生低溫脆斷破裂的過程中，并不會出現或僅有局部區域內極小塑性變形的現象，一般情況下，整體結構不會發生屈服現象。關于受壓元件的低應力脆斷問題，目前國內外都在相關壓力容器規范中做出了相應的規定，并對其低溫界限進行了劃分。美國的ASMEⅤⅢ-1規范中所劃分的低溫界限標準為-3℃以下；德國的AD規范中所劃分的低溫界限標準為-10℃以下；英國的BS5500規范中所劃分的低溫界限標準為0℃以下；法國的非直接受壓設備設計規范中所劃分的低溫界限標準為-20℃及以下；日本的JISB8243規范中所劃分的低溫界限標準為-10℃以下。而我國的GB150《壓力容器》中所劃分的低溫界限標準則為-20℃，這是由于經既往經驗來看，當在-20℃以上的溫度環境下使用壓力容器時，若以常溫標準來選材、設計及制造，能夠保障安全性。

　　3、國內外設計理念的分析對比

　　美國ASMEⅤⅢ-1規范中關于壓力容器的設計理念和歐盟EN13445規范中關于壓力容器的設計理念均遵循了斷裂力學相關原理及方法，即通過分析材料組別、材料厚度、應力水平、元件最低操作溫度等來對沖擊試驗的可行性進行評估，這一點十分符合鋼材脆性斷裂情況下的原理。并且歐盟EN13445規范中還對基于斷裂力學原理的.分析方法進行了詳細描述，即當常規方法不適用時，可以采用后續方法來進行補充，這更加突出了其方法的實用性。而我國的GB150《壓力容器》中雖然也建議遵循斷裂力學相關原理及方法對沖擊試驗的可行性進行評估，但其總體設計思想卻仍舊比較滯后，與美國和歐盟的設計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準，并未充分考慮到材料的厚度和在此厚度下的實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ASMEⅤⅢ-1規范中認為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行低溫沖擊性試驗即能保證不會發生脆性斷裂。而我國的GB150《壓力容器》中則要求25-200mm的Q345R正火板必須都要做相應溫度條件下的沖擊性試驗。這意味著若以我國的GB150《壓力容器》進行設計，如果材料厚度較大，則不但要考慮標準條款，還需要分析材料的實際韌性要求。

　　4、結語

　　綜上所述，對低溫壓力容器設計理念的分析具有很重要的意義和價值，而我國現行的GB150《壓力容器》與國外相關規范相比，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，在實踐中不斷完善和更新設計理念。

　　作者:董超單位:****工程有限公司