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第六章 压力容器设计技术进展 第六章 压力容器设计技术进展 III  潘家祯 华东理工大学机械与动力工程学院 第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用 设计温度低于或等于-20oC的碳素钢和低合金钢制造的压力容器属于“低温压力容器”。 化工厂中有不少容器的工作条件处于低温下，例如液化乙烯、液化天然气、液氮等的贮罐，石油化工装置中的低温分离系统等。 有一些容器虽不属于低温操作，但由于环境温度影响，壳体的金属温度可能达到低于或等于-20oC(例如中国北方地区的室外的无保温的容器)，也应当按照低温压力容器处理。 奥氏体高合金钢制低温容器在设计温度高于或等于-196℃时，可不作为低温压力容器处理。 第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用 钢材随着使用温度的降低，会由延性状态转变为脆性状态，抗冲击性能会有很大的降低。 当存在难以避免的缺陷时，在低于脆性转变温度下受力，会导致脆断，脆断的发源点往往在应力高度集中的部位，因此对低温压力容器在设计时应给予特别的重视。 低温压力容器的强度设计与常温容器相同，但是在选材及其力学性能检验、结构设计和制造要求等方面有更严格的规定。 GB 150《钢制压力容器》附录C“低温压力容器”即为现行的低温压力容器设计、制造、检验与验收规程。 第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用 韧性是压力容器钢的重要指标，更是低温压力容器用钢严格控制的指标。材料的韧性是强度与塑性的综合反映，衡量钢材韧性的指标有多种，目前用标准V形缺口夏比试样用冲击试验机测得冲击吸收功值AKv，单位:J(焦耳)。 低温容器用钢对冲击功值有更为严格的要求，因为随着温度的降低一些钢(主要指铁素体钢)的韧性会下降。 (一)低温容器材料的韧性 第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用 图为钢材冲击功值随温度变化的示意图，存在一个转变温度Tc(脆性转变温度)。 在此温度以下，冲击功之值突然降低，断裂韧性值KIR也明显降低，标志着钢材进入了脆性状态。 钢材的使用温度须高于脆性转变温度。同时低温冲击功值AKV必须大于某一数值，才能确保足够的韧性，避免发生脆断。 (一)低温容器材料的韧性 第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用 GB150规定了常用低温容器钢板的最低冲击试验温度。实际上就是钢板允许的最低使用温度。 (一)低温容器材料的韧性 第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用 GB150还给出了不同强度等级钢的低温冲击时最低冲击功的值。低温容器钢板复验时必须做低温冲击试验，冲击试验温度必须低于或等于容器或其受压元件的最低设计温度。 (一)低温容器材料的韧性 第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用 值得注意的是，奥氏体钢不像铁素体钢存在有低温下的韧性降低和脆性转变温度的问题。奥氏体钢不仅在常温下有非常优良的韧性，而且随着温度的降低其韧性几乎保持不变。当温度降到一196oC时仍然如此。因此奥氏体不锈钢是优良的低温容器用钢，只是其价格远高于常用铁素体类低温用钢。对到一196oC时奥氏体不锈钢几乎是惟一可以选用的低温容器用钢，任何铁素体类钢无法代替。 有色金属铝和铜也是具有优良低温塑性和韧性的金属材料。近年来大型空气分离装置低温部分的容器大量采用铝材制造，价格也较便宜。铜(紫铜和黄铜)因其资源不多和价格较高，也已逐渐不用于制造低温容器。而且铝、铜等有色金属的强度也较低，不大适合制造大型低温容器。 (一)低温容器材料的韧性 第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用 我国《钢制压力容器》(GB 150)采用了《低温压力容器用低合金钢厚钢板技术条件》(GB 3531)中4种铁素体型低温容器用钢：16MnDR、07MnNiCrMoVDR、15MnNiDR、09MnNiDR。均属于无镍或节镍的低温用钢。 而对于一20oC的容器推荐采用20R或16MnR，因而构成了上表所列的6种低温用钢。钢号中的DR是汉语拼音“低容”的代号，其中20R是属于抗拉强度sb450MPa等级的碳素低温(≥-20oC)用钢。而其余皆为强度等级为450~≤515MPa的低温用钢。在设计钢种时，-70oC级以下的低温钢所追求的不在于提高强度，而在于保证低温下能达到对韧性的要求。 (二)低温容器用钢 第六节 化工低温压力容器一、低温容器的材料选用 作为低温容器用钢与普通的压力容器用钢相比，低温容器用钢有其较高的冶炼与检验要求。主要有如下几点。 在化学成分上，低温容器用钢的含碳量更低，添加少量韧化元素锰和镍，对各元素分析的偏差控制加严，允许的磷、硫含量严于压力容器用钢，GB 3531中规定低温钢的磷、含量不得超过0.025％、硫不超过0.015％，而GB 66