摘 要 對于壓力容器和壓力管道，低溫工況一般是指溫度低于-20℃的工況，對于此工況，如果不考慮低溫低應(yīng)力的因素，將容器和管道歸為低溫容器或管道，會給容器和管道材料的選擇和施工后檢驗與驗收帶來一些不必要的麻煩，增加工程建設(shè)成本。通過對“低溫低應(yīng)力工況”的分析，我們可以避免這些問題，提高建設(shè)項目的經(jīng)濟性，控制工程建設(shè)成本。

關(guān)鍵詞 壓力容器；壓力管道；低溫低應(yīng)力

中圖分類號 TQ124 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)062-0147-01

在壓力容器設(shè)計中，正確選用結(jié)構(gòu)材料對于保證容器結(jié)構(gòu)合理，操作安全以及合理的經(jīng)濟性是至關(guān)重要的。鋼材的選用應(yīng)根據(jù)設(shè)備的設(shè)計壓力、設(shè)計溫度以及介質(zhì)特性進行選擇，所選用的材料在設(shè)計條件下應(yīng)具有好的機械性能、耐腐蝕性能、良好的焊接性能以及冷熱加工性能；除此之外，還應(yīng)選用最經(jīng)濟的材料，以降低設(shè)備成本。

當(dāng)我們遇到低溫工況時，通常情況下都是將容器和管道歸為低溫容器或管道，給容器和管道材料的選擇和施工后檢驗與驗收帶來一些不必要的麻煩，增加工程建設(shè)成本。因此，需要對低溫工況下的應(yīng)力情況進行分析，判斷其是否為“低溫低應(yīng)力工況”，從而提高選材的合理性和經(jīng)濟性。

1 “低溫低應(yīng)力工況”的概念

所謂“低溫低應(yīng)力工況”是指對于符合規(guī)定溫度條件的低溫容器，如果殼體內(nèi)的總體薄膜拉伸應(yīng)力低于或等于某一規(guī)定的“低應(yīng)力”水平，即認(rèn)為該容器是運行在“低溫低應(yīng)力工況”。

我國對于“低溫低應(yīng)力工況”，在《鋼制壓力容器》GB150-1998附錄C中和《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第2部分：材料》GBT20801.2-2006中有明確規(guī)定：1）根據(jù)《鋼制壓力容器》GB150-1998中的規(guī)定：“低溫低應(yīng)力工況”是指殼體或其受壓元件的設(shè)計溫度雖然≤-20℃，但其環(huán)向應(yīng)力小于或等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服點的1/6，且不大于50 MPa時的工況。2）根據(jù)《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第2部分：材料》GBT20801.2-2006的規(guī)定，“低溫低應(yīng)力工況”是指能夠同時滿足以下各項條件的工況：低溫情況下的最大工作壓力小于等于常溫下管道最大允許工作壓力的30%；管道在壓力、重量和位移作用下產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和小于等于材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小抗拉強度值的10%；且最低設(shè)計溫度不低于-101℃。

《鋼制壓力容器》GB150-1998規(guī)定：當(dāng)殼體或其受壓元件使用在“低溫低應(yīng)力工況”下，若其設(shè)計溫度加50℃后，高于-20℃時，不必遵循《鋼制壓力容器》GB150-1998附錄C的規(guī)定。

在低于5℃的工況下，低碳鋼管材逐漸由延性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，溫度低于無塑性轉(zhuǎn)變溫度之后，管材就處于脆性狀態(tài)，使用時就應(yīng)有一定的限制。因此，設(shè)計溫度低于無塑性轉(zhuǎn)變溫度的管道屬于實質(zhì)上的低溫管道。與普通管道設(shè)計相比，低溫管道設(shè)計時要考慮以下兩方面：一是要考慮材料的低溫脆性，要求設(shè)計人員要合理選擇鋼材，盡量選用沖擊韌性高的鋼材，同時在設(shè)計配管和制作管系時要注意防止脆裂和脆斷；二是要考慮保冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以及因保冷需求而產(chǎn)生的一系列要求。為防止低溫脆斷的發(fā)生，對接焊縫和鋼材都應(yīng)進行夏比（V形缺口）沖擊試驗。

但對于壓力不高、應(yīng)力不大的低溫壓力管線，各工業(yè)發(fā)達國家的壓力容器建造規(guī)范都承認(rèn)，處于低應(yīng)力水平的剛才會大大降低它的低溫脆斷的傾向，因此各國規(guī)范都以不同形式或不同程度的規(guī)定了對于“低溫低應(yīng)力工況”下的低溫容器可以提高鋼材的沖擊試驗溫度，相當(dāng)于提高了該容器的設(shè)計溫度，繼而以提高后的材料試驗溫度作為設(shè)計條件對容器的建造提出要求。也可以說對于“低溫低應(yīng)力工況”下的低溫容器可以降低材料的允許使用溫度，而不必要增加另外的材料試驗和制造試驗要求。在美國國家標(biāo)準(zhǔn)ASME/ANSIB31.5中也有規(guī)定：“在-101℃～-28℃之間的溫度范圍內(nèi)服役的鐵金屬管道，如果在壓力、熱收縮、支承點之間彎曲等的影響下，所產(chǎn)生的縱向抗拉應(yīng)力或最大環(huán)向不超過材料許用應(yīng)力的40%，則不要求做沖擊試驗。”這與《鋼制壓力容器》GB150-98中低溫低應(yīng)力工況的定義相似，它就是壓力管道設(shè)計中的“低溫低應(yīng)力工況”。

2 “低溫低應(yīng)力工況”的實例

對于低溫管線和低溫壓力容器，為保證氣能夠安全服役，必須進行沖擊試驗。如果沖擊試驗的結(jié)果不符合要求，就必須分析其是否處于低溫低應(yīng)力工況，如果不處于低溫低應(yīng)力工況，就不能保證安全服役。因此，判定低溫壓力管線能否安全服役時，必須首先分析其是否處于“低溫低應(yīng)力工況”。

以高壓天然氣放空為例，由于高壓天然氣放空中節(jié)流作用會產(chǎn)生低溫條件，根據(jù)現(xiàn)場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對該工況進行分析，判斷該工況是否為“低溫低應(yīng)力工況”?；A(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

1）按照《鋼制壓力容器》GB150-1998規(guī)定核算。

①設(shè)計溫度為-48.6℃，低于-20℃；

②環(huán)向應(yīng)力計算

根據(jù)環(huán)向應(yīng)力計算公式σh=Pd/2δ計算：

σh=0.2×15.4/2×0.7=2.2MPa＜245/6=40.83MPa

且2.2MPa＜50MPa。

由此判定該管道所處工況屬于“低溫低應(yīng)力工況”，該管道選用20材質(zhì)鋼管能夠滿足要求。

2）按照《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第2部分：材料》GBT20801.2-2006的規(guī)定核算。

①根據(jù)《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第1部分：總則》判定該管道屬于GC2級管道，且最低設(shè)計溫度不低于-101℃。

②常溫下管道最大允許工作壓力為1.6 MPa，低溫下最大工作壓力為0.2 MPa。

（上接第147頁）

0.2 MPa≤1.6×30%=0.48 MPa。

即低溫下的最大工作壓力不大于常溫下最大允許工作壓力的30%。

③軸向應(yīng)力計算。

根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》GB50251-2003附錄B計算軸向應(yīng)力。

σL=μσh+Eα（t1-t2）

σh=Pd/2ση

σh=1.6×15.4/2×0.7=17.6 MPa

σL=0.3×17.6+206000×（-13.5×10-8）×（20-（-50））=3.38 MPa

20鋼的最小抗拉強度為410 MPa，則3.38 MPa≤10%×410=41 MPa。

對于碳素鋼和低合金鋼材料，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中給出的允許最低使用溫度是指容器材料工作在滿應(yīng)力狀態(tài)，即工作在設(shè)計條件下殼體內(nèi)的總體薄膜拉伸應(yīng)力接近或等于材料許用應(yīng)力是的應(yīng)力狀態(tài)，在該最低使用溫度下仍然具有抗低溫脆斷的足夠韌性。由此判定該管道所處工況屬于“低溫低應(yīng)力工況”，選用20鋼完全能夠滿足工況要求。因此，可以按照“低溫低應(yīng)力工況”進行選材。

3 結(jié)論

通過以上分析可知，對于處于低溫條件下的壓力容器，不能簡單的按照低溫工況進行選材處理，還應(yīng)計算分析其環(huán)向應(yīng)力，分析其是否處于“低溫低應(yīng)力工況”，從而為選材提供依據(jù)，提高建設(shè)項目的經(jīng)濟性，控制工程建設(shè)成本。

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作者簡介

趙建峰（1976—），男，2006年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運工程專業(yè)，現(xiàn)就職于中國石油西氣東輸豫鄂管理處武穴分輸壓氣站，主要從事天然氣長輸管道的生產(chǎn)運行管理工作，助理工程。