董超(中油遼河工程有限公司,遼寧 盤錦 124010)

國內(nèi)外關(guān)于低溫壓力容器設(shè)計理念的比較

董超(中油遼河工程有限公司,遼寧 盤錦 124010)

為了進(jìn)一步提高低溫壓力容器的設(shè)計水平與使用性能，對國內(nèi)外的低溫壓力容器設(shè)計理念進(jìn)行了比較。首先，對我國GB 150《壓力容器》中的設(shè)計理念進(jìn)行分析，然后以美國ASME ⅤⅢ-1規(guī)范中關(guān)于壓力容器的設(shè)計理念和歐盟EN 13445規(guī)范中關(guān)于壓力容器的設(shè)計理念作為對比研究對象，分析對比三種低溫壓力容器設(shè)計理念的異同之處，僅供參考。

低溫壓力容器；設(shè)計理念；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。對此，世界各國都出臺了關(guān)于低溫壓力容器設(shè)計的規(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)計的理念。而美國現(xiàn)行的規(guī)范是ASMEⅤⅢ-1規(guī)范，歐盟則是EN 13445規(guī)范。筆者對這三者設(shè)計理念進(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)計而言，這一規(guī)定仍然具有一定的極端性。例如，當(dāng)設(shè)計溫度低于或者高于-20℃時，工程的設(shè)計、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)計時，明確設(shè)計溫度是最為關(guān)鍵的一項環(huán)節(jié)。而若想確保設(shè)計溫度的合理性，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，筆者認(rèn)為設(shè)計溫度可以依據(jù)以下方法來確定：①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，利用傳熱計算的方式計算出設(shè)計溫度；②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)計溫度；③若受壓元件受環(huán)境溫度的影響，那么在確定設(shè)計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)在室外計算溫度的基礎(chǔ)上再加1℃，而若介質(zhì)為壓縮氣體，則應(yīng)當(dāng)在室外計算溫度的基礎(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ASMEⅤⅢ-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BS 5500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)計規(guī)范中所劃分的低溫界限標(biāo)準(zhǔn)為-20℃及以下；日本的JIS B 8243規(guī)范中所劃分的低溫界限標(biāo)準(zhǔn)為-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)計及制造，能夠保障安全性。

3 國內(nèi)外設(shè)計理念的分析對比

美國ASME ⅤⅢ-1規(guī)范中關(guān)于壓力容器的設(shè)計理念和歐盟EN 13445規(guī)范中關(guān)于壓力容器的設(shè)計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的可行性進(jìn)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EN 13445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(xué)相關(guān)原理及方法對沖擊試驗的可行性進(jìn)行評估，但其總體設(shè)計思想?yún)s仍舊比較滯后，與美國和歐盟的設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，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ASME ⅤⅢ-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Q345R正火板必須都要做相應(yīng)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(jìn)行設(shè)計，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際韌性要求。

4 結(jié)語

綜上所述，對低溫壓力容器設(shè)計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，在實踐中不斷完善和更新設(shè)計理念。

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[3]劉克強，孫健，魏瑞.有關(guān)低溫壓力容器設(shè)計的探析[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013，(08):75.

董超(1990- )，男,遼寧盤錦人,助理工程師,本科,主要從事壓力容器設(shè)計的工作。