劉寧崗

低溫壓力容器（以下簡稱低溫容器）是指在低溫環(huán)境中容易產(chǎn)生低脆性破壞的壓力容器，按照GB/T150-2011 定義，低溫容器是指設計溫度低于-20℃的碳素鋼、低合金鋼，雙相鋼不銹鋼和鐵素體型不銹鋼制容器，以及設計溫度低于-196℃奧氏體不銹鋼制容器。在制冷行業(yè)、空分行業(yè)以及天然氣液化等裝置中，大量使用低溫容器，由于低溫容器使用工況決定了設備在運行過程中存在低溫脆性破壞失效，造成人民經(jīng)濟和財產(chǎn)損失，甚至危及生命安全。下面從低溫容器的制造過程中幾個重要環(huán)節(jié)做以下簡要的分析。

1 低溫壓力容器設計環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制措施

1.1 明確結(jié)構(gòu)與材料設計要求

低溫容器在設計與選材過程中，要選取與設計溫度、介質(zhì)以及材料性價比相匹配的材料，例如在設計溫度為-40℃的低溫容器，如果成品介質(zhì)沒有純度等指標的要求，建議選用09MnNiDR，16MnDR 等低合金鋼材料，這樣既減少了材料的成本，又使容器實現(xiàn)輕量化。低溫容器在設計過程中，各類對接焊接接頭、插入式角焊縫應采用全焊頭結(jié)構(gòu)。設計結(jié)構(gòu)盡量采用均勻過渡，減少結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性引起的局部高應力使結(jié)構(gòu)具有足夠的柔性，應時結(jié)構(gòu)盡量的簡單，減少約束，避免產(chǎn)生過大的溫度梯度。開孔處應盡量采用厚壁管補強。該方法避免采用補強圈形式補強時過大焊接填充量，焊接接頭塑性性能下降等不足，接管端應打磨成圓角，呈現(xiàn)圓滑過渡。而對于殘余應力的消除，一般應通過合理的焊接結(jié)構(gòu)設計及焊后熱處理達到。

1.2 加強焊接環(huán)節(jié)的控制

容器在焊接前，應進行對該材料按照標準規(guī)范進行焊接工藝評定，焊接工藝評定應覆蓋產(chǎn)品所有的焊接接頭，并在設計規(guī)定的溫度下進行低溫沖擊試驗，低溫沖擊試驗應包括焊接接頭的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)。在焊接工藝評定階段，最重要的指標就是低溫沖擊試驗，建議選用國內(nèi)大型焊材廠家，因為同種焊材牌號下，不同廠商差異最大的就是影響低溫性能的Mn、Ni 元素的含量。通過反復測試，選用一種比較合理的工藝方案。實踐研究表明，焊接的過程中的線能量對焊接接頭的塑性有很大的影響因素，低溫容器宜選用多層多道進行焊接控制線能量。焊接時應考慮以下原則：第一、提高焊接速度，這是為了防止過熱，防止出現(xiàn)粗大的鐵素體和粗大的馬氏體出現(xiàn)；第二，采用多層多道焊接，降低層間溫度，目的是為了利用后一道對前一道的熱作用，細化焊縫的金相組織。在對材料進行焊接時，熱加工程序會產(chǎn)生一定的殘余應力，這些應力主要集中在焊接區(qū)域。焊縫金屬和熱影響區(qū)域的母材在焊接時，也會發(fā)生一定的變形現(xiàn)象，從而產(chǎn)生作用力，在加工的過程中，附近的應力會不斷疊加，對容器設備產(chǎn)生不良影響，容易引發(fā)脆性斷裂等問題。在對這些問題進行解決時，不僅要對殘余的應力進行消除，還要對焊縫金屬中的氫氣進行處理?？梢圆捎脽崽幚淼姆绞?，對影響區(qū)域和加工變形區(qū)域的組織進行軟化，提高低溫的韌性，確保低溫的壓力容器在使用時，能夠具備更好的質(zhì)量。在對熱應力進行消除時，可以通過爐內(nèi)的整體熱處理和分段熱處理以及局部熱處理、總體內(nèi)部熱處理等形式，對相關(guān)問題進行有效的解決。其中整體熱處理技術(shù)在應用時。具備更好的效果，可以對90%以上的熱應力進行全部消除。相關(guān)人員在進行具體操作的過程中，需要嚴格按照作業(yè)程序進行熱處理，才能降低熱應力對容器的影響。

1.3 選用正確的焊接材料

低溫焊接材料的選用，低溫鋼易產(chǎn)生冷裂紋，主要的原因是裝配成型應力、淬硬組織和焊縫金屬擴散氫的含量共同作用的結(jié)果。購買的焊接材料應選用低氫型的焊材，焊材應按批進行含水量測定和熔敷金屬的擴散氫含量的復驗。低溫鋼材中的雜質(zhì)、焊接區(qū)域的油污、鐵銹、大氣中的水汽在電弧高溫作用下分解出氫原子進入熔池中，在焊縫冷卻中過飽和的狀態(tài)擴散、聚集于熔合線附近的熱影響區(qū)，在焊接應力及淬硬組織的共同作用下，容易產(chǎn)生冷裂紋。

1.4 規(guī)避裂縫問題的發(fā)生

低溫鋼熱裂紋的產(chǎn)生與材料中有害元素P、S 含量有關(guān)，焊縫中有害元素與其易形成低熔點共晶物共同作用，產(chǎn)生嚴重的偏析，從而形成熱裂紋，特別是9Ni 鋼的焊接，采用與木材不同的奧氏體型填充材料，更易產(chǎn)生熱裂紋。另外，焊接時形成的焊接熔池與熱裂紋有關(guān)。熔池深而窄，則偏析多集中在焊縫中間，易形成熱裂紋，熔池淺而寬，而且呈圓形，則抗熱裂紋性好。

圖2 低溫壓力容器

2 低溫壓力容器生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制措施

2.1 選用正確的生產(chǎn)工藝

在低溫容器制造過程中，下料和制造過程中，材料標識宜選用油漆筆、記號筆進行標記，嚴禁采用硬性鋼印進行標記和標識。焊接過程中應嚴格依照焊接工藝指導書，在縱焊縫焊接時，應在其延長部分加焊接工藝試板。試件的設置原則為；應采用與容器具有相同牌號、相同厚度、相同焊接工藝和相同熱處理狀態(tài)的原材料。試件應由焊接該容器的焊工施焊，試件整個焊接過程能夠模擬容器的制造過程。當容器要求進行焊后熱處理時，產(chǎn)品焊接試板應和產(chǎn)品一起隨爐熱處理。熱處理的目的是改善材料和焊縫金屬的金相組織和細化晶粒，由于厚板在熱處理時，內(nèi)層的冷卻速度比外層慢，從而影響金相組織的不均勻性，導致焊縫的沖擊韌性值降低。為此，熱處理工藝的制定與驗證必須慎重。低溫容器在制造過程中，嚴禁強力組裝，出現(xiàn)在容器本體的工裝卡具拆除后應將表面打磨并進行表面無損檢測。在對生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行管理時，還要對生產(chǎn)工藝的實際應用情況進行科學的評估，促進各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的有效銜接。在對安裝環(huán)節(jié)進行控制和管理時，需要降低內(nèi)部應力水平和冷作硬化等現(xiàn)象的發(fā)生概率，提高產(chǎn)品的品質(zhì)。還要保證設備所有的參數(shù)符合應用的需求，盡可能提高設備自身的溫度抗性。

2.2 規(guī)避變形質(zhì)量問題

奧氏體不銹鋼低溫容器在焊接過程中，應嚴格控制焊接的角變形和焊后橫向收縮，這是因為，與碳鋼相比，奧氏體不銹鋼的電阻率是碳鋼的5 倍，在同樣的焊接電流，電弧電壓條件下熱輸入多，而其熱導率僅為碳鋼的1/3，導致熱量傳遞速度緩慢，熱變形增大。為此，不銹鋼鋼板的對接接頭焊接要留有足夠的收縮余量，如果焊后變形超過允許值，就必須矯正變形，通產(chǎn)采用冷矯正的方法。

2.3 選擇優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)原材料

焊接材料的選用應嚴格按照NB/T47018 承壓設備焊接材料采購技術(shù)條件規(guī)定執(zhí)行，焊接工藝評定應執(zhí)行NB/T47014 承壓設備焊接工藝評定，焊接材料的選用的原則焊縫金屬應與母材的力學性能指標相當。當原材料有沖擊要求時，應對焊接試塊取樣進行低溫沖擊試驗，試驗的溫度應為材料規(guī)范中的溫度或設計要求的溫度，合格指標符合NB/T47014 承壓設備焊接工藝評定中的規(guī)定。對于焊接工藝評定，存在試樣沖擊功較低不符合規(guī)范要求的情況，一般是由于焊接過程中，焊接線能量過大造成晶粒粗而大引起的沖擊功較低，所以低溫容器焊接應嚴格控制線能的輸入。另一方面，應選用NI 含量較高的焊接材料，補充由于焊接線能量過大引起的金屬過燒。

加強對低溫材料的管理，要求對進廠的所有材料進行復驗，從源頭上來避免使用劣質(zhì)材料生產(chǎn)制造。其中，低溫三類壓力容器與球罐用材料應采用全項目復驗的方式，確認材料化學成分、低溫沖擊值、常溫機械性能以及鋼材超聲波等方面均符合生產(chǎn)要求。以復驗結(jié)果為依據(jù)，確保生產(chǎn)下料的精確性，提高筒體成形效果。另外，在進行焊接時，應選擇化學成分與力學性能和母材接近的低氫堿性焊條處理，而埋弧焊焊劑則適合選用堿性與中性焊劑。低溫鋼所應用的所有焊條，均需要根據(jù)批復檢驗藥皮含水量以及熔敷金屬的擴散含氫量。為保證所用材料的標準性，需要建立專門的管理制度，針對材料發(fā)放、回收以及現(xiàn)場管理等內(nèi)容，安排專人負責管理，并落實技術(shù)交底策略，以此來提高材料管理效果，為低壓容器的生產(chǎn)制造提供更加可靠的保障。

2.4 加強質(zhì)量檢測與管理

低溫壓力容器的檢驗與檢測，由于低溫容器在低溫工作狀態(tài)下，容易產(chǎn)生低溫脆性破壞，特別對于缺口敏感程度增加，缺口越尖銳，應力越集中，就會產(chǎn)生脆性破壞的程度增大。因此，對于低溫容器檢驗過程中，應嚴格檢查焊縫外觀，保證焊接結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，不能產(chǎn)生局部的不連續(xù)造成應力集中。此外外觀檢查完成后應對焊縫表面采用磁粉或者滲透等無損檢測方法確認表面質(zhì)量。低溫容器在焊接過程中應嚴格控制熱輸入，所有的焊接接頭應采用全焊頭的結(jié)構(gòu)，無損檢測的比例宜進行100%檢測。在檢測過程中，需要對受壓元件和非受壓元件進行重點檢測，要想保證檢測操作順利進行，應該按照技術(shù)指標進行相關(guān)檢測，在檢測之前，需要對檢測區(qū)域的表面進行打磨，確保待檢部位的表面狀態(tài)符合檢測要求，不對檢測結(jié)果出現(xiàn)偽缺陷。

2.5 重視生產(chǎn)安裝管理

制造與安裝工藝操作不當，也是造成低溫容易質(zhì)量問題發(fā)生的重要因素，往往會因為內(nèi)部應力集中而造成低溫脆性斷裂。尤其是低溫條件下，應力集中比較大的峰值應力與設備總體薄膜應力以及彎曲應力進行疊加，在局部便會產(chǎn)生非常高的應力值。同時低溫環(huán)境鋼材的塑性變形能力降低，自限性條件消失，這時鋼材便很容易突然發(fā)生脆性斷裂的問題。另外，制造環(huán)節(jié)鋼材在冷態(tài)下加工會有較大的變形率，導致強度與硬度增加，而塑性與韌性降低，假如不及時采取有效的措施應對處理，便會有較大的可能出現(xiàn)低溫脆性破壞的問題。因此，以提高低溫容器質(zhì)量為目的，必須要重視對制作安裝環(huán)節(jié)的管理，將存在的隱患消除掉。

首先，下料時必須要嚴格以設計的排版尺寸為依據(jù)，保證下料的精準性，為筒體精準成形提供支持。封頭與球殼板可二次下料，確保各項參數(shù)的精確性。以及在低溫容器運輸時，全程要進行可靠固定，預防因為磕碰產(chǎn)生變形。到場后進行組裝作業(yè)前，要對容器尺寸進行核驗，存在的超標板材要進行壓制和校圈。如果與設計存在較大的偏差，不得強行組對，以免形成過大的組裝應力影響低溫容器的質(zhì)量。一般組對時必須要保證各筒節(jié)的偏差可以均勻分布，確認不會集中到某一段或某一側(cè)，以此來預防形狀發(fā)生突變。面對不同厚度的對接作業(yè)，可以適當?shù)叵鞅√幚恚⒋_?？梢詧A滑過渡到薄板，預防應力過度集中。另外，要格外注意鋼材冷作硬化的問題，于常溫下成形或矯形的各零部件，必須要將鋼板的冷塑性變形率控制在2%以內(nèi)，且不得采用鐵錘敲打的方式作業(yè)。面對溫度在-10℃以下的環(huán)境條件，應停止進行冷變形加工。

2.6 加大容器的測試力度

容器完工后，應按照設計圖紙對容器進行壓力測試，考慮容器的結(jié)構(gòu)應設置相應的工藝孔，便于試驗介質(zhì)排出來，避免在正常工作條件下，造成工藝管口的堵塞，出廠前應對容器內(nèi)部進行露點檢查，在露點檢查合格后，使用氮氣做0.02MPa 氮封。

3 結(jié)語

綜上所述，目前在進行石油化工裝置設計的過程中，部分設置的運行氣溫比較低，對生產(chǎn)和制作程序存在較高的要求。在進行相關(guān)設備設計和研發(fā)時，需要根據(jù)運行溫度的要求，對制作材料和生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化，才能提高設備的應用性能。確保低溫壓力容器能夠始終保持良好的運行狀態(tài)，避免因為溫度因素的影響，導致設備存在質(zhì)量缺陷。在對設備的制作過程進行管理時，需要根據(jù)設備的運行特點，制定針對性的質(zhì)量管理措施，才能規(guī)避運行風險，延長設備的使用壽命，為相關(guān)企業(yè)帶來更多的綜合效益。