低溫技術(shù)是在液態(tài)空氣工業(yè)上發(fā)展起來(lái)的，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，低溫技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應用。而低溫壓力容器是低溫工業(yè)過(guò)程的關(guān)鍵設備，極大促進(jìn)了低溫壓力容器建造的發(fā)展。低溫壓力容器使用溫度低，鋼材在低溫下使用其韌性和塑性與常溫相比會(huì )不同程度地下降，脆性增大。當低溫壓力容器的使用溫度低于一定溫度時(shí)，在有足夠尖銳的缺口或缺陷處，就可能導致低應力下的脆性斷裂，這種斷裂會(huì )突然發(fā)生。在生產(chǎn)裝置中有許多壓力容器、化工設備、管道等多次發(fā)生脆性斷裂，造成巨大損失。為了避免發(fā)生事故，這就需要在設計時(shí)，從低溫容器設計溫度的確定、材料的合理選擇、結構設計、焊接材料選擇、制造檢驗、焊后消除應力熱處理等方面做出合理的設計。

1設計溫度的確定

      設計溫度低于-20℃是判定碳素鋼、低合金鋼、雙相不銹鋼和鐵素體不銹鋼容器是否是低溫容器的關(guān)鍵;設計溫度低于-196℃是判定奧氏體不銹鋼容器是否是低溫容器的關(guān)鍵。在進(jìn)行設計時(shí)，要對影響容器溫度的相關(guān)因素進(jìn)行全面了解和分析，容器的使用地點(diǎn)、安裝位置是室內還是室外、正常工作環(huán)境溫度下對容器殼體金屬溫度的影響以及容器內介質(zhì)溫度對金屬的影響。

2材料選擇要點(diǎn)

      由于低溫壓力容器主要的失效模式為脆性斷裂，而鋼材在低溫下脆性增大，韌性降低。對材料的選擇與非低溫容器材料的選擇相比提出了更高的要求。低溫鋼材在冶煉方法、化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)等方面加以嚴格規定和要求，并且對所使用的鋼材提出低溫沖擊要求。用于設計溫度低于-20℃并且抗拉強度下限值小于540MPa的鋼材P≤0.025%，S≤0.012%;用于設計溫度低于-20℃并且抗拉強度下限值大于540MPa的鋼材P≤0.02%，S≤0.01%。低溫壓力容器受壓元件之間及與受壓元件直接焊接的非受壓元件材料應是焊接性能良好的鋼材。目前我國低溫用鋼按使用溫度主要分為以下三類(lèi)。1)設計溫度低于-20℃不低于-40℃，這類(lèi)容器是以16MnDR鋼材為代表，主要使用于安裝在室外受環(huán)境溫度影響的空氣儲罐、氮氣儲罐等。2)設計溫度低于-40℃不低于-196℃，可以選用Ni系列低溫鋼材進(jìn)行制造低溫容器;用于設計溫度-70℃的09MnNiDR可以用于液氨設備的制造;08Ni3DR可以用于制造使用溫度-100℃的低溫容器;06Ni9DR可用于制造使用溫度-196℃的低溫容器。3)設計溫度低于-196℃不低于-273℃，通常選用奧氏體不銹鋼進(jìn)行容器制造。如S30408等奧氏體不銹鋼。

3結構設計要點(diǎn)

3.1容器結構設計應遵守的要點(diǎn)

1)結構應盡量簡(jiǎn)單，減少約束，避免產(chǎn)生多余的附加應力，避免產(chǎn)生過(guò)大的溫度變化，選材一致。2)應盡量避免結構形狀的突變，減小局部應力，較高的局部應力是產(chǎn)生裂紋的關(guān)鍵因素。3)接管與殼體連接處角焊縫要凹型圓滑過(guò)渡，接管端部?jì)缺谔幾鰣A角處理。4)接管補強應盡可能采用整體補強或厚壁管補強，若采用補強圈結構，應為全焊透結構，且焊縫圓滑過(guò)渡。5)支座與殼體的焊接應設置墊板。

3.2密封緊固件的設計

      低溫壓力容器法蘭用螺柱緊固件，不得采用一般的鐵素體商品緊固件，設計溫度低于-40℃～-70℃螺柱材質(zhì)應選用35CrMoA;設計溫度低于-70℃～-100℃螺柱材質(zhì)選用30CrMoA。提出硫和磷化學(xué)成分限定含量，并且做低溫沖擊試驗。設計溫度低于以上溫度應選用奧氏體鋼螺柱。螺柱應采用中部無(wú)螺紋部分的芯桿直徑不大于0.95倍螺紋根徑或全螺紋的彈性螺柱。

3.3密封墊片的設計

       密封墊片用非金屬材料應采用石棉橡膠板、柔性石墨等在低溫下有良好彈塑性狀態(tài)的材料，使用溫度低于-40℃選用金屬材料的密封墊片(如金屬包覆墊片的金屬外殼、纏繞式墊片的金屬帶以及實(shí)心的金屬墊)，應采用奧氏體不銹鋼、銅、鋁等在低溫下無(wú)明顯轉變特性的金屬材料。

4焊接接頭的設計與焊材的選擇

1)在低溫壓力容器工作時(shí)各種焊接接頭承受的力大小和性質(zhì)都不同，各種焊接接頭都有不同的設計要求。低溫壓力容器受壓部件的焊接接頭根據所在位置分為A、B、C、D、四類(lèi)，分類(lèi)原則同《壓力容器》GB150-2011規定。此外，把底座、支耳、托架、墊板及其他非受壓附件與容器內外殼壁的連接接頭規定為E類(lèi)焊接接頭。A類(lèi)焊接接頭應采用雙面對接焊，或采用保證焊透及雙面成型，與雙面焊具有同等質(zhì)量的單面對接焊。如果采用帶墊板的單面焊，焊后必須拆除墊板。B類(lèi)焊接接頭雖然承受軸向應力為主但也應采用與A類(lèi)焊接接頭相同的結構設計。C類(lèi)焊接接頭不論采用哪種形式均為焊透結構。法蘭與筒體、接管如采用平焊結構當為全截面焊透結構時(shí)，適用于設計溫度不低于-40℃，且設計壓力不大于4.0MPa工況。D類(lèi)焊接接頭接管與容器器壁的角接接頭應采用完全焊透結構。2)低溫壓力容器受壓元件或受壓元件與非受壓元件焊接采用手工電弧焊焊條應選用低氫堿性焊條，采用埋弧自動(dòng)焊應選用堿性或中性焊劑。3)低溫壓力容器異種鋼焊接接頭的性能要求。鐵素體鋼與奧氏體鋼直接焊接，由于鐵素體鋼與奧氏體鋼的線(xiàn)脹系數差別較大，在低溫場(chǎng)合會(huì )引起溫差應力，且在熔焊中鐵素體一側的碳向焊縫金屬轉移，會(huì )引起鐵素體側強度下降和焊縫金屬的塑性降低。焊接時(shí)應遵循以下要求。(1)一般應選用Cr23Ni13或Cr26Ni21型高鉻鎳或鎳基焊接材料，焊后原則上不再進(jìn)行消除應力熱處理;(2)該類(lèi)異種鋼焊接工藝評定和產(chǎn)品焊接試板應符合下列要求。①焊接接頭抗拉強度不低于兩側母材中最低抗拉強度的較小值。②鐵素體側的熔合線(xiàn)和熱影響區的沖擊功應按鐵素體鋼的抗拉強度確定相應的V型缺口沖擊功值KV2.③接頭應做側彎試驗，彎心直徑等于4倍試樣厚度，180°。彎曲試驗后在拉伸面上的任何方向測量不得有超過(guò)1.5mm的開(kāi)裂缺陷，熔合線(xiàn)處也不得有超過(guò)3mm的開(kāi)裂缺陷。

5制造檢驗

        低溫容器的焊接應嚴格控制線(xiàn)能量，通常采用較細的焊條、小的焊接線(xiàn)能量多道施焊。低溫壓力容器對接焊縫在允許采用局部探傷時(shí)，檢測長(cháng)度不得少于各焊接接頭長(cháng)度50%，這是根據低溫壓力容器的特點(diǎn)從安全角度考慮的，其檢測長(cháng)度的要求與常溫容器是不同的。如果按照常溫容器檢測長(cháng)度不得少于各焊接接頭長(cháng)度20%是不對的。低溫容器有A類(lèi)縱向焊接接頭的容器，應逐臺制備產(chǎn)品焊接試件，產(chǎn)品焊接試件須在產(chǎn)品制作過(guò)程中，由制作焊工以產(chǎn)品制作時(shí)同樣的材料、同樣的焊接工藝和焊接條件與產(chǎn)品焊接接頭同時(shí)焊接，不得由其他焊工制作或在產(chǎn)品完成后補做。

6焊后消除應力熱處理

        低溫容器的材質(zhì)和焊接接頭厚度如達到設計制造標準熱處理規定，必須要對容器進(jìn)行消除應力熱處理。焊后熱處理能夠消除焊接過(guò)程中產(chǎn)生的焊接殘余應力，改善焊接接頭的力學(xué)性能，降低鋼材低溫脆性斷裂傾向。