“低温低应力工况”的分析与应用

“低温低应力工况”的分析与应用

摘要对于压力容器和压力管道，低温工况一般是指温度低于-20℃的工况，对于此工况，如果不考虑低温低应力的因素，将容器和管道归为低温容器或管道，会给容器和管道材料的选择和施工后检验与验收带来一些不必要的麻烦，增加工程建设成本。通过对“低温低应力工况”的分析，我们可以避免这些问题，提高建设项目的经济性，控制工程建设成本。

关键词压力容器；压力管道；低温低应力

中图分类号TQ124 文献标识码 A 文章编号1673-9671-(2012)062-0147-01

在压力容器设计中，正确选用结构材料对于保证容器结构合理，操作安全以及合理的经济性是至关重要的。钢材的选用应根据设备的设计压力、设计温度以及介质特性进行选择，所选用的材料在设计条件下应具有好的机械性能、耐腐蚀性能、良好的焊接性能以及冷热加工性能；除此之外，还应选用最经济的材料，以降低设备成本。

当我们遇到低温工况时，通常情况下都是将容器和管道归为低温容器或管道，给容器和管道材料的选择和施工后检验与验收带来一些不必要的麻烦，增加工程建设成本。因此，需要对低温工况下的应力情况进行分析，判断其是否为“低温低应力工况”，从而提高选材的合理性和经济性。

1 “低温低应力工况”的概念

所谓“低温低应力工况”是指对于符合规定温度条件的低温容器，如果壳体内的总体薄膜拉伸应力低于或等于某一规定的“低应力”水平，即认为该容器是运行在“低温低应力工况”。

我国对于“低温低应力工况”，在《钢制压力容器》GB150-1998附录C中和《压力管道规范工业管道第2部分：材料》GBT20801.2-2006中有明确规定：1）根据《钢制压力容器》GB150-1998中的规定：“低温低应力工况”是指壳体或其受压元件的设计温度虽然≤-20℃，但其环向应力小于或等于钢材标准常温屈服点的1/6，且不大于50 MPa时的工况。2）根据《压力管道规范工业管道第2部分：材料》GBT20801.2-2006的规定，“低温低应力工况”是指能够同时满足以下各项条件的工况：低温情况下的最大工作压力小于等于常温下管道最大允许工作压力的30%；管道在压力、重量和位移作用下产生的轴向应力之和小于等于材料标准规定的最小抗拉强度值的10%；且最低设计温度不低于-101℃。

《钢制压力容器》GB150-1998规定：当壳体或其受压元件使用在“低温低应力工况”下，若其设计温度加50℃后，高于-20℃时，不必遵循《钢制压力容器》GB150-1998附录C的规定。

在低于5℃的工况下，低碳钢管材逐渐由延性状态转变为脆性状态，温度低于无塑性转变温度之后，管材就处于脆性状态，使用时就应有一定的限制。因此，设计温度低于无塑性转变温度的管道属于实质上的低温管道。与普通管道设计相比，低温管道设计时要考虑以下两方面：一是要考虑材料的低温脆性，要求设计人员要合理选择钢材，尽量选用冲击韧性高的钢材，同时在设计配管和制作管系时要注意防止脆裂和脆断；二是要考虑保冷结构的设计，以及因保冷需求而产生的一系列要求。为防止低温脆断的发生，对接焊缝和钢材都应进行夏比（V形缺口）冲击试验。

但对于压力不高、应力不大的低温压力管线，各工业发达国家的压力容器建造规范都承认，处于低应力水平的刚才会大大降低它的低温脆断的倾向，因此各国规范都以不同形式或不同程度的规定了对于“低温低应力工况”下的低温容器可以提高钢材的冲击试验温度，相当于提高了该容器的设计温度，继而以提高后的材料试验温度作为设计条件对容器的建造提出要求。也可以说对于“低温低应力工况”下的低温容器可以降低材料的允许使用温度，而不必要增加另外的材料试验和制造试验要求。在美国国家标准ASME/ANSIB31.5中也有规定：“在-101℃～-28℃之间的温度范围内服役的铁金属管道，如果在压力、热收缩、支承点之间弯曲等的影响下，所产生的纵向抗拉应力或最大环向不超过材料许用应力的40%，则不要求做冲击试验。”这与《钢制压力容器》GB150-98中低温低应力工况的定义相似，它就是压力管道设计中的“低温低应力工况”。

2 “低温低应力工况”的实例

对于低温管线和低温压力容器，为保证气能够安全服役，必须进行冲击试验。如果冲击试验的结果不符合要求，就必须分析其是否处于低温低应力工况，如果不处于低温低应力工况，就不能保证安全服役。因此，判定低温压力管线能否安全服役时，必须首先分析其是否处于“低温低应力工况”。

以高压天然气放空为例，由于高压天然气放空中节流作用会产生低温条件，根据现场基础数据对该工况进行分析，判断该工况是否为“低温低应力工况”。基础数据见表1。

1）按照《钢制压力容器》GB150-1998规定核算。

①设计温度为-48.6℃，低于-20℃；

②环向应力计算

根据环向应力计算公式σh=Pd/2δ计算：

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

且2.2MPa＜50MPa。

由此判定该管道所处工况属于“低温低应力工况”，该管道选用20材质钢管能够满足要求。

2）按照《压力管道规范工业管道第2部分：材料》GBT20801.2-2006的规定核算。

①根据《压力管道规范工业管道第1部分：总则》判定该管道属于GC2级管道，且最低设计温度不低于-101℃。

②常温下管道最大允许工作压力为 1.6 MPa，低温下最大工作压力为0.2 MPa。

（上接第147页）

0.2 MPa≤1.6×30%=0.48 MPa。

即低温下的最大工作压力不大于常温下最大允许工作压力的30%。

③轴向应力计算。

根据《输气管道工程设计规范》GB50251-2003附录B计算轴向应力。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钢的最小抗拉强度为410 MPa，则3.38 MPa≤10%×410=41 MPa。

对于碳素钢和低合金钢材料，标准规范中给出的允许最低使用温度是指容器