低温压力容器设计要点
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低温压力容器
目前我国没有专门的低温压力容器标准，JB4732都不划分低温与常温的温度界限。
★低温管壳式换热器见GB151-1999附录A
★低温压力容器见GB150.3-2011附录E(老版150为附录C)
●为什么低温压力容器需要关注：
温度低，材料的韧性降低，会产生低温脆性破坏，而低温脆性破坏前应力远未到达材料的屈服极限（或许用应力），破坏时没有明显的征兆，所以低温压力容器的设计、选材、制造和检验等各个环节要求都有不同程度的提高。
●低温压力容器的定义
设计温度为＜－20℃(新标准GB150-2011第3.1.15条定义，老标准为≤－20℃)的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器，以及设计温度低于-196℃的奥氏体不锈钢制容器。
相关两个定义
●最低设计金属温度（MDMT）
GB150.1-2011第4.3.4d条：在确定最低设计金属温度时，应当充分考虑在运行过程中，大气环境低温条件对容器金属温度的
影响。大气环境低温条件系指历年来月平均最低气温（指当月各天的最低气温值之和除以当月天数）的最低值。
●低温低应力工况
GB150.3-2011附录E第E1.4条：低温低应力工况系指壳体或其受压元件的设计温度虽然低于-20℃，但设计应力（在该设计条件下，容器元件实际承受的最大一次总体薄膜和弯曲应力）小于或等于钢材标准常温屈服强度的1/6，且不大于50Mpa时的工况。（注：一次应力为平衡压力与其他机械载荷所必须的法向应力或且应力）
这个定义与老标准有差别，设计应力与环向应力的区别，用设计应力更严谨。
新标准明确了在进行容器的“低温低应力工况”判定时，除了对壳体元件进行一次总体薄膜应力的核定外，还应对承受一次弯曲应力的容器元件进行考查，如平封头、管板、法兰等。
●关于低温低应力工况下，选材按照设计温度加50℃（或者，加40℃）的规定
GB150.3-2011附录E第E2.2条：当壳体或受压元件使用在“低温低应力工况”下，可以按设计温度加50℃（对于不要求焊后热处理的设备，加40℃）后的温度值选择材料，但不适用于：
a) Q235系列钢材；
b) 标准抗拉强度下限值Rm≥540Mpa的钢材；
c) 螺栓材料。
新标准规定对于不要求焊后热处理的设备，加40℃，这是与老标准最大的不同。在同样的设计、选材、制造和检验条件下，对低温容器进行焊后热处理可以大大减少接头范围内的焊接残余应力，从而提高了材料和接头的韧性、降低了容器在低温条件下的脆断倾向。因此新标准规定对于不要求焊后热处理的设备，只加40℃（所以最好PWHT，即使根据“低温低应力工况”判断容器不是低温容器，则设计者根据容器的具体条件或者工程经验仍然可以按照低温容器的要求进行设计，仅仅材料不是低温钢材而已）。
●设计温度的确定
由于-20℃是判断是否低温容器的关键指标，所以设计温度的确定特别重要。
设计温度的确定的原则按照GB150.1-2011第4.3.4条的规定。
对于0℃以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低设计温度。
a)根据传热计算求得的金属温度，是平均值；
b)在已经使用的同类容器上测定金属温度；
c)根据容器内部介质温度并结合外部条件求得金属温度；
如有可靠的保温或保冷措施，则金属温度直接取介质温度。
d)对于露天或无采暖厂房内放置的容器，则要考虑环境气候条件，即MDMT，尤其是储存容器。
●低温容器的选材
一般压力容器常用的铁素体钢在温度降低到某一温度时,钢的韧性将急剧下降，而显得很脆,通常称这一温度为脆性转变温度。压力容器在低于转变温度的条件下使用时，容器中如存在因缺陷、残余应力、应力集中等因素引起的较高局部应力，容器就可能在没有出现明显塑性变形的情况下发生脆性破裂而酿成灾难性事故。对于低温压力容器首先要选用合适的材料，这些材料在使用温度下应具有良好的韧性。经细化晶粒处理的低合金钢可用到-30℃到-70℃，调质高强钢可用到-20℃到-50℃，3.5％镍钢可用到-100℃,9％镍钢可用到-196℃。低于-196℃时可选用奥氏体不锈钢和铝合金等。
GB150.2-2011第3.7.2条规定使用温度不低于-196℃的奥氏体不锈钢，可以免除冲击试验，低于-196℃至-253℃，则由设计文件规定冲击试验要求，标准不做具体规定。
GB150.2-2011第3.5条规定使用温度低于-20℃的低温钢板和锻件应当采用炉外精炼工艺。
GB150.2-2011第4.1.7条规定设计温度＜－40℃）增加落锤试验要求，用于检测无塑性转变温度（NDT）。
GB150.2-2011第4.1.8条规定低温钢板（＞20mm）的超声
检测（逐张）质量等级由Ⅲ级升为Ⅱ级。
GB150.2-2011中表4规定了钢板的使用温度下限，包含低温用钢板。
GB150.2-2011第5.1.1条规定使用温度低于-20℃的碳素钢和低合金钢管其正火交货的状态不允许用终轧温度符合正火温度的热轧来代替。
GB150.2-2011第5.1.2条规定设计温度低于-40℃的钢管用钢应当采用炉外精炼工艺。
GB150.2-2011第6.1.2条规定使用温度低于-20℃的低温钢锻件应当由经炉外精炼的钢锻制而成（NB/T47009）。
GB150.2-2011第6.1.3条规定使用温度低于-20℃且公称厚度大于200mm的低温钢锻件应选用III级或IV级。
GB150.2-2011第6.2.3条规定了高合金锻件的使用温度：
a) 铁素体型S11306钢锻件为0℃；
b) 奥氏体-铁素体型钢锻件为-20℃；
c) 奥氏体型见GB150.2-2011第3.7.2条规定。
GB150.2-2011第7.1.4条规定了使用温度低于-20℃的低合金螺柱的使用限制。
GB150.2-2011第7.2.3条规定了高合金螺柱的使用温度限制。
为了避免在低温压力容器上产生过高的局部应力，在设计容器时应避免有过高的应力集中和附加应力；在制造容器时应严格