压力管道设计中的低温低应力工况及其应用
“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℃。
压力管道规范工业管道GB
压力管道规范工业管道GB/T20801—2006目前管道工程设计、施工验收主要执行现行的国家和行业标准。
具体适用范围见表1和表2。
除了表1所列设计规范外，还有专用设计规范，如器材选用规范、管道布置设计规范、静电接地设计规范、伴热管和夹套管设计规范、绝热工程设计规范等。
第二部分：材料1 范围规定了压力管道建造材料的基本要求，包括材料选用、使用限制、检验要求和标记方面的规定。
2 规范性引用文件（略）3 术语和定义3.1 低温低应力工况系指同时满足下列各项条件的工况：a) 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%；注：直管和对焊管件类元件的最大允许工作压力按GB20801.3计算确定；法兰、阀门类元件的最大允许工作压力按相应标准规定的常温压力额定值选取。
b) 管道由压力、重量及位移产生的轴向（拉）应力总和不大于10%材料标准规定最小抗拉强度值（计算位移应力时，不计入应力增大系数）；c) 仅限于GC2级管道，且最低设计温度不低于-101℃。
GB50316规定低温低应力工况为：设计温度低于等于-20℃的受压管道组成件，其环向应力小于或等于钢材标准中屈服点的1/6，且不大于50MPa的工况。
3.2 电阻焊焊管3.3 电熔焊焊管3.4 板焊管3.5 质量证明书材料质量证明（检验文件）的一种形式。
由制造厂生产部门以外的独立授权部门或人员，按照标准及合同的规定，按批在交货产品上（或取样）进行检验和试验，并注明结果的检验文件。
制造厂质量证明书由独立于生产部门的制造厂检验部门签署并批准生效。
法律法规有规定的，由法定检验检测机构出具监督检验证明。
4 .一般规定4.1材料选用业主或设计者应根据具体使用条件（包括制造、制作安装、介质、操作情况、工作环境和试验等）以及本部分规定的材料使用要求和限制，选用合适的管道组成件材料。
本部分没有包括焊接、非金属和管道支承件等的材料要求。
4.2 材料牌号和许用应力a) 本部分附录A中的表A-1和表A-2规定了管道组成件材料的牌号、许用应力和使用范围等要求;b) 按GB/T GB/T20801.3-2006中表14选择的管道组成件材料的性能不得低于按表A-1和表A-2所选相应材料的性能；c) 其他材料的选用应经过具有相应资质的机构技术鉴定及评审认可。
压力管道设计中的低温低应力工况及其应用
压力管道设计中的低温低应力工况及其应用尹 侠 周剑秋 李庆生(南京化工大学)摘 要 简要分析了目前国内低温管道设计的技术状况,提出在低温管道设计中也存在低温低应力工况,和低温压力容器设计中的有关内容相似,并通过实例分析验证了其工程实用性。
关键词 低温管道 低温低应力工况低温管道在石油化工企业中应用比较广泛,一般把5 以下的物料管道统称为低温管道。
在低于5 的工况下,低碳钢管材逐渐由延性状态向脆性状态转变,温度低于无塑性转变温度以后,管材处于脆性状态,使用就应有一定条件的限制。
所以,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。
目前,压力管道设计已愈来愈受到有关部门和单位的重视,设计单位必须进行资质审批,设计技术也逐步规范化。
但由于目前国内还没有形成一套成熟的技术规范,因而在设计中还存在着许多不确定的因素,尤其是低温管道的设计,国内还未见详细的文献报道,因此有关低温管道的设计方法就值得分析和研究。
1 管道设计中的低温低应力工况低温管道设计和普通管道设计相比,主要要多考虑两个问题:第1是低温脆性,这就要求设计人员合理选择冲击韧性高的钢材,同时从配管设计和管系制作上防止脆裂和脆断;第2是保冷结构设计和由于保冷需求而产生的一系列设计要求。
关于保冷方面的设计内容在文献[1~3]中已有较为详细的论述,实际操作也可行。
本文主要讨论如何防止管线发生低温脆断的设计方法。
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,在设计时能否不要求进行冲击试验呢?这个问题归结起来就是低温压力管线设计中是否也存在类似低温压力容器设计中的低温低应力工况的问题。
目前,国内还无技术文件对此作出定义,但ASME/ANSI B31 5规范[4]材料篇有条规定:在-101 ~-28 之间的温度范围内服役的铁金属管道,如果在压力和热收缩的同时作用下,或者在支承点之间弯曲的影响下所产生的最大环向或纵向抗拉应力不超过材料许用应力的40%,则不要求做冲击试验。
压力管道低温低应力工况判定方法及应用
压力管道低温低应力工况判定方法
及应用
压力管道低温低应力工况判定方法，是指在低温环境下，通过计算机模拟的施加压力或外力来判定压力管道的低温低应力工况。
应用：
1、该方法可以有效地预测压力管道在低温低应力工况下的变形性能，从而提供合理的设计方案。
2、该方法可以准确地确定压力管道在低温低应力工况下的强度特征，以及影响其强度特征的因素。
3、该方法也可以评估压力管道在低温低应力工况下的振动及疲劳行为，用以分析压力管道的结构安全性。
低温低应力工况在设计中的应用
第 １期 ２０ ０ ２年 １月
中国氯碱
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Ｎ Ｏ．１
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３ ５
低 温低 应力工况在设 计 中的应用
王 晓 鸣
（ 州昊天化 学 （ 团） 限公 司 ５ ０ ５ ） 广 集 有 １ ６ ５
Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ ｓ
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ｐ ｍａ ｇ ｎ ｒ ｌｍｅ ｒ ｎ ｔ ｓ ｉ ｆ ｗ ｅ ｅ ａ ｍｂ ａ ｅｓｒ ｓ ｅ
ｔ ｅ ｌｗ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｏ ｈ ｏ ｅ ｅ ａｕ ｅ ａ ｄ ｌ ｗ
ｓｒ ｓ ｒ ｎ ｏ ｄ ｔ ｎ ｔｅ ｓｗｏ ｋｉ ｇｃ ｎ ｉｉ ｏ
工作条件组合 ａ Ｐ＝（．２１ × ．０ １ ： １５ ．） ０ １１ １ Ｘ．
：０． ５ Ｍ Ｐａ ０８
工作条 件组 合 ｂ ：Ｐ＝一． ａ ０ １ＭＰ
工作条件 组合 ｃ ：Ｐ＝（０ １— ） ０ １ １ １ ． ９ １ × ． ０ Ｘ
水 流 泵
２ 应力计算
对于上述工作条件组合 ｄ是考虑到极端情况 ， ，
图 １ 癌氯 包 装 工 艺流 程 筒 围
即 液 氯 在 环境 温 度达 到 ５ ０℃ 时 的饱 和蒸 汽压 。 以
在 正 常工 作 情况 下 ， 系统 通人 １０ＭＰ 氯气 将 ． ａ 计 量槽 内的冷冻液 氯压 人钢 瓶 ， 钢瓶进 行充装 。 对 此
此工 作 条件 组 合计 算 容器 壁 厚 ， 然后 以工作 条件 组 合 ａｂ 、 进行 校核 。 选用 材质 为 １ ｎ ６Ｍ Ｒ。
维普资讯
３ ６
中国氯碱
压力管道等级表、特性表使用要求及相关规范
压力管道等级表和特性表使用说明及相关规范一.压力管道定义：1. 压力管道的重要性：国家质量监督检验检疫总局颁发的《特种设备监察条例》中，将压力管道列为特种设备监察的管理范筹，轻工协会压力管道管理委员会每四年进行一次换证大检查，其间还有不定期的抽查，不合格者将取消单位资格。
公司每年ISO内审之前各生产室应将该年度的压力管道设计项目内容形成报表上报公司生产技术部。
公司每年的ISO内审，涵盖压力管道设计审查工作，其审核由具有压力管道审核资格的内审员负责压力管道的内审，审核内容单列。
2. 压力管道定义:《特种设备监察条例》第七章规定“压力管道，是指利用一定的压力，用于输送气体或者液体管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或等于0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm的管道。
”根据该定义，必须同时满足以下要求的管道才属于压力管道：2.1 输送介质为最高工作压力大于或者等于0.1Mpa（表压）的气体、液化气体、蒸汽或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体；2.2 管道公称直径大于25mm。
2.3 压力管道用管子、管件、阀门、法兰、补偿器、安全保护装置等产品均属于压力管道安全管理及监察的范围。
压力管道用管件包括弯头、弯管、三通、异径管、接管座、法兰、堵头、封头等。
压力管道用管道附件（元件）包括:管件、法兰（含螺栓及螺母）、垫片、阀门及其组合件，绝缘法兰、绝缘接头、清管器、收发筒等管道专用部件。
3. 本公司涉及的常用压力管道本公司热力、暖通、造纸、食品、医药各专业可能涉及的压力管道一般包括：蒸汽管道、液化气、天然气、锅炉给水管道、氨气管道、氨液管道、氧气管道、氢气管道、二氧化碳管道、压缩空气管道、高于沸点的凝结水管道、0.1MPa蒸汽伴热管、环氧丙烷管道、烧碱液（浓度>30%）管道、氯气管道、酒精管道、甲醇管道、酸液管道等以及其它符合上述第1条规定的管道。
低温低应力工况压力容器的设计
器的选材进行论述，目的就是在条件允许的情况下， 一般的压力容器用材料（
等）在常温条件下
用价格较低的材料代替一些价格高的传统材料，降 的许用 应 力 值（
），根 据
低设备的材料成本和制造成本，进而降低整个工程 《 钢制低温压力容器技术规定》的要求，当设备壳体
项目的费用支出，最终达到增强企业竞争实力的目 一次总体薄膜（ 拉）应力不高于材料标准常温屈服
氯气液化器是氯碱行业经常用到的低温压力容
厚， ）计算此时壳体一次薄膜应力为
； 器，属于低温换热化工设备。该设备壳程介质为冷
＊ ［作者简介］刘岩峰（
），男，工程师，
工工程设计有限公司从事设计工作。
［ 收稿日期］
年毕业于辽宁工学院材料工程系塑性成型专业，现在葫芦岛锦化化
。；
。。。。。；
。；
第期
刘岩峰等：低温低应力工况压力容器的设计
。液
氨在
时对应的饱和蒸汽压仅为
，
由公式 ! （ ）计算此时壳体一次薄膜应力为
；而液氨在
时其对应的饱和蒸汽
压仅为
，由公式 ! （ ）计算此时壳
体一次薄膜应力为
。壳体一次薄膜应力
值远低于一般的压力容器用材料（
等）在常
温条件下的许用应力值（
），同 时 壳 体 一 次
薄膜应力值也小于壳体材料
标准常温屈服
点的 （ 即
温度为
，操作压力约为
，管程筒体
内径为
，由公式 ! （ ）计算此时壳体
一次薄膜应力为
，壳体一次薄膜应力值也
远低于一般的压力容器用材料（
等）在常温
条件下的许用应力值（
），同 时 壳 体 一 次 薄
低温低应力工况在制冷装置低温容器中的应用
- 46 -技术交流石油和化工设备2019年第22卷低温低应力工况在制冷装置低温容器中的应用张峰（昆山密友集团有限公司， 江苏 昆山 215316）[摘 要] 制冷装置用低温容器设计过程中，应根据法规、标准的要求进行强度计算和应力校核。
由于低温容器的材料和人工综合成本较高，可根据标准中的低温低应力工况豁免条件，豁免部分低温容器的材料、设计和制造技术要求，从而既降低了综合成本又保证了安全性。
[关键词] 低温压力容器；强度计算；应力校核；低温低应力工况作者简介：张峰（1972—），男，浙江人，本科学历，工程师，在昆山密友集团有限公司从事压力容器设计审核工作。
制冷装置在化工、食品、矿山等领域应用非常广泛，其中低压系统的部分设备—如低压循环桶、储罐、分离器、蒸发器等，这些低温压力容器工作温度经常在低于-20℃甚至达-40℃工况下运行，按照GB/150.3-2011《压力容器 第3部分：设计》中附录E 规定，碳钢和低合金钢的设计温度低于-20℃，其应按照低温压力容器进行管理，因此许多制造单位都按照低温压力容器进行设计，从而提高了材料和人工等综合成本。
如果按照低温低应力工况来设计可以降低制造成本，如承压元件用压力容器钢板Q345R 可以代替低温压力容器用钢板16MnDR 。
1 低温低应力理论1.1 压力容器承压元件用材料允许使用的最低使用温度在GB/150.2-2011《压力容器》第二章《材料要求》中有详细描述。
处于最低使用温度的材料，承受满应力状态时，具有足够的抗低温脆断能力。
1.2 低温低应力工况的判定要求低温低应力工况判断对象是碳素钢、低合金钢制造的压力容器；设计温度低于-20℃，受压元件能够承受设计应力小于或接近于某一规定的低应力水平。
并且小于或等于常温条件下材料屈服强度的1/6且不大于50MPa ；满足以上两个条件的容器处于低温低应力工况。
2 低温低应力工况的规定2.1 压力容器低温工作时，压力明显下降，可以按照低温低应力工况设计，如果有客户指定低温容器设计，尊重客户的意见。
压力容器低温低应力工况原理及其温度调整准则探讨
压力容器低温低应力工况原理及其温度调整准则探讨发布时间：2022-03-22T01:59:37.438Z 来源：《福光技术》2022年3期作者：张红卫[导读] 低温压力容器泛指设计温度低于零下二十度的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢等容器，低温压力容器在原则上应根据低温工况开展设计、制造、检验、使用、管理等工作，但是，并非所有设计温度低于零下二十度的压力容器都需开展低温压力容器设计与制造。
基于此，本文将主要针对压力容器低温低应力工况原理以及其温度调整准则展开相关探讨研究。
张红卫重庆市特种设备检测研究院 401121摘要：低温压力容器泛指设计温度低于零下二十度的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢等容器，低温压力容器在原则上应根据低温工况开展设计、制造、检验、使用、管理等工作，但是，并非所有设计温度低于零下二十度的压力容器都需开展低温压力容器设计与制造。
基于此，本文将主要针对压力容器低温低应力工况原理以及其温度调整准则展开相关探讨研究。
关键词：压力容器；低温低应力；温度调整引言：与传统的压力容器相比，在设计、材料、制造、检验等方面都有很高的要求。
在实际工程中，某些装置的运行参数达到了GB/T15-2011 《压力容器》中规定的标准，因此，若只采用这种方法，会大大提高设备的生产成本。
如果能够通过运行参数来判断，该装置满足 GB/T1551-2011 《压力容器》、 HG/T20585-2011 《钢制低温压力容器技术规定》中的低温、低应力条件，从而降低了生产成本，缩短了生产周期，达到了TSG21-2016 《固定式压力容器安全技术监察规程》的节能标准。
1低温低应力工况原理GB150.3-2011 《压力容器》附录 E 《关于低温压力容器的基本设计要求》 E1.4中所述：“低温低应力状态”是指在设计压力小于或等于钢材在-20℃下的情况下，在设计压力小于或等于钢的标准屈服强度的6/6，而不超过50 MPa。
（注：即一次应力P，二次应力σ和峰值应力F。
低温压力容器及管道系统在用检验
6
叠片绝热支承
7
氮排气管
8
氢排气管
9
氢安全阀
10
氮安全阀
•图5 液氮保护的液氢容器
低温压力容器和管道典型结构⑹
• ⑵ 液氢和液氦压力容器
1 抽气铅管 2 铅管护罩 3 颈管 4 铜翅片 5 多层绝热 6 外壳 7 传导屏 8 内胆 9 加强圈 10 支承短管 11 吸附腔 12 吊钩 13 不锈钢丝绳 14 底座
② 3.5% Ni：(-100℃，AKV≥47J) ③ 5% Ni：（–120～－170℃）
④ 9% Ni (-170℃，AKV≥47J)； 3、镍合金（镍含量30%～99%的合金）
镍基合金（镍含量大于或等于50%的合金）镍铜合金（ 蒙乃尔）、镍铬铁合金（因康镍合金、INCONEL）、镍钼合金 （哈氏合金）。
•图6 100L多屏绝热液氦容器
低温压力容器和管道典型结构⑺
• ⑶ 液化天然气储存容器
•图7 东京煤气公司130000 M3地下液化天然气储罐
低温压力容器和管道典型结构⑻
• ⑷ 低温液体输送压力管道及设备
•1、摆动杆；2、可拆卸的罩；3、阀。
•图8 低温阀门
低温压力容器的结构材料
低温压力容器内胆常采用奥氏体不锈钢、铝合金、铜合金（钛）；液化
划分的温度界限各不相同，如表2所示。
2、按应力分析法设计的压力容器规范要求容器在整个使 用（包括制造）过程中，无论在常温或低温下使用，都应具 有一致的韧性要求，以防止在各个使用环节上发生脆性断裂 。因此，按应力分析法进行设计的压力容器规范，如ASMEⅧ2，中国的JB4732都不划分低温与常温的温度界限。
•图3 WYN-180型运输用低温容器
低温压力容器和管道典型结构⑷
压力管道等级表、特性表使用要求及相关规范
压力管道等级表和特性表使用说明及相关规范一.压力管道定义：1. 压力管道的重要性：国家质量监督检验检疫总局颁发的《特种设备监察条例》中，将压力管道列为特种设备监察的管理范筹，轻工协会压力管道管理委员会每四年进行一次换证大检查，其间还有不定期的抽查，不合格者将取消单位资格。
公司每年ISO内审之前各生产室应将该年度的压力管道设计项目内容形成报表上报公司生产技术部。
公司每年的ISO内审，涵盖压力管道设计审查工作，其审核由具有压力管道审核资格的内审员负责压力管道的内审，审核内容单列。
2. 压力管道定义:《特种设备监察条例》第七章规定“压力管道，是指利用一定的压力，用于输送气体或者液体管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或等于0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm的管道。
”根据该定义，必须同时满足以下要求的管道才属于压力管道：2.1 输送介质为最高工作压力大于或者等于0.1Mpa（表压）的气体、液化气体、蒸汽或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体；2.2 管道公称直径大于25mm。
2.3 压力管道用管子、管件、阀门、法兰、补偿器、安全保护装置等产品均属于压力管道安全管理及监察的范围。
压力管道用管件包括弯头、弯管、三通、异径管、接管座、法兰、堵头、封头等。
压力管道用管道附件（元件）包括:管件、法兰（含螺栓及螺母）、垫片、阀门及其组合件，绝缘法兰、绝缘接头、清管器、收发筒等管道专用部件。
3. 本公司涉及的常用压力管道本公司热力、暖通、造纸、食品、医药各专业可能涉及的压力管道一般包括：蒸汽管道、液化气、天然气、锅炉给水管道、氨气管道、氨液管道、氧气管道、氢气管道、二氧化碳管道、压缩空气管道、高于沸点的凝结水管道、0.1MPa蒸汽伴热管、环氧丙烷管道、烧碱液（浓度>30%）管道、氯气管道、酒精管道、甲醇管道、酸液管道等以及其它符合上述第1条规定的管道。
压力管道的工况分析及其对材料性能的要求
压力管道的工况分析及其对材料性能的要求邓志伟【摘要】针对压力管道在安装和使用中具有复杂性和特殊性的特点,对压力管道可能遇到的不同的工况条件进行了详细的分析,并据此提出了压力管道对所选用材料性能的一些特殊要求.结合典型压力管道的选材分析,分别以高温管道和低温管道为例,说明为保证装置的安全、稳定、可靠和长周期运行,压力管道在选材时需考虑的因素.同时,指出在选材时必须坚持的原则,具有一定的实际工程意义.【期刊名称】《管道技术与设备》【年(卷),期】2009(000)004【总页数】3页(P18-20)【关键词】压力管道;工况分析;材料选择【作者】邓志伟【作者单位】浙江工业大学浙西分校,浙江衢州,324000【正文语种】中文【中图分类】TE830 引言近几十年来，随着经济的发展以及能源结构的转变，压力管道已成为工业生产、人民生活中广泛使用的一类特种设备。
据不完全统计，目前，国内仅长输油气管道就有近3 000 km，另外用于化工生产的压力管道更多[1]。
压力管道的安全运行与生产生活关系极为密切，保证压力管道的安全运行的意义重大。
由于压力管道安装的场所常为室外露天，环境多变，而管道运输的又往往是工作压力大于等于0.1 MPa的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性的液体介质。
所以，压力管道往往受外界条件和内部介质的影响较大，工况条件复杂多变，相应的对材料的要求也存在较大差异。
所以进行对压力管道的工况条件及其选材的研究就具有其特殊的实际工程意义。
1 压力管道的工况分析压力管道是一种受压元件，在石化和化工企业中，大多数用以输送易燃、易暴和腐蚀性、有毒的介质。
压力管道一旦受损，后果十分严重。
国内压力管道量大面广、事故频发。
压力管道失效主要是断裂和泄漏。
压力管道断裂和压力容器断裂在本质上是一样的[2]，但是也有管道的特点，与容器比较[3]，管道的直径和厚度都要小得多，焊缝一般是环向对接焊缝，缺陷一般是环向的，内壁未焊透缺陷普遍存在，并且相当严重。
“低温低应力工况”下管道材料的应用
裕量的最小管壁厚）除以最低设计温度下的S；② 大于2/3屈服强度值（S % &sT 5 ）故GB
对于有额定压力的管道组件，所考虑工况的压力 额定参数除以最低设计温度下的压力额定参数;
2019,29(3)
阳东升等“低温低应力工况”下管道材料的应用
29
“低温低应力工况”下管道材料的应用
阳东升#费珂何旭东蔡晓峰中国五环工程有限公司武汉430223
扌商要 通过对国内外标准中“低温低应力工况”定义的比较，选择合适的低温低应力判定准则，对该判 定准则建立相对应的模型并进行详细分析和计算，据此制定合理的选材方案。
于或等于-20M的受压的管道组成件，其环向应力 小于或等于钢材标准中屈服点的1/6，且不大于 50MPa的工况$
除了抗拉强度下限值大于540MPa的钢材及螺 栓材料外，使用的材料在低温低应力工况下，若 设计温度加50M后，高于-20M时，管道材料可
试验$ （3） 《钢制压力容器第3部分：设计》GB-
关键词管道材料低温脆性低温低应力应力分析
在化工项目建设和运行过程中 ，经常会遇到 低温工况，较低的温度会给管道材料带来脆性, 严重影响管道性能和工厂安全，在低温下选择合 适的材料保证装置的安全稳定运行。
低温下材料发生脆断时具有突然性和猛烈性, 危害较大，在材料选择上应着重考虑。从宏观角 度分析，材料低温脆性的产生与其屈服强度&和 断裂强度&b随温度的变化有关。断裂强度随温 度变化很小，屈服强度&随温度的变化情况与材 料的本性有关。具有体心立方的金属及合金或某 些密排六方晶体的金属及合金的屈服强度&随温 度变化十分敏感，温度降低，&急剧升高，故& 与&b随时间变化的两线交于一点，该交点对应的 温度即为tk。温度高于tk时，&”>&，材料受载 后先屈服后断裂；温度低于tk时，&”<&，材料 受载后先达到断裂强度，材料表现为脆性断裂$ 鉴于温度tk对材料低温脆性的影响，通过大量的试 验和工程实践，国内外标准对各类材料所适用的 低温值进行了详细的规定。在工程设计中，管道 材料的选用往往将该低温值作为绝对下限温度来 处理，忽视了在符合“低温低应力工况”这一条 件时，可以控制整体应力水平值远低于断裂强度 &b，同样可以满足标准规范和工程设计需求，还 能给制造、检验和验收等带来便利，具有可观的 经济性。
低温低应力工况管道设计探讨
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(* )
式中：)———弯曲模量； (*———合成弯矩。
(* " !($*) ’ ($*$
可依据被评管线的轴向总应力（!! <!*）是否低于 许用应力的 9%+ ，判断管道是否处于低温低应力状态，
进而决定是否做冲击试验。
国内尚无技术文件对管道作出类似定义，但 /0,1 * /203
（栏目主持 张秀丽）
低温低应力工况管道设计探讨
张汉佩（大庆油田设计院）
主题词 低温管道 低温 低应力 工况
!! 问题的提出
45)6’ 规范材料篇有条规定：在 # )%) 7 # $8& 之间的温
目前，压力管道设计已愈来愈受到有关部门和单位 度范围内服役的铁金属管道，如果在压力和热收缩的同
的重视，设计单 位 必 须 进 行 资 质 审 批，设 计 技 术 也 逐 步 规范化，但在设 计 中 还 存 在 着 许 多 不 确 定 的 因 素，在 我 国东北地区的冬季气温低（ " # $%&），使得压力容器， 主要是储存类压力容器处于低温工况（与之相连的管道 也有同样情况）。在化工装置中一般把处于 ’& 以下气 温的物料管道统称为低温管道。在低于 ’& 的工况下， 低碳钢管材逐渐由延性状态向脆性状态转变，温度低于 无塑性温度以 后，管 材 处 于 脆 性 状 态，使 用 就 应 有 一 定
输气管道管材的低温低应力校核示例
1输气管道管材的低温低应力校核示例1郜高瑞1.中国石油天然气管道工程有限公司沈阳分公司摘要：国内一般要求对管材进行最低运行/设计温度或更低温度的冲击试验，造成生产周期加长、资金浪费等。
本文采用范诺方程对输气管道工程用管材进行低温低应力的理论计算。
关键词：输气管道; 低温低应力; 应力校核; 范诺方程1 模型某输气站场在进出站端设置放空管线（如图1所示），由于放空量较大、时间较长、放空时温降较大，需对放空管线进行低温工况的应力校核。
基础参数如下：气源：压力P 0=8.1MPa（A），最低温度T 0=-20℃，介质主要为甲烷CH 4；放空管线：规格为L360N-D273×10，长度（含阀门、管件的当量长度）L=200m，设计压力为10MPa （G），管材管件的最低设计温度为-30℃；大气压力P a =0.1MPa（A）。
图1 模型示意图2 范诺方程2.1 放空管路中流动特性与输气站场的其它管路相比，放空管路中气体流动的水力特性具有极大的不同点：（1）放空管路较短，但压降极大。
（2）在短距离大差压条件下，管路沿途气体的温度、密度、流速差异极大。
2、计算公式气体放空过程的非稳定特点决定了其水力计算不能套用一般站场管路的达西公式。
放空管路较短，压降极大，流速极高，气体在流动过程中几乎与外界没有热交换，整个过程可视为可压缩流体有摩擦绝热的一维流动。
对于已定管路，沿程摩阻系数为常数。
气体的放空过程满足称范诺方程。
式中：—达西摩阻系数；—f γ— —气体的等熵指数，也叫绝热指数，可视为常数，取1.3；k— —管内壁的绝对粗糙度，取0.005m；2020年10月 第5期 No.5 Oct.,2020《非开挖技术》杂志社Periodical office of china Trenchless Technology作者简介：郜高瑞，邮箱：****************。
非开挖技术china Trenchless Technology 2020年10月Ma——马赫数。
低温压力容器的“低温低应力工况”的判断及其设计、制造的注意事项
低温压力容器的“低温低应力工况”的判断及其设计、制造的注意事项低温压力容器是指设计温度低于-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℃的奥氏体不锈钢制压力容器。
低温压力容器原则上应按照低温工况进行设计、制造、检验、使用和管理，但并不是所有设计温度低于-20℃的压力容器都按照低温压力容器进行设计、制造和检验。
GB150.3-2011《压力容器》附录E（规范性附录）《关于低温压力容器的基本设计要求》E1.4规定：对于碳素钢和低合金钢制容器，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℃（对于不要求焊后热处理的容器，加40℃）后不低于-20℃，除另有规定外不必遵循关于低温压力容器的规定.从该文中可以理解为低温压力容器按照温度和应力工况可分为低温工况和低温低应力工况两类。
如何正确理解“低温低应力工况”的含义，是判断低温压力容器的工况是否属于“低温低应力工况”的基础和前提，也是进行低温容器设计、制造的前提。
本人就“低温低应力工况”下压力容器设计、制造有关事项谈一点自己的看法。
标签：低温压力容器制造注意事项一、“低温低应力工况”的含义GB150.3-2011《压力容器》附录E（规范性附录）《关于低温压力容器的基本设计要求》E1.4规定：“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℃，但设计压力小于或者等于钢材常温标准屈服强度的1/6，且又不大于50MPa时的工况。
（注：一次应力是为平衡压力与其他机械载荷所必须的法向应力或切向应力）压力容器的应力（GB150-89释义）分为三类：即一次应力P，二次应力σ和峰值应力F。
而一次应力P又分为三种：一次总体薄膜应力Pm，一次局部薄膜应力Pl和一次弯曲应力Pb。
一次总体薄膜应力的特点：沿壳体厚度方向均匀分布，影响范围遍及整个受压元件，一旦达到屈服点，受压元件整体产生屈服，应力不重新分布，一直到整体破坏。
低温压力容器及低温低应力容器的应用
业 使用 的压力容 器中 ，低温 压力容 器 占有一 定 的 比重 。因该类压 力容器 工作温度 较低 ， 容 器材料 的脆性 相应 增 大，其受压 元件在拉 应 力的作用 下 ，应 力水平在 低于材料 的屈服 强 度 ，或低 于许用应 力 的情 况下突 然发生脆 性 断裂 。这种断 裂发生 的前 后，均 没有或只 有 局部极小 的塑性变 形 ，而 没有整体 屈服 ， 在 日常生产 中不 易觉 察 ，对 石油化 工生产 的 安 全威胁更 大 在制 冷行业 使用的压 力容器 中，相 当多的压 力容 器 工作温 度也较低 ，但 制 冷剂在较 低工 作温 度下其 工作压力较 低 ， 其运 行工况 在低温低 应力工 况条件 下。因此 对 于低温压 力容器 的认识 以及非低温压 力容 器应用将 有助我们设计、制造及检验的选择 。
度。
②对盛装 压缩气 体 ，且无 保温设 施的贮
存 压 力 容 器 ， 由于 气 体 的 热 容 量 小 ， 受 压 元 件的金属温度 按近 于冬季 空气 调节室 外计算 温度 ，所 以取冬季 空气调节 室外计算温 度下 降２ ℃，作为该受压元件的设计温度 。
、
低温压 力容器 的含义
度应从 以下几方面考虑确定： ①对盛装 液体 ，且物料 的充装量 占容器 容积 １ ／ ４ 以上，且无保温 设施 的储存压力容 器， 由于液 体 的热 容量较气 体大，致 使受压 元件 的金属 温度要 略高于 冬季空气 调节室外 计算温度 ，所 以需把冬季 空气调节 室外计算 温度 上升 １ ℃， 方可作为该受压元件的设计温
求； ｃ １设 计 温 度 低 于 ． １ ｏ ０ ℃ 时 ， 应 按 ＮＢ ｆ ｒ ４ ７ ０ １ ４ － ２ ０ ｌ ｌ进行焊缝金属的低温夏 比 （ Ｖ 形 缺 口 ）冲 击 试 验 ，且 应 符 合 ＧＢ１ ５ １ － １ ９ ９ ９《 管 壳式换热器 》附录 Ａ，Ａ ２ ． １ ，Ａ ２ ． ２的要求 。
“低温低应力工况”的认识和应用
“低温低应力工况”的认识和应用2005年第2期?13?"低温低应力工况''的认识和应用黄兴军(无锡化工集团欣源机械制造有限责任公司,无锡214041)摘要评述"低温低应力工况"概念的认识;说明"低温低应力工况"在压力容器制作中的应用.关键词压力容器低温低应力认识应用1前言低温压力容器是石油化工生产中常见的设备,它是指设计湿度低于或等于一20℃的压力容器(包括由于受环境温度的影响,壳体的金属湿度低于或等于一20℃的压力容器).在压力容器制作中,往往有人误将设计图样中设计温度为一20℃及以下的压力容器全部当作低温压力容器来处理,忽视了满足一定条件的"低温低应力工况"可不受低温压力容器一系列控制条件的约束,给制造,检验和验收带来了不必要的麻烦,且增加了制造成本.2"低温低应力工况"的概念(1)在GB150—1998(钢制压力容器》附录C"低温压力容器"和GB151—1999《管壳式换热器》附录A"低温管壳式换热器"中,都对"低温低应力工况"作出了明确的定义:是指壳体或受压元件的设计温度虽然低于或等于一20℃,但其环向应力小于或等于钢材标准常温屈服点的六分之一且不大于50MPa的工况.当壳体或受压元件使用在"低温低压力工况"下,若其设计温度加50℃后,高于一20℃,不必遵循本附录的规定.也就是说,满足这样条件的压力容器就不属于低温压力容器的范围了.(2)在HG20585—1998(钢制低温压力容器技术规定》对"低温低应力工况"的定义是:指容器壳体或其受压元件在低温(小于等于一20*0)操作条件下一次总体薄膜压力a降到GB150规定的材料许用应力Eo3与相应焊接接头系数的乘积75以下的工况.按HG20585—1998(钢制低温压力容器技术规定》第三条的规定:对设计湿度可以分三种情况调整:①设计温度不低于一46℃时,"低温低应力工况"容器的设计温度按表1进行调整.②设计温度低于一46~C但不低于一100"(2时,仅当容器壳体或其受压元件的一次总体薄膜应力降至小于或等于钢材标准常温屈服点的六分之一,且不大于50MPa时,设计温度调整值可以取50~C.表1应力比a/([o]甲)设计温度调整值△t(℃)0.750.600.450.3750.33O.301020304050注:应力值处于中同值时,At司取内插值③设计温度低于一100℃时,设计温度调整值为0. 调整后的设计温度等于或低于一20~C时,压力容器的选材(包括钢材及焊接接头冲击试验温度),设计,制造,检验要求均按调整后的设计温度来确定.调整后的设计温度高于一20*0但低于0℃时,压力容器的钢材及其焊接接头的冲击试验温度,应等于或低于调整后的设计温度,其他设计,制造,检验要求可不必遵循HG20585—1998《钢制低温压力容器技术规定》的规定.调整后的设计温度不低于0~C时,压力容器的选材,设计,制造,检验要求均不必遵循HG20585—1998{钢制低温压力容器技术规定》的规定.3"低温低应力工况"的应用我公司曾制作过应用于PVC生产的冷凝器,参数条件如下.容器名称:80m冷凝器设计压力(壳程):0.22MPa最低操作温度(壳程):一20*014?化工设备与管道第42卷设计温度(壳程);一20℃材质(壳程)16MnR筒体直径:800mm壁厚:10mm腐蚀裕量:2mm焊接接头系数:0.85根据公式d=EP设X(Di+)-]/2x计算:=一C1一C2=10—2—0.25:7.75mmP设=0.22MPaDi=800mm则d=11.47MPa查16MnR钢材标准常温屈服点为345MPa,所以345/6=57.5MPa由以上计算结果知:d=11.47<50<57.5调整设计温度:T=一20℃+50℃=30℃此台压力容器符合GB151-1999附录A规定的"低温低应力工况",不必遵循低温管壳式换热器设计,制造,检验,验收的规定.最近,我们在产品制造中又遇到这样一台压力容器,参数条件如下.容器名称:集液罐设计压力:1.0MPa设计温度:一29℃最低操作温度:一29℃容积:3m3介质:烃材质:16MnR筒体直径:1200mm壁厚:10mm腐蚀裕量:2mm焊接接头系数:0.85同样计算一下:d=EP设X(Dj+)-]/2x:77.92MPa(1)16MnR钢材标准常温屈服点的六分之一为:345/6=57.5MPa因77.92>57.5>50根据GB150—1998(钢制压力容器》附录C,此台压力容器应该划分为低温压力容器.(2)查16MnR钢材许用应力[=170MPa,则75%[d]=0.75x170x0.85=108.38MPa>77.92MPa根据HG20585—1998《钢制低温压力容器技术规定》中"低温低应力工况"的定义,此台压力容器不应划分为低温压力容器.而是符合"低温低应力工况".根据HG20585-1998来调整设计温度:计算应力比:a/([d])=77.92/(170x0.85)=0.54,根据表1,用内插法求得调整温度为15℃,调整后的设计温度为:T=一29℃+15℃=一14℃.故此压力容器不属于低温压力容器的范畴,只进行低温冲击即可.GB150-1998《钢制压力容器》对"低温低应力工况"定义相对过于严格,偏保守.而HG20585-1998定义符合实际,建议届时GB150对此定义作适当修改.工业泵市场前景乐观预计到2005年,工业泵工业总产值将达到150亿元,可实现销售收入160亿元,是1998年的125.其中,工业总产值"十五"期间年增长率为5;2010年,工业泵行业工业总产值预计达到180亿元,销售收入达190亿元,是2000 年的150.行业经济效益得到明显的提高.产品国内市场的占有率也将从目前的84左右,提高到90.其中,火电,核电和"三大化工"中的重点产品市场2005年和2010年占有率分别达到75和80%以上.企业的产品开发,试制,加工设备等的技术水平和装备能力将具有较强的竞争能力.未来10年,也是泵行业出1:3创汇增加幅度最大的时期,预测2005年,2010年的出1:3创汇额分别可达4.5亿美元和7亿美元左右,比1998年增加2.5倍和4.4倍,比2000年的预测值也将增加1.2倍和2.9倍.2005 年和2010年产品的出1:3额将占到工业总产值的25和32%左右.产品重点发展为超临界火电机组配套用锅炉给水泵,空冷火力发电机组用泵,核电站用泵,逐步填补油田,海上采油,炼油和油品,石化等方面的特殊用泵空白,形成工业泵行业新的经济增长点.2000年,2005年整个泵业达到2亿美元,4.5亿美元左右工业泵出口的主要国家和地区是,东南亚,孟加拉,巴基斯坦,南非等地.目前工业泵普通产品供大于求,高水平,高质量的特殊产品供不应求,还需从国外进口,产品的水平与用户需要差距较大.产业结构和产品结构不合理的现象尤为明显,产品达到当代世界先进水平极少,大部分仅达到80年代90年代初的水平,不能适应市场需求结构的变化.一方面产品积压严重,另一方面市场急需的产品试制太慢或短缺,冲不出传统产品的格局.与国外的动态差距并没有缩小.形势不容乐观. [摘自{2005年化工市场预测》,上海市化工行业协会]。
常用压力管道材料标准规范标准[详]
![常用压力管道材料标准规范标准[详]](https://img.taocdn.com/s3/m/4ea2f9e4f78a6529657d534d.png)
压力管道材料一常用压力管道材料标准规GB150-1998《钢制压力容器》〔第1、第2号修改单〕GB50316-2000《工业金属管道设计规》GB50251-2003《输气管道工程设计规》GB50253-2003《输油管道工程设计规》GB50028-93《城镇燃气设计规》〔2002版或2002局部修改条文〕GB50030-1991《氧气站设计规》GB50030-2005《氢气站设计规》GB50160-92《石油化工企业防火设计规》(1999年版)GB50235-97《工业金属管道工程施工与验收规》GB50236-98《现场设备、工业管道焊接工程施工与验收规》SH3059-2001《石油化工管道设计器材选用通那么》SH/T3064-2003《石油化工钢制通用阀门选用、检验与验收》SH/T3064-2003《石油化工钢制通用阀门选用、检验与验收》SY/T0599-1997《天然气地面设施抗硫化物应力开裂金属材料要求》SH/T3501-2002《石油化工有毒、可燃介质管道工程施工与验收规》ASME B31.3《工艺管道》二管道的分级和流体的分类目前国对工业管道有按管道设计压力与输送介质划分的管道级别和按输送流体介质划分的流体类别两种分级、分类方式。
ASME压力管道规B31.3《工艺管道》按流体划分工况。
(一) 按管道设计压力与输送介质物性划分的管道级别《石油化工管道设计器材选用通那么》SH3059管道分级注:混合物料应以其主导物料作为分级依据(二) 按管道输送介质划分的流体类别《工业金属管道设计规》GB50316，将工业金属管道中输送流体分为A1类、A2类、B类、D 类、C类五类流体：1. A1流体在该规系指剧毒流体,在输送过程中如有极少量的流体泄漏到环境中,被人吸入或与人体接触时,能造成严重中毒,脱离接触后,不能治愈.相当于现行国家标准《职业性接触毒物危害程度分级》GB5044中Ⅰ级(极度危害)的毒物。