低溫壓力容器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是選材，并相應(yīng)地在制造、結(jié)構(gòu)上加以某些限制。

        低溫壓力容器受壓元件所采用的鋼材必須是鎮(zhèn)靜鋼。材料的許用應(yīng)力取常溫20℃的數(shù)值，強(qiáng)度計(jì)算方法按GB 150.3 的規(guī)定。

低應(yīng)力脆性斷裂現(xiàn)象

       自從19 世紀(jì)末以來，在嚴(yán)寒地帶的鐵軌、橋梁和結(jié)構(gòu)件曾發(fā)生一系列低溫脆性斷裂事故，由于當(dāng)時科學(xué)技術(shù)的限制，鋼材的冷脆問題研究未取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展， 20 世紀(jì)40 年代以來，許多船舶、壓力容器、管道、化工設(shè)備及大型結(jié)構(gòu)，特別是一些焊接結(jié)構(gòu)，多次發(fā)生低應(yīng)力脆斷，造成了巨大的損失。因此，低應(yīng)力脆斷就成為人們非常關(guān)注的課題，通過大量事故的調(diào)查分析，可以總結(jié)出低應(yīng)力脆斷具有下列特點(diǎn)。

        ①斷裂時容器的工作壓力比較低，其斷裂名義應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，在斷裂之前沒有或者只有局部極小的塑性變形。

        ②裂紋擴(kuò)展速率大。

        ③低應(yīng)力脆斷多屬解理斷裂或準(zhǔn)解理斷裂，斷口具有晶粒狀的特點(diǎn)，光亮而平滑。

        ④ 低應(yīng)力脆斷往往發(fā)生在有缺口或裂紋的容器上，并以筒體自身存在的各種工藝缺損及雜質(zhì)作為裂紋源。

        ⑤斷裂一般發(fā)生在較低溫度下，此時材料的韌性很差。

        從上述低應(yīng)力脆性斷裂的特點(diǎn)結(jié)合斷裂力學(xué)原理，對金屬斷裂機(jī)理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)金屬的低溫韌性，即缺口尖端處的金屬微觀塑性變形能力決定壓力容器抵抗應(yīng)力脆斷破壞的能力。

影晌低溫韌性的因素

        (1)晶體結(jié)構(gòu)的影響

        試驗(yàn)表明，具有體心立方總陣(bcc)結(jié)構(gòu)的鐵素體鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，脆性斷裂傾向較大，密排六方結(jié)構(gòu)(hcp)次之，面心立方結(jié)構(gòu)(fcc) 的金屬如銅、鋁、鎳和奧氏體類鋼則基本上沒有這種溫度效應(yīng)，即沒有低應(yīng)力脆斷。

        事實(shí)上除非存在第二相或處于導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的環(huán)境下，面心立方金屬一般不發(fā)生脆性斷裂，其主要原因是當(dāng)溫度降低時，面心立方金屬的屈服強(qiáng)度沒有顯著變化，而且不易產(chǎn)生形變孿晶，位錯容易運(yùn)動，局部應(yīng)力易于松弛，裂紋不易傳播，一般沒有脆性轉(zhuǎn)變溫度。

        但是體心立方金屬則不同，在中溫區(qū)域，其強(qiáng)度(特別是屈服強(qiáng)度)受雜質(zhì)、載荷速度和合金元素的影響非常明顯，而在0.2T0(T0為金屬的熔點(diǎn)，單位為K) 以下的低溫區(qū)域內(nèi)隨溫度的降低，其屈服強(qiáng)度增加很快，最后幾乎與抗拉強(qiáng)度相等，尤其是在低溫下容易產(chǎn)生形變孿晶，故易引起低應(yīng)力脆性斷裂。

       (2) 化學(xué)成分的影響

        對低溫壓力容器用鋼而言， 增加含碳量，將增大材料的脆性，使脆性轉(zhuǎn)變溫度急劇上升，所以低溫用鋼的含碳量不超過0.2 % ，近年來國外有一種發(fā)展和應(yīng)用低碳( < 0.15 %)或微碳(<0 . 06%) 鋼的明顯趨勢。

        錳元素是擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，含錳量增加能使鋼材得到細(xì)致而富有韌性的鐵素體和珠光體晶粒，因而可改善鋼材在低溫下的韌性。含碳量一定時，提高錳比值可以得到較低的無延性轉(zhuǎn)變溫度，降低碳含量，提高錳碳比，其無延性轉(zhuǎn)變溫度降低，鋼板的允許使用溫度降低。

        鎳也是提高鋼材低溫韌性的重要元素，甚至更優(yōu)于錳，當(dāng)含鎳3. 5% 時，可以使鋼在-100℃仍保持很高的韌性，而含鎳9 % 的鋼可用作液氮容器，耐-196℃的低溫。

        在含錳的鐵素體類低溫用鋼材中，添加少量V 、Ti 、Nb 、Al 等含金元素，通過軋制或隨后的熱處理，使碳化物、氮化物彌散析出進(jìn)行沉淀強(qiáng)化，從而獲得較高的強(qiáng)度和良好的低溫韌性。

        (3) 晶粒度的影響

        晶粒尺寸是影響鋼的低應(yīng)力脆斷的重要因素，細(xì)晶粒不僅使金屬有較高的斷裂強(qiáng)度，而且使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低，這是由于晶界存在雜質(zhì)和脆性相，往往是裂紋源。

        晶粒細(xì)化，一方面使單位面積上脆性相相對減少，表面能提高，裂紋形核和擴(kuò)展的概率降低，從而提高了鋼的低溫抵抗脆斷能力，另一方面細(xì)晶粒鋼性能比較均勻，降低了脆性轉(zhuǎn)變溫度。

        (4)夾雜物的影響

        磷易產(chǎn)生晶界偏析，鋼中的氧以各種氧化物的形式在晶界析出，兩者都極大地提高了鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷，因此低溫用鋼必須充分脫氧。例如鎮(zhèn)靜鋼的低溫韌性優(yōu)于沸騰鋼；若用Si + AI 、AI + Ti (V 、Nb) 綜合脫氧，可進(jìn)一步細(xì)化晶粒，其低溫韌性更好。

        充分脫氧不僅能有效地降低氧、硫、磷及其他氣體含量，而且還使夾雜物球化，減少位錯的塞積，從而降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

        試驗(yàn)表明，極純金屬的低溫脆性與晶粒類型無關(guān)。例如不含碳、氮、氧、硼的純鐵，即使在4K 的低溫也是可塑的。而雜質(zhì)(特別是晶界脆性相)對低應(yīng)力脆斷影響很大，如25 %Cr 的Fe- Cr 合金中微量的碳、氧、氮是促進(jìn)低應(yīng)力脆斷的重要原因。

        (5) 熱處理和扭微組織的影響

        熱處理對鋼的低應(yīng)力脆斷有很大影響。調(diào)質(zhì)處理是獲得鐵素體和粒狀碳化物組織的常用方法，可以明顯改善鋼材的低溫韌性。但隨著調(diào)質(zhì)處理回火溫度的上升，粒狀碳化物的聚集反而影響低溫韌性，所以應(yīng)嚴(yán)格控制調(diào)質(zhì)處理時的回火溫度不致過高。

        正火是低溫用鋼采用最多的熱處理方法。鋼材中合金元素增多，則正火溫度應(yīng)相應(yīng)提高。而鋼的退火組織比正火組織粗大，其低溫韌性遠(yuǎn)比經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理的差，所以，低溫壓力容器用鋼都不進(jìn)行退火處理。需進(jìn)行焊后熱處理的低溫壓力容器及其受壓元件，在任何情況下，焊后熱處理的溫度都不應(yīng)超過鋼材的回火溫度。

        熱處理還有抑制脆性相從晶界析出，改變析出相的形態(tài)、大小、數(shù)量、分布，均勻組織，改善鋼的強(qiáng)度和低溫韌性的作用。在回火組織(回火馬氏體)中有一定量的殘余奧氏體或鐵素體，可有效地阻止裂紋擴(kuò)展。淬火時效和應(yīng)變時效，都使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，增大低應(yīng)力脆斷的敏感性，因此對時效敏感的沸騰鋼不宜作低溫用鋼。

        (6) 冷變形的影響

        冷變形使鋼的韌性降低，應(yīng)變時效更使低溫韌性惡化，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，所以對于大型高壓容器，在使用時必須重視缺口韌性。因?yàn)樵谥谱鬟^程中， 冷變、冷壓、焊接變形等，都會導(dǎo)致脆化，故冷變形及焊接后應(yīng)進(jìn)行低溫退火。

        (7)應(yīng)力狀態(tài)的影響

        低應(yīng)力脆斷與應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系很大。當(dāng)容器存在裂紋或缺口時， 容易產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷。缺口愈尖銳. 預(yù)裂紋尺寸愈大，愈容易引起低應(yīng)力脆斷。當(dāng)焊接接頭中有裂紋存在，又具有殘余應(yīng)力時，低應(yīng)力脆斷更為明顯。

防止低應(yīng)力脆斷的設(shè)計(jì)原則

        目前所有的壓力容器規(guī)范對低溫壓力容器的設(shè)計(jì)都是采用根據(jù)室溫抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度所決定的許用應(yīng)力進(jìn)行的。用該方法能有效地防止發(fā)生大塑性變形的破壞。為了防止根據(jù)這種設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的壓力容器在低溫下發(fā)生低應(yīng)力脆斷，要求鋼材必須具有一定的韌性. 并且對設(shè)計(jì)和制造也提出了一定的要求。如何確定所需要的韌性水平，首先取決于采用哪一種防止脆性斷裂的原則。

        ①允許存在一定的缺陷，但能防止開裂。在焊接區(qū)一般來說存在的缺陷較多且韌性較差。而斷裂總是從缺陷和韌性較差的地方開始的。因此采用這一原則時，單純測定母材的性能是不夠的，還必須測定熱影響區(qū)和熔合線的性能。要求韌性最差的地方能承受外載荷所產(chǎn)生的應(yīng)變。

        ② 允許有缺陷存在并有可能自韌性較差的焊接區(qū)開裂，主要靠母材來防止裂紋擴(kuò)展而避免發(fā)生斷裂事故。但由于焊縫金屬、熔合線和熱影響區(qū)的韌性常較母材差，所以裂紋往往沿著焊接接頭區(qū)擴(kuò)展，因此用這種方法來防止脆斷并不可靠。

        ③允許自缺陷處發(fā)生開裂，而容器的各個部位均能止裂。初看起來這種方法是最安全的，但它存在兩個缺點(diǎn)。

第一，采用這種防止脆斷方法時要選用韌性非常好的材料，這意味著材料成本費(fèi)非常高昂；

第二，它的致命缺點(diǎn)是它作為一個絕對安全準(zhǔn)則的有效性是和結(jié)構(gòu)類型有關(guān)的。

對帶缺陷容器的爆破試驗(yàn)結(jié)果表明：在完全液壓狀態(tài)下止裂較容易，在氣壓或帶有部分氣體的液壓情況下，由于系統(tǒng)中儲藏的能量較大，止裂紋困難或必須設(shè)計(jì)專門的止裂結(jié)構(gòu)。

而對于石油化工及制冷空分行業(yè)的低溫壓力容器來說，其內(nèi)部介質(zhì)往往是氣液兩相或雖然為液相，但其工作溫度高于其正常沸點(diǎn)，因此不能用止裂原則來防止低應(yīng)力脆斷。

由此可見，對于低溫壓力容器來說最適當(dāng)?shù)姆乐勾鄶嗟霓k法是原則① ，即防止開裂原則。目前世界各國的壓力容器規(guī)范都采用這一原則。

鋼材低溫韌性的評定方法

        自20 世紀(jì)40 年代鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂引起人們重視以來，各國對鋼材低溫韌性的評定方法以及評定指標(biāo)進(jìn)行了廣泛的研究及試驗(yàn)。其中與壓力容器關(guān)系較為密切的試驗(yàn)方法有下列幾種：低溫沖擊韌性試驗(yàn)(V 形缺口、DVM 試樣)；落錘試驗(yàn)；全厚度試板試驗(yàn)(寬板試驗(yàn)、雙重拉伸試驗(yàn)、ESSO 試驗(yàn))；斷裂力學(xué)試驗(yàn)(平面應(yīng)變斷裂韌性KIC 及裂紋尖端張開位移COD 法) 。

       其中以低溫夏比(V 形缺口)沖擊韌性試驗(yàn)應(yīng)用最為廣泛，并以在沖擊試驗(yàn)中對應(yīng)的一定的吸收功AkV 或一定的斷口纖維百分率的溫度(即脆性轉(zhuǎn)變溫度〉來評定材料的低溫韌性。

        美國早期的ASME 規(guī)范，對于低碳鋼及某些低合金鋼制成的容器，在低于某一溫度(此溫度和材料厚度有關(guān))下工作時，要求其材料的夏比(V 形缺口)沖擊試驗(yàn)沖擊功不小于20J 。該規(guī)定是建立在大量的破壞事故及其材料試驗(yàn)基礎(chǔ)上的，對當(dāng)時規(guī)范所推薦鋼板的大量夏比(V 形缺口)沖擊試驗(yàn)結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)起裂型鋼板的最大沖擊功約為14J ，傳裂型最大沖擊功不超過18J ，大于27 J 的均屬于止裂型。

        基于當(dāng)時的研究結(jié)果，人們便把夏比(V形缺口)沖擊試驗(yàn)沖擊功A kV = 20J 作為材料在其最低使用溫度下的韌性考核指標(biāo)。到了1953 年，由于使用了較高強(qiáng)度的鋼種，其臨界轉(zhuǎn)變溫度基點(diǎn)轉(zhuǎn)移到AkV 沖擊功曲線的較高位置上去了， 20J 的AkV 沖擊功指標(biāo)并不能避免脆斷的發(fā)生。

        因而對高強(qiáng)度鋼而言，不同的鋼種應(yīng)分別對指標(biāo)進(jìn)行校正(或附加側(cè)向膨脹量≥0.38mm) ，這種觀點(diǎn)在ASME 規(guī)范1977年版本已有反映。表13 - 3 所列為現(xiàn)行ASME VIII - 1對低溫鋼夏比(V 形缺口)沖擊試驗(yàn)的最小沖擊功值。

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        目前，國外壓力容器規(guī)范中采用20J 作為低碳鋼在最低工作溫度或設(shè)計(jì)溫度下鋼材缺口韌性唯一判據(jù)的有：美國ASME VIII - 1 及ASME VIII -2，法國規(guī)范等。德國AD 規(guī)范W10 采用DVM試樣的沖擊功作為判據(jù)，具體要求是：在設(shè)計(jì)溫度下的DVM試樣沖擊功韌性為橫向35J / cm2 ，此值相當(dāng)于采用V 形缺口夏比試樣，在設(shè)計(jì)溫度提高10℃的試驗(yàn)溫度下達(dá)到縱向27 J 。從其鋼材標(biāo)準(zhǔn)提高的數(shù)據(jù)來看，在采用相同試樣型式的前提下，縱橫向的沖擊功之比大約為1：0.7。

        我國現(xiàn)行的鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)GB 150.1 ~ 150.4 參考采用了ASME VIII - 1 的有關(guān)規(guī)定，因此也是以20J 作為相當(dāng)于低碳鋼強(qiáng)度級別的鋼材的驗(yàn)收判據(jù)。對鋼板來講，我國標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)國內(nèi)鋼材情況，要求橫向取樣，比之國外縱向取樣，其沖擊功的要求并不低于國外按規(guī)則設(shè)計(jì)的規(guī)范中對鋼材的韌性要求。

低溫壓力容器用鋼

        (1)低溫鋼材的韌性要求

        ①試驗(yàn)方法  低溫壓力容器及其受壓元件所采用的鋼材，必須進(jìn)行夏比V 形缺口沖擊試驗(yàn)。

        鋼材的沖擊試驗(yàn)方法，應(yīng)符合GB/ T 229 《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》的有關(guān)規(guī)定。沖擊試樣按10mm X 10mm X 55mm 標(biāo)準(zhǔn)試樣。若無法制備標(biāo)準(zhǔn)試樣時，也可采用7.5mm X 10mm X 55mm 、5mm X 10mm X 55mm 的小尺寸試樣，其沖擊功指標(biāo)分別為標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功指標(biāo)的75 % 或50 % 。試樣的缺口應(yīng)沿厚度方向(棒材沿徑向)切取，并以3 個試樣為1組。

        ②取樣規(guī)則  根據(jù)需要，鋼材可按批進(jìn)行沖擊試驗(yàn)取樣，其分批要求及試樣截取應(yīng)遵循以下規(guī)定。

        a. 鋼板  每批鋼板由同一牌號、同一爐號、同一厚度、同一熱處理制度組成。每批鋼板重量不大于30t 。每批取1組試樣，試樣方向?yàn)闄M向。

        b. 鋼管  每批鋼管由同一牌號、同一爐(罐)號、同一規(guī)格和同一熱處理制度(爐次)組成。每批鋼管按直徑分類：外徑小于或等于76mm 且壁厚小于或等于3mm 的鋼管每批不超過400 根；外徑大于351mm 的鋼管每批不超過50 根；其他尺寸鋼管每批不超過200 根。在每批中的任意兩根鋼管上各取1組試樣。取樣位置應(yīng)靠近鋼管內(nèi)壁，一般為縱向，對大直徑厚壁管可沿切向取樣。缺口應(yīng)沿厚度方向切取。

        c. 鍛件  按照NB / T 47009 《低溫承壓設(shè)備用低合金鋼鍛件》規(guī)定的取樣數(shù)量和取樣部位切取試樣。

        d. 鋼棒  每批鋼棒由同一牌號、同一冶煉爐號、同一斷面尺寸、同一熱處理制度、同期制造的毛坯組成，每批抽取一件毛坯進(jìn)行試驗(yàn)。試樣取樣方向?yàn)榭v向。直徑不大于40mm的毛坯，試樣的縱軸應(yīng)位于毛坯中心；直徑大于40mm 的毛坯，試樣的縱軸應(yīng)位于毛坯半徑的1 /2 處。

        ③ 試驗(yàn)溫度  低溫壓力容器用鋼的沖擊試驗(yàn)溫度必須低于或等于容器或其受壓元件的設(shè)計(jì)溫度。當(dāng)容器或其受壓元件使用在"低溫低應(yīng)力工況"時，鋼材的沖擊試驗(yàn)溫度必須低于或等于調(diào)整后的設(shè)計(jì)溫度。