浅谈特种设备低温低应力工况

浅谈特种设备低温低应力工况

周静

江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院 214074

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。本文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。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。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

引言：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。当前，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，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。

一、“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”。

1.1根据《压力容器》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50MPa时的工况。

1.2根据《压力管道规范工业管道第2部分：材料》“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℃。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《压力容器》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。

二、低温低应力工况问题的提出

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，但在设计中还存在着许多不确定的因素，在冬季低温天气条件下，设计温度低于无塑性转变温度的管道,属于低温管道。低温管道和低温压力容器一样，在冲击试验结果不明确或不符合要求的情况下，处于低温低应力工况。

1.低温脆性问题，要求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；保冷设计和由于保冷需求而产生的一系列设计要求。

2.为减少冷介质及载冷介质在生产和输送过程中的冷损失者；"为防止或降低冷介质及载冷介质在生产和输送过程中温度升高者；为了防止常温以下的设备或管道外表面凝露，保冷设备或管道相连的仪表及其管道、保冷方面要做相应的保温措施。另外，为防止低温脆断的发生，对接焊缝和钢材都应进行冲击试验。实验表明，管线应力分析和状态评价低温管道发生脆性断裂的必要条件之一就是必须具备由外载荷及残余应力引起的一定应力水平，该应力并不仅仅是一次总体薄膜应力，还可能是一次局部薄膜应力、一次弯曲应力或峰值应力。

二、“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”。

1.1按照《压力容器》GB150-2011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。

1.2按照《压力管道规范工业管道第2部分：材料》GBT20801.2-2020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1.6MPa，低温下最大工作压力为0.2MPa。

0.2MPa≤1.6×30%=0.48MPa。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》GB50251-2015计算轴向应力。

σL=μσh+Eα（t1-t2）σh=Pd/2σησh=1.6×15.4/2×0.7=17.6MPa

σL=0.3×17.6+206000×（-13.5×10-8）×（20-（-50））=3.38MPa

20钢的最小抗拉强度为410MPa，则3.38MPa≤10%×410=41MPa。

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材料工作在满应力状态，即工作在设计条件下壳体内的总体薄膜拉伸应力接近或等于材料许用应力是的应力状态，在该最低使用温度下仍然具有抗低温脆断的足够韧性。由此判定该管道所处工况属于“低温低应力工况”，选用20钢完全能够满足工况要求。因此，可以按照“低温低应力工况”进行选材。

结语：通过以上分析可知，对于处于低温条件下的压力容器和压力管道，不能简单的按照低温工况进行选材处理，还应计算分析其环向应力，分析其是否处于“低温低应力工况”，从而为选材提供依据，提高建设项目的经济性，控制工程建设成本，从而提高选材的合理性和经济性。

参考文献：

[1]张汉佩.低温低应力工况管道设计探讨[J].油气田地面工程,2012（06）

[2]黄兴军.低温低应力工况的认识和应用[J].化工设备与管道,2015（02）

[3]吴金枝,郭明万.浅析低温低应力工况[J].江汉石油科技，2015（01）