低温绝热容器检验.ppt

低温绝热容器检验上海石化设备检验检测有限公司吴建明 关键词 低温储存 压力容器 定期检验 前言低温绝热容器的应用目前低温技术已在气体液化和分离 食品冷冻 超导技术 材料处理 材料回收 航天技术 临床医疗 生命细胞的保存等领域得到了广泛应用 超导材料被冷却到液氮温度 78K 相当于 196 C 时 就从正常态转变为超导态 材料的低温性能 在温度降低时 无明显塑性变形而产生脆性断裂的现象 称为 冷脆 随温度下降 金属材料的塑性明显下降的温度 称为金属材料的脆性转变温度 晶格为体心立方的金属随着温度下降 会有脆性断裂的倾向如 碳钢 钼 铌等 晶格为面心立方结构的金属在这种情况下则不变脆 如 铜 镍 铝及高镍奥氏体钢等 一些晶格为密排六方的金属在低温下可能变脆如 锌 尽管锆和钛在这种状态下仍保持一定的延展性 低温钢容器 影响低温韧性因素 晶体结构因素 体心立方结构的铁素体钢脆性转变温度较高 脆性断裂倾向较大 金属随着温度下降 会有脆性断裂的倾向如 碳钢 钼 铌等 晶格为面心立方结构的金属在这种情况下则没有这种温度效应 即不产生低应力脆断 如 铜 镍 铝及高镍奥氏体钢等 一些晶格为密排六方的金属在低温下可能变脆如 锌 尽管锆和钛在这种状态下仍保持一定的延展性 化学成分的影响 对低温压力容器而言 增加含碳量将增大材料的脆性 提高脆性转变温度 低温用钢含碳量不超过0 2 锰 镍改善钢材低温韧性 少量V Ti Nb Al弥散析出碳化物和氮化物 进行沉淀强化改善钢材低温韧性 晶粒度的影响 晶粒尺寸是影响钢低应力脆断重要因素 细晶粒使金属有较高断裂强度 且使脆性转变温度降低 夹杂物的影响 磷易产生晶界偏析 钢中的氧以各种氧化物的形式在晶界析出 显著提高钢的脆性转变温度 导致低应力脆断 热处理和显微组织影响 对钢的低应力脆断有很大影响 调质处理可以改善钢材低温韧性 但回火温度不应过高 正火处理用得最多 退火处理组织粗大 一般不采用 冷变形的影响 冷变形使钢的韧性降低 应变时效使低温韧性恶化 脆性转变温度升高 应力状态的影响 焊接接头中有裂纹存在又具有残余应力时 低应力脆断性质更为明显 体心立方晶体 模型图 面心立方晶体 气体液化 氮气 沸点 195 8 临界温度 147 05 临界压力3 39Mpa 33 5大气压 蒸发潜热161 19千焦耳 公斤 为无色透明 无味 无毒之低粘度的透明液体 不导热导电 不自燃助燃 化学性质稳定 不与任何物质起化合作用 1单位体积的液氮可产生约650倍体积的氮气 氮气是空气的主要组成部分 在空气中的含量高达78 体积 液态氧 其沸点为 182 氩气沸点 186 5 87 5K 1atm 低温设备 深度低温设备均为成套的设备 一般由原料气的过滤器 清洗塔 压缩机 冷却器 换热器 净化设备 膨胀机 液化器 深低温精馏塔和产品的输送 贮存设备 低温产品运输设备以及为运转服务的仪表和电器控制器 停车加温系统等设备组成 热量的传递 低温介质与环境存在非常大的温差 就有热传递现象 热传递途径不妨有三种方式 传导 对流和辐射 传导热从物体温度较高的部分沿着物体传到温度较低的部分 叫做传导 对流靠液体或气体的流动来传热的方式叫做对流 辐射热由物体沿直线向外射出 叫做辐射 低温绝热容器在使用过程中 夹套与内胆间热传递的方式有 热传导和热辐射两种 要保持介质的低温状态 我们就要阻止热量的传递 解决方法 夹套内抽真空可以解决热传导 使之失去热传导桥梁 或者填充以热传导系数低的介质来降低热量的传递 第二个要解决的是热辐射问题 高温物体和低温物体间存在热辐射 他不需要任何介质的帮助 举例 略 所以 我们在夹套内填入隔断辐射的介质 珠光砂 或者反光膜等 真空技术 当容器内没有压力即绝对压力等于零时 叫做完全真空 其余叫做不完全真空 真空状态下由于气体稀薄 单位体积内的气体分子数 即气体的分子密度小于大气压力的气体分子密度 因此 分子之间 分子与其他质点 如电子 离子等 之间以及分子与各种表面 如器壁 之间相互碰撞次数相对减少 使气体的分子自由程增大 低温绝热容器的结构 1 真空封口 2 支承 3 输液管 4 定点液位计 5 引线管 6 挡板 7 外壳 8 吸附剂 9 安全阀 10 增压系统 11 压差液位计 12 盖板 13 仪表板 14 内胆 15 增压管 低温绝热容器的结构 低温绝热容器常见失效形式 低温液化气体吸热后就会汽化 使罐内的压力上升 为了维持其工作压力 就必须将气体泄放或利用制冷机对其降温 真空绝热低温液化气体贮罐是利用泄放气体来维持其压力的 泄放气体有2个途径 一是在正常的工作状态下气体被不断放出使用 如使用单位的低温液体贮罐 二是通过安全泄放系统的排放 如低温液体槽车在运输过程中的安全泄放 因此真空绝热低温液化气体贮罐的工作状态是一种热平衡状态 是以泄放气体维持的 显然贮罐的保温性能越好或工作压力允许上升的空间越大 所需泄放的气体越少 经检验发现 在使用过程中 低温液化气体贮罐发生的主要问题是夹套的保温问题 保温问题大致可分为2个方面 一方面为由于各种原因造成内胆或外壳的泄漏使夹套的真空度减小 另一方面为珠光砂放气造成真空度减小或朱光砂下沉使容器顶部形成空间而使该处绝热性能降低 以上都会使夹套的保温性能下降 使在役罐体内部压力上升速度加快 低温绝热容器制造与验收 一般将其工作压力设定在0 8 1 0MPa 即贮罐的设计压力 对应其设计压力 液化气体的工作温度由其饱和蒸汽压决定 根据不同气体的饱和蒸汽压 其工作温度范围一般在 196 以上 设计温度一般为 196 由于低温液化气体贮罐是在低温下工作的 为了使其具有较好的保温性 在结构上一般将其设计成内胆加外壳的真空夹套结构即真空绝热式 其夹套材质为16MnR或Q235A 内胆材质考虑其抗低温性能一般选用OCr19Ni9 夹套内保持1 3Pa以上的真空度并填充绝热材料朱光砂 是酸性火山玻璃质熔岩 灰 白 对朱光砂的一般要求为 粒度在0 1 1 2mm 20 60目 范围内 松散容重在30 60kg m3范围内 含湿度的重量比不大于0 3 为了使内胆固定 其外壳内壁与内胆外壁之间采用拉撑件使两者连接在一起 这样在运输及移动过程中 内胆不会振动及偏斜 为了保证密封性 此类贮罐一般不开设人孔及检查孔 氧 氮 氩的沸点很接近 故液氧 液氮 液氩容器的设计压力和温度几乎相同 它们的内胆设计压力为0 8 1 6MPa 设计温度为 196 外壳设计压力为0 1MPa 设计温度为常温 由于设计温度较低 按 压力容器安全技术监察规程 该类压力容器当容积大于5m3时属于 类压力容器 产品的焊接必须由持有相应资格证的焊工按照经评定合格的焊接工艺进行焊接 由于内胆和外壳的设计要求不同 其制造和检验要求也不同 在制造过程中 内胆A B类焊缝做100 RT检查 GB4730 2005 级合格 制作产品焊接试板 进行焊缝的机械性能试验 如设计温度低于 100 还要做低温冲击试验 外壳A B类焊缝20 RT检查 GB4730 2005 级合格 最后一道环缝可用UT检查 GB4730 2005 级合格 产品制作完成后内胆应按设计要求使用合适介质做耐压试验 夹套做气密性试验和抽真空试验 其保压时间不少于4h 审查低温容器制造质量证明书时注意的几个要点 1 低温钢材牌号选用低温压力容器用钢按韧性达到的最低使用温度来分类 图纸和设计资料审查时应注意 所用钢材 板材 管材 锻件及其它受压元件材料 牌号是否是低温用钢 所用温度范围是否符合标准规定 2 钢材发放和标记移植低温压力容器材料用错将产生重大隐患 因此 钢材发放必须严格执行有关管理规定 材料监检抽查要特别注意材料质保书和领料单内容的审查 现场巡检应重点检查标记移植情况 材料的标记应采用油漆 不得打钢印 3 低温钢材的冲击试验和韧性要求低温压力容器及其受压元件所采用的钢材 必须进行低温夏比V形缺口冲击试验 试验细节及要求如下 试验方法 钢材的冲击试验方法 应符合GB4159 金属低温夏比冲击试验方法 的有关规定 冲击试样为GB2106 金属夏比V形缺口冲击试验方法 规定的10mm 10mm 55mm标准试样 若无法制备标准试样时 也可采用7 5mm 10mm 55mm 5mm 10mm 55mm的小尺寸试样 小尺寸试样的缺口宽度一般应小于钢材名义厚度的80 试样的缺口应沿厚度方向 棒材沿径向 切取 并以三个试样为一组 4 试验温度低温压力容器用钢的冲击试验温度须低于或等于容器或其受压元件的设计温度 当容器或其受压元件使用在 低温低应力工况 时 钢材的冲击试验温度须低于或等于调整后的设计温度 5 冲击功指标钢材试验温度下的冲击功指标 按钢材标准规定的最低抗拉强度确定 具体要求须满足表15 1 1的规定 小试样的冲击功指标根据试样宽度按比率缩减 表低温夏比 V形缺口 冲击试验最低冲击功规定值 注 1 试验温度下三个试样的冲击功平均值不得低于表4 5的规定 其中单个试样的冲击功可小于平均值 但不得小于平均值的70 2 抗拉强度大于650MPa的螺栓等钢材的冲击功值按抗拉强度等于650MPa的要求 但40CrNiMo的低温冲击功应不小于31J 三个试样平均值 6 免做低温夏比 V形缺口 冲击试验的规定低温压力容器用钢若符合下列条件之一者可免做低温夏比 V形缺口 冲击试验 1 因钢材的尺寸限制 无法制备5mm 10mm 55mm冲击试样者 且设计温度不低于 45 者 2 在GB150所列的低碳钢和碳锰钢钢管 因钢管尺寸限制 无法制备5mm 10mm 55mm冲击试样 且设计温度不低于表15 1 2 3 螺母用钢 4 在 低温低应力工况 下使用的容器或受压元件所用钢材 5 含碳量 0 10 的标准铬镍奥氏体不锈钢 设计温度高于或等于 196 者 焊接材料的选用原则 低温压力容器用钢焊接材料选择必须保证焊接接头含有的有害杂质硫 磷 氧 氮最少 尤其是含Ni钢应严格限制杂质含量 因为杂质含量增加 会明显降低焊接接头的韧性 与低温受压元件焊接的非受压附件焊接接头 当承载较大时 应按受压元件焊接接头同样要求 当承载较小时 可按焊接性要求选用相应的焊接材料 低温压力容器受压元件或受压元件与非受压元件焊接用手工电弧焊焊条应选用GB5117 碳钢焊条 和GB5118 低合金焊条 低氢碱性焊条 埋弧焊剂应选用碱性或中性焊剂 产品焊接试板 铁素体钢产品焊接试板的低温冲击试验规定如下 铁素体钢之间的焊接一般应采用铁素体型焊接材料 9 Ni钢除外 焊接接头的低温冲击试验温度以及焊接接头金属 熔合线 热影响区低温冲击功要求应符合图样或相关技术文件规定 且不得小于27J 铁素体钢之间的异种钢焊接用焊接材料一般按韧性要求较高侧的母材选用 焊接接头金属的冲击试验温度应不高于两侧母材中的较低者 异种钢焊接工艺评定和产品焊接试板热处理状态应与容器使用状态相同 性能符合下列要求 焊接接头拉伸和弯曲试验要求符合两侧母材中的较低要求 低温冲击功要求应符合图样或相关技术文件规定 且不得小于27J 奥氏体钢的焊接材料选用注意事项 奥氏体钢之间的焊接材料选用应符合下列要求 焊接接头金属含碳量 0 10 焊接接头金属的化学成分应符合GB983 不锈钢焊条 中E0 19 10 E00 19 10 E00 23 13和GB4233 惰性气体保护焊接用不锈钢棒及钢丝 GB4242 焊接用不锈钢钢丝 中H0Cr21Ni10 H00Cr21Ni10 H0Cr26Ni21的要求 设计温度低于 100 时 应按JB4708 钢制压力容器焊接工艺评定 进行焊接接头低温夏比 V形缺口 冲击试验 并符合标准中表4 5要求 铁素体钢与奥氏体钢之间焊接的有关注意事项 铁素体钢与奥氏体钢之间异种钢焊接 一般应选用Cr23Ni13或Cr26Ni21型高铬镍或镍基焊接材料 焊后原则上不再进行消除应力热处理 异种钢焊接应符合下列要求 接头抗拉强度不低于两侧母材最低抗拉强度较小值 铁素体钢侧的熔合线和热影响区的冲击功应按铁素体钢的抗拉强度要求 接头应作侧弯试验 试验方法按GB150确定 现场焊接质量监检控制要点 低温压力容器的现场焊接必须严格按照评定合格的焊接工艺施焊 焊接线能量增大会导致焊缝及热影响区的韧性下降 因此要最大限度地减小过热 采用小的焊接线能量 焊接线能量的监督可通过控制电流 电压 焊接速度 以及规定每根焊条的焊接长度等方法进行 在多道焊时 应尽可能降低焊道间的温度 层间温度 即尽可能不要连续施焊 快速多道焊有利于晶粒细化 提高焊缝的韧性 低温容器结构应尽可能地限制峰值应力及各种局部应力 1 结构尽可能简单 减少焊接件的约束 2 避免产生过大的温度梯度 3 尽量避免结构形状的突然变化 以减少局部高应力 焊缝不允许存在咬边 所有咬边必须打磨消除 4 焊接时不应使用不连续焊或筒节组对时用点焊连接 5 容器支座或支腿需设置垫板 不得直接焊在壳体上 具体做法包括 各几何形状不连续的连接元件之间应有足够大的过渡圆弧半径 厚薄不一致的连接件之间应有足够斜度的削薄过渡 尽可能使各构件在外载荷作用下可以自由变形 不受约束 各支座和容器受压元件的接触处应设置垫板 使局部载荷尽可能均匀地作用在各受压元件上 在加热或冷却物料的进出口处 应尽量使流体和受压元件均匀接触 优先采用厚壁管补强或整体锻件补强结构而尽量少用补强圈结构 圆筒或封头上的开孔尽可能在径向开孔 尽可能采用整体法兰 各类焊接接头尽可能采用全熔透结构 铝合金主要用作耐腐蚀容器 防铁污染容器及低温压力容器 铝是面心立方晶格 没有其他同素异构体 低温下不存在象铁素体钢那样的脆性转变 铝合金制压力容器 JB T4734 2002 铝制焊接容器 是国内第一个内容完整 包括设计 选材 制造和检验 的铝制压力容器标准 包括了压力容器和常压容器 也包含了全铝和衬铝两种焊制容器 设计压力 8MPa 使用温度下限为 269 容器用铝只取用部分牌号 主要为铝镁合金和铝锰合金 按照德 法两国对铝材的要求 容器用铝基本上选用伸长率 横向 不低于14 的变形铝 为了得到好的塑性 纯铝 铝锰合金和铝镁合金的变形铝材都只在退火状态或热作状态使用 不采用冷作状态 热作状态铝的焊接接头 焊接热对热影响区有退火作用 因而其许用应力取退火状态铝材的许用应力 只有铝镁硅合金和铝铜合金采用固溶时效状态 以保证其高强度 铝没有同素异构体 纯铝 铝锰合金 铝镁合金等不可能通过热处理相变来提高强度 称为不可热处理强化铝 铝镁硅合金可通过固溶时效析出Mg2Si强化相提高强度 铝铜合金可通过固溶时效提高强度 称为可热处理强化铝 铝合金制容器的制造检验特点 铝在高温下易与空气中的氧反应 铝容器焊接时要有良好的保护 铝容器的焊接主要采用氩弧焊 铝的热导率和比热容约为铁素体钢的两倍多 铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍 因而铝的焊接应尽量采用能量集中 功率大的能源 焊接时铝熔池凝固时的体收缩率约为钢的两倍 因而铝焊缝容易产生缩孔 缩松及热裂纹 铝焊接熔池易吸收氢等气体 焊缝易产生气孔 熔池中进入氧化铝易形成夹渣 焊前清除焊件与焊丝的氧化膜 水分 油污 有机物等对铝的焊接很重要 铝焊接熔池金属固态与液态没有明显的色泽差别 焊接对应注意掌握 铝容器焊后一般不要求热处理 铝无磁性 表面无损检测不能用磁性法 常用渗透法 低温绝热容器定期检验 外部检查 1 检查外壳外表面的腐蚀情况 对于腐蚀严重之部位应采用超声测厚仪进行测厚 2 检查外壳外表面有无机械损伤 基础有无下沉 3 检查外壳外表面有无结霜 冒汗 使用中真空度有无下降 4 检查压力表 安全阀 爆破片是否在有效期内 检查阀门是否完好 管路在使用过程中是否有损坏和弯曲 内部检查 内壁无法进入的低温液体 绝热 压力容器除应进行有关的全面检验外 主要应进行如下检查 1 夹层上装有真空测试装置的低温液体 绝热 压力容器 应测试夹层的真空度 其合格指标为 未装低温介质的情况下 真空粉末绝热夹层真空度应低于65Pa 多层绝热夹层真空度应低于40Pa 装有低温介质的情况下 真空粉末绝热夹层真空度应低于10Pa 多层绝热夹层真空度应低于0 2Pa 2 夹层上未装有真空测试装置的低温液体 绝热 压力容器 应检查容器日蒸发率的变化情况 进行容器日蒸发率测量 实测日蒸发率指标小于2倍额定日蒸发率指标为合格 目前常用于测量低温压力容器蒸发率的主要方法有两种 测重法和蒸气流量测量法 1 夹套内真空度检验 将真空表接到位于贮罐下部的真空管上 连接好后 打开贮罐真空阀 此时真空表的读数应小于10Pa 否则需重新抽真空 以提高夹套层的绝热性能 2 自耗量测定 根据有关技术要求 贮罐的日蒸发率应小于5 否则就是表明夹套层的保温性能下降或罐体有泄漏 具体检测方法如下 内胆加人50 以上低温液体 打开放气阀 除压力表 液位计阀开启外 其它阀门关闭 保持热平衡48h 然后在放气阀管口上用流量计测得稳定的气体流量 用下式计算日蒸发率H H 24Q CV 100 式中 Q 气体流量值m3 hC一标准状态下的气液体积比V罐体的有效容积m3 结束语 以上仅是一些粗略的见解 以此作为抛砖引玉 来加强我们在低温领域特种设备检验检测技术的深入研究与探讨 谢谢