低温压力容器是指在设计温度低于或等于-20℃（根据各国标准略有差异，我国GB/T 150规定为≤-20℃）下工作的压力容器。由于其服役环境的特殊性，其结构设计不仅需要满足常规压力容器的强度、刚度和稳定性要求，还必须重点考虑材料的低温韧性、结构细节的应力控制以及制造工艺的特殊性。本文将系统梳理低温压力容器结构设计的关键知识。
一、 材料选择：低温韧性的基石
低温环境下，材料的脆性转变是主要风险。因此，选材的核心原则是保证在设计温度下具有足够的韧性（通常以冲击功AKV或剪切面积百分比SA表征）。
- 常用钢材：首选低温压力容器用钢，如16MnDR、09MnNiDR、06Ni9DR（9%镍钢）等。牌号中的“DR”即表示“低温容器”。
- 韧性要求：必须依据设计温度、厚度、应力水平等，严格按照GB/T 150或ASME VIII-1等标准的规定，进行夏比V型缺口冲击试验，确保冲击功达标。
- 材料认证：钢材必须附带与设计温度对应的低温冲击试验合格证明。
二、 结构设计要点：规避应力集中与约束
低温下材料对缺口和应力集中异常敏感，结构设计应以“平缓过渡、避免突变”为黄金法则。
- 结构连续性：尽可能采用整体成型结构，减少不必要的焊接接头。封头宜采用整体冲压或旋压成型。
- 连接部位细节：
- 接管与壳体的连接：必须采用全焊透结构，优先选用整体补强（如整体锻件接管、厚壁管）或补强圈补强（需全焊透）。角焊缝根部易存在缺口，应尽量避免。
- 过渡圆角：所有几何形状突变处，如封头与筒体连接的内外转角、接管根部、支座垫板边缘等，必须设有足够大的平滑过渡圆角，以降低应力集中系数。
- 支座设计：应优先考虑承载均匀的裙座或支腿，避免采用局部应力高的耳式支座。若必须使用，需对支座垫板及壳体进行详细应力分析并做良好保温。
- 开孔布置：开孔应尽量避开主焊缝、结构不连续区。多开孔时应保持足够的间距，防止应力场叠加。
三、 焊接与制造：质量控制的命脉
焊接是低温容器制造的关键环节，其质量直接决定设备的安全性。
- 焊接工艺评定（PQR/WPS）：必须进行适用于低温环境的工艺评定，重点验证焊缝金属和热影响区在低温下的冲击韧性。
- 焊材匹配：选用与母材匹配且保证低温韧性的专用焊材，其韧性指标通常要求不低于母材。
- 焊接过程控制：严格控制线能量，避免过大热输入导致焊缝及热影响区晶粒粗大、韧性下降。采用多层多道焊，细化晶粒。
- 焊后热处理（PWHT）：根据材料厚度和标准要求，确定是否需要进行PWHT以消除残余应力。但需注意热处理温度不应损害材料的低温韧性。
- 无损检测（NDT）：对所有承压焊缝进行100%射线（RT）或超声（UT）检测。表面裂纹敏感性高，磁粉（MT）或渗透（PT）检测比例也应提高。
四、 应力分析与安全评估
对于重要或结构复杂的低温容器，仅按规则设计可能不足，需辅以分析设计。
- 疲劳分析：若容器经历频繁的压力或温度循环，需进行疲劳分析，低温会显著降低材料的疲劳强度。
- 热应力分析：关注在降温、升温过程中，由于不同部件收缩/膨胀差异产生的热应力，以及保温支撑结构带来的外部约束应力。
- 脆性断裂评估：对于极高参数或采用高强钢的容器，可能需要进行基于断裂力学的防脆断评定。
五、 标准与规范指引
设计必须严格遵守相关标准，主要包括：
- 中国：GB/T 150《压力容器》系列标准，JB/T 4756《镍及镍合金制压力容器》（针对深冷容器）。
- 国际：ASME BPVC Section VIII, Division 1 或 Division 2（尤其是UCS/UHA篇中的低温要求），EN 13445。
低温压力容器的结构设计是一个多因素耦合的系统工程，其核心在于“材料、结构、制造”三位一体的韧性保障体系。设计者需深刻理解低温下材料性能的转变规律，在结构细节上精益求精，在制造工艺上严格控制，并严格遵循标准规范，方能设计出安全可靠、经济合理的低温压力容器，为液化天然气（LNG）、空分、化工等低温工业领域提供坚实的装备基础。
