液化天然气储罐的设计温度和设计金属温度
2026年02月25日 09:08:20
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设计温度是压力容器设计中的一个重要参数，《压力容器 第1部分：通用要求》GB150.1-2011第3.1.7条是这么定义的：
3.1.7
设计温度design temperature
容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度(沿元件金属截面的温度平均值)。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。
正常工作状态不可能一成不变，所以按照正常逻辑，设计温度应该是个范围，比如一个常温的储罐，他的设计温度范围大概就是当地四季变化的低温和高温(通常在此基础上向下、向上圆整，并留出一定裕量)。设计温度和设计压力主要是为设计载荷服务的，在《压力容器 第3部分：设计》GB150.3-2011中，设计温度并不直接作为计算参数，它的主要作用就是用来确定材料的物理参数，例如许用应力、弹性模量、屈服强度等。对于常温或高温设备，通常设计温度的上限是有意义的，因为在温度时，热应力，物料往往也呈现压力(温度越高饱和蒸气压越大)，因而设备也承受载荷，所以对于这类设备，设计温度往往简略为值。而对于低温设备，情况比较复杂，不可一概而论。
《压力容器 第1部分：通用要求》GB150.1-2011第4.3.4条给出了设计温度的确定方法：
4.3.4 设计温度的确定
a) 设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的温度。对于0℃以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的温度。
b) 容器各部分在工作状态下的金属温度不同时，可分别设定每部分的设计温度
c) 元件的金属温度通过以下方法确定：
1) 传热计算求得;
2) 在已使用的同类容器上测定;
3) 根据容器内部介质温度并结合外部条件确定。
d) 在确定设计金属温度时，应当充分考虑在运行过程中，大气环境低温条件对容器壳体金属)温度的影响。大气环境低温条件系指历年来月平均气温(指当月各天的气温值之和除以当月天数)的值。
从中可以看出，正常工作温度在0℃以上时，设计温度取值，正常工作温度在0℃以下时，设计温度取值。
奇怪的是《压力容器 第1部分：通用要求》GB150.1-2011在第3.1.9条给出了一个设计金属温度的术语：
3.1.9
设计金属温度minimum design metal temperature
设计时，容器在运行过程中预期的各种可能条件下各允金属温度的值。
根据这个定义，设计金属温度是实际可能达到的温度。比照之前设计温度的确定方法，正常工作温度在0℃以上时，设计温度大于设计金属温度；正常工作温度在0℃以下时，设计温度小于或等于设计金属温度。说它奇怪并不在于其定义，是因为在整个GB150系列的4个标准中设计金属温度没有用武之地，仅在《压力容器 第1部分：通用要求》GB150.1-2011第4.3.4条d中提到(见上)，但联系上下文，似乎并没有什么实际用途。
将GB150的规定应用到液化天然气储罐上，则不难发现其设计金属温度是-196℃(液化天然气储罐通常需要使用液氮预冷，因此按液氮的温度确定)，且设计温度通常也确定为这个值。然而《固定式真空绝热深冷压力容器》GB/T18442系列标准却有着不同的规定。《固定式真空绝热深冷压力容器 第3部分：设计》GB/T18442.3-2019第7.1节对设计温度规定如下：
7 温度
7.1 设计温度
7.1.1 内容器的设计温度应不低于元件金属在正常工况下可能达到的工作温度。
7.1.2 外壳的设计温度应考虑环境温度和使用条件的影响，且不低于50℃。
7.1.3 对各元件进行稳定性校核时，其设计温度考虑正常工作条件下及罐加热地喜窑时可能出的正天期入华温度。
按此规定，深冷压力容器无论是内容器还是外容器，其设计温度都是指值，至少对内容器来说，与GB150的规定恰好相反。在上一版GB/T18442系列标准(2011年版，与现行GB150系列同年)，其规定与GB150一致，不知GB150下一轮修订是否会参照GB/T18442修改一致。《固定式真空绝热深冷压力容器 第3部分：设计》GB/T18442.3-2019第7.2节也给出了设计金属温度的概念(见下)，然而也没有给出什么具体用途，但是由于设计温度指向了值，则低温材料的选择就必须考虑设计金属温度了。将GB/T18442的规定应用到液化天然气储罐上，则需根据温度与饱和蒸汽压的关系及设计压力来确定其设计温度。例如甲烷-132℃时的饱和蒸气压为0.66MPa，那么设计压力若为0.66MPa的液化天然气储罐的设计温度就可以取-132℃(不应低于此值)，而设计金属温度为-196℃。
前文提到，设计温度主要用来计算设计载荷的，所以设计温度应该选可能导致载荷的值。前文也留了一个悬念，就是低温容器到底情况如何？对低温容器而言，温度越高会导致物料饱和蒸汽压越大，压力载荷是内容器设计载荷的一方面，从这点看，似乎应该选择温度值。温度越低物料饱和蒸汽压越小，也就意味着压力载荷越小，但热应力又会增大，热应力载荷也是内容器设计载荷的一方面，从这点看，似乎应该选择温度值。若设计压力高且温度值高，则压力载荷是主要的，选择值作为设计温度将是有利的；反之，若设计压力低且温度值低，则热应力载荷是主要的，选择值作为设计温度将是有利的。由于这两者与温度的关系相反，甚至可能叠加后的载荷并非对应温度的值也并非对应温度的值，而是中间某个值。
《固定式真空绝热深冷压力容器 第3部分：设计》GB/T18442.3-2019中对设计载荷的规定。如此看来深冷压力容器的设计温度取值或值都有其道理，但都可能并不准确，的办法是利用计算机编程技术计算值到值各温度下的载荷情况，从而得到载荷所对应的温度，即为设计温度。
作者：吴靖
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