1 低温压力容器的定义与范畴
GB/T 150.1-2024 第3.1.15条对低温容器（low-temperature pressure vessel）给出了明确定义：
这一定义包含两层含义：
- 非合金钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢：门槛温度为-20℃。即碳钢、Q345R、16MnDR等材料，设计温度低于-20℃即为低温容器。
- 奥氏体不锈钢：门槛温度为-196℃。奥氏体不锈钢在低温下具有优异的韧性，只有低于-196℃（液氮温度）时才按低温容器处理。
最低设计温度：GB/T 150.1-2024 第5.3.4条d）规定，在确定最低设计温度时，应当充分考虑在运行过程中大气环境低温条件对容器金属温度的影响。大气环境低温条件系指历年来月平均最低气温（当月各天最低气温值之和除以当月天数）的最低值。
2 低温脆断机理与设计核心思路
低温压力容器区别于常温容器的核心问题在于低温脆性断裂（brittle fracture）。其特征是：
- 破坏前无明显的塑性变形，呈脆性断裂特征
- 断裂时工作应力远低于材料的屈服强度，甚至低于许用应力
- 裂纹扩展速度极快，破坏具有突发性，难以预测
- 温度越低，材料韧性越差，脆断风险越大
因此，低温压力容器设计的核心思路是：通过合理的材料选择、结构设计、制造控制和检验要求，确保容器在最低设计温度下具有足够的抗脆断能力。这涉及选材、设计、制造、检验的全链条控制，任何一个环节的疏忽都可能导致灾难性后果。
3 低温压力容器标准体系
低温压力容器的设计建造涉及多个层级的标准，形成完整的规范体系：
| 层级 | 标准 | 角色 | 关键内容 |
|---|---|---|---|
| 法规 | TSG 21-2016 | 安全技术监察规程 | 全焊透要求、产品焊接试件、无损检测比例 |
| 产品标准（通用要求） | GB/T 150.1-2024 | 术语、定义、通用要求 | §3.1.15 低温容器定义 |
| 产品标准（材料） | GB/T 150.2-2024 | 材料技术要求 | 冶炼工艺、使用温度下限、冲击试验 |
| 产品标准（设计） | GB/T 150.3-2024 | 设计计算与方法 | 附录E 低温容器设计要求、附录F 防止低温脆断校核 |
| 产品标准（制造） | GB/T 150.4-2024 | 制造、检验和验收 | 焊接、无损检测、试件、耐压试验、附录E附加要求 |
| 材料标准（低合金钢） | GB/T 713.3-2023 | 低温低合金钢板 | 16MnDR、09MnNiDR等牌号（替代GB/T 3531-2014） |
| 材料标准（镍合金钢） | GB/T 713.4-2023 | 低温镍合金钢板 | 08Ni3DR、06Ni9DR等牌号 |
| 焊接标准 | NB/T 47015-2023 | 焊接规程 | 预热、热输入控制、PWHT |
| 行业规范 | HG/T 20585-2020 | 钢制低温压力容器技术规范 | 设计温度确定、材料选择、结构设计 |
| 换热器标准 | GB/T 151-2014 | 热交换器 | 低温换热器专项要求 |
4 材料选择
4.1 低温用低合金钢板
GB/T 713.3-2023适用于制造最低使用温度不低于-70℃的承压设备用低合金钢板（厚度5mm~120mm）。主要牌号如下：
| 牌号 | 最低使用温度 | 交货状态 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 16MnDR | -40℃ | 正火或正火+回火 | 液化石油气储罐、低温分离器 |
| 09MnNiDR | -70℃ | 正火或正火+回火 | 脱乙烷塔、CO₂吸收塔 |
| 15MnNiNbDR | -50℃ | 正火或正火+回火 | 低温球罐 |
| Q420DR | -40℃ | 正火 | 大型低温球罐（2023版新增） |
| Q460DR | -40℃ | 正火 | 大型低温球罐（2023版新增） |
| 13MnNiDR | -60℃ | 正火或正火+回火 | 中低温压力容器（2023版新增） |
| 11MnNiMoDR | -70℃ | 调质 | 中低温高强容器（2023版新增） |
4.2 低温用镍合金钢板
GB/T 713.4-2023适用于最低使用温度不低于-196℃的承压设备用镍合金钢板：
| 牌号 | 最低使用温度 | 镍含量 | 交货状态 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| 08Ni3DR | -100℃ | 3.25%~3.75% | 调质或正火+回火 | 乙烯储罐、深冷分离设备 |
| 07Ni5DR | -120℃ | 4.75%~5.25% | 正火、正火加回火、调质 | 深冷乙烯、丙烯储运设备 |
| 06Ni7DR | -196℃ | 6.00%~7.50% | 两次正火加回火、调质 | LNG储罐及低温管道 |
| 06Ni9DR | -196℃ | 8.50%~10.00% | 淬火+回火（两次淬火+回火） | LNG储罐（9Ni钢） |
06Ni9DR（俗称9Ni钢）是LNG储罐的核心材料，被业界誉为”钢板皇冠上的明珠”，在-196℃下仍具有优异的低温韧性，冲击吸收能量KV₂≥100J。
4.3 奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢在极低温度下仍保持良好的韧性，是深冷领域的重要材料。GB/T 150.2-2024对奥氏体不锈钢低温使用有特殊规定：
- 第4.10.b条：奥氏体型不锈钢材使用温度低于-196℃时，应进行设计温度下的低温冲击试验
- 第4.10.c条：低温液氢、液氦压力容器用奥氏体型不锈钢钢材，应按GB/T 13305进行铁素体含量测定，铁素体含量应不大于3%。同时对其奥氏体稳定系数、低温马氏体自转变温度等作了详细规定
GB/T 150.3-2024 附录E.3对设计温度低于-196℃的铬镍奥氏体型不锈钢容器提出了附加技术要求，包括冷加工成形元件的铁素体含量控制（E.3.2.1）、焊接工艺评定中的铁素体含量要求（E.3.2.3、E.3.2.5）等。
4.4 冶炼与冲击试验要求
GB/T 150.2-2024对低温用钢的冶炼和冲击试验有严格规定：
- 第4.8条：使用温度低于-20℃的低温钢钢板、低温钢锻件和低温钢钢管，还应采用炉外精炼
- 第9.6条：厚度大于36mm且标准抗拉强度下限值大于540MPa的钢材用焊接材料，其熔敷金属扩散氢含量不应大于5mL/100g（测量按GB/T 3965）
- 第4.11条：规定了非合金钢和合金钢钢材的冲击性能指标（表1），冲击吸收能量KV₂根据钢材标准抗拉强度下限值Rm分档要求：
| Rm下限值 (MPa) | KV₂平均值 (J) | 侧膨胀值LE (mm) |
|---|---|---|
| ≤450 | ≥20 | — |
| >450~510 | ≥24 | — |
| >510~570 | ≥31 | — |
| >570~630 | ≥34 | — |
| >630~690 | ≥38 | ≥0.53 |
| >690 | ≥47 | ≥0.53 |
5 低温低应力工况
GB/T 150.3-2024 附录E.4定义了”低温低应力工况”：
a）对元件厚度由一次总体薄膜拉应力确定的元件（如圆筒、球壳、锥壳），在该温度下实际承受的最大一次总体薄膜拉应力不大于50MPa，且其与元件材料在室温下许用应力之比不大于0.25；
b）对元件厚度不由一次总体薄膜拉应力确定的元件（如平盖、管板和法兰），元件设计温度下的最大计算压力与设计温度下的最大允许工作压力之比值不超过0.25。
当壳体或受压元件使用在”低温低应力工况”下，可以按设计温度加50℃（对于不要求焊后热处理的容器，加40℃）后的温度值选择材料。若调整后的温度不低于-20℃，除另有规定外，不必遵循关于低温容器的规定。
低温低应力工况不适用于以下情况（GB/T 150.3-2024 附录E.4.4）：
- 标准抗拉强度下限值Rm>540MPa的材料
- 最低设计温度低于-100℃的受压元件
- 紧固件
- Q235系列钢板
6 设计要求
6.1 结构设计
低温压力容器的结构设计应遵循GB/T 150.3-2024 附录E的规定，核心原则是减少应力集中、避免截面突变、保证结构连续性：
- 结构应尽量简单，避免不必要的约束和附加应力
- 接管与壳体的连接应采用全焊透结构，圆滑过渡
- 焊缝应避开高应力区，不宜设置在截面突变处
- 开孔补强宜采用整体补强或厚壁管补强（HG/T 20585-2020 第5.0.2条）。若采用补强板，应为全焊透结构，且焊缝圆滑过渡
- 支座、吊耳等非受压元件与受压元件的连接焊缝也应避免应力集中
TSG 21-2016 第3.2.2.2条规定，压力容器的接管（凸缘）与壳体之间的焊接接头，符合下列情况之一的应当采用全焊透结构：
- (1) 介质为易爆、极度危害、高度危害介质的压力容器
- (2) 要求气压、气-液组合压力试验的容器
- (3) 第Ⅲ类压力容器
- (4) 低温压力容器
- (5) 进行疲劳分析的压力容器
- (6) 直接受火焰加热的压力容器
- (7) 设计者认为有必要的
6.2 焊接接头系数与无损检测
低温压力容器的焊接接头系数和无损检测要求比常温容器更严格：
- TSG 21-2016 第3.2.4.1条规定，碳钢、低合金钢制低温压力容器应制备产品焊接试件
- GB/T 150.4-2024 第10.3.1条规定，设计温度低于-40℃或者焊接接头厚度大于25mm的低温压力容器，应对其A类和B类焊接接头进行全部（100%）射线或超声检测
- 对局部射线或超声检测的低温压力容器，检测长度不应少于各条焊接接头长度的50%，且不应小于250mm
6.3 防止低温脆断校核（2024版新增）
GB/T 150.3-2024新增了附录F（规范性）——”压力容器防止低温脆断校核方法”。这是2024版的重要技术变化之一。
GB/T 150.3-2024 第4.1.6条规定：当设计温度低于GB/T 150.2-2024规定的材料使用温度下限时，应按附录F进行低温脆断校核。
附录F提供了基于断裂力学的校核方法，允许设计者在特定条件下将材料使用到低于标准规定温度下限的工况。校核通过后，可按GB/T 150.4-2024 附录E的规定进行附加的制造、检验和验收要求。
7 焊接要求
低温压力容器的焊接要求主要依据GB/T 150.4-2024第7章和NB/T 47015-2023，核心要点如下：
7.1 焊接材料
- 低温压力容器焊接用焊条、焊丝和焊剂应符合NB/T 47018的规定
- 焊缝金属的低温冲击性能应满足设计文件要求，冲击试验温度不高于设计温度
- 熔敷金属扩散氢含量不应大于5mL/100g（GB/T 150.4-2024 第5.1.2.4条；对基于防止低温脆断校核设计的容器，尚应符合GB/T 150.4-2024 附录E.2.1.5 c）
7.2 药芯焊丝的使用限制
GB/T 150.4-2024 第7.1.2.6条规定：药芯焊丝可用于Fe-8-1组铬镍奥氏体型不锈钢母材之间和Fe-1-1组母材之间的焊接，但不应使用其焊接其中的低温压力容器受压元件；同时不应使用药芯焊丝焊接按简单疲劳设计的压力容器、盛装毒性为极度或高度危害介质的压力容器、现场组装压力容器中在现场施焊的受压元件焊接接头，以及厚度大于60mm的Fe-1-1组母材制受压元件。此外，GB/T 150.4-2024 附录E.2.1.5 a）进一步规定：基于防止低温脆断校核设计的压力容器，受压元件之间、受压元件与非受压元件之间的焊接材料不应选用药芯焊丝，应选用碱性低氢型焊条或焊剂。
7.3 焊接工艺控制
- 低温压力容器的焊接应控制焊接热输入，多层多道施焊（GB/T 150.4-2024 第7.3.3.1条）
- NB/T 47015-2023 第4.6.8条规定：有冲击试验要求的焊件，应控制热输入不超过评定合格的限值
- 焊接工艺评定中应进行焊缝金属和热影响区的低温冲击试验（GB/T 150.4-2024 第7.3.1条c）对设计温度低于-100℃但不低于-196℃的铬镍奥氏体型不锈钢制容器有特殊要求）
7.4 预热
NB/T 47015-2023 第4.5.6条给出了常用钢材推荐的最低预热温度。低温钢焊接时，应根据材料类别、厚度和拘束条件确定预热温度。当环境温度较低或拘束度较大时，应适当提高预热温度。
8 制造与检验要求
GB/T 150.4-2024对低温压力容器的制造、检验和验收有多项专门要求，比常温容器更为严格。
8.1 焊缝外观与咬边
GB/T 150.4-2024 第7.4.4条规定，下列压力容器的焊缝表面不应有咬边：
- a) 标准抗拉强度下限值大于540MPa低合金钢材制造的压力容器
- b) Cr-Mo、Cr-Mo-V钢材制造的压力容器
- c) 不锈钢材料制造的压力容器
- d) 按简单疲劳设计压力容器
- e) 有应力腐蚀倾向的压力容器
- f) 低温压力容器
- g) 焊接接头系数φ为1.0的压力容器
此外，低温压力容器及其受压元部件不应使用硬印标记（GB/T 150.4-2024 第5.3.3条；采用附录F防止低温脆断校核设计的容器，尚应符合GB/T 150.4-2024 附录E.3.2）。
8.2 无损检测
低温压力容器的无损检测要求包括：
- 射线或超声检测：设计温度低于-40℃或焊接接头厚度大于25mm的低温压力容器，A类和B类焊接接头进行100%射线或超声检测；其他低温压力容器检测长度不少于各条焊接接头长度的50%，且不小于250mm（GB/T 150.4-2024 第10.3.1条、第10.3.2条）
- 表面检测：低温压力容器上的A类、B类、C类、D类、E类焊接接头，缺陷修磨或补焊处的表面，卡具和拉筋等拆除处的割痕表面，应进行磁粉或渗透表面检测（GB/T 150.4-2024 第10.4条）
- 2024版新增了射线数字成像检测（DR）、射线计算机辅助成像检测（CR）和相控阵超声检测（PAUT）三种无损检测方法（第10.1.1条、第10.1.2条）
8.3 产品焊接试件
GB/T 150.4-2024 第9.1.1.1条规定，低温压力容器有A类纵向焊缝时，应逐台制备产品焊接试件。TSG 21-2016 第3.2.4.1条也明确要求碳钢、低合金钢制低温压力容器制备产品焊接试件。
对于低温压力容器，除另有规定外，冲击试验应包括焊缝金属和热影响区，冲击试验温度不应高于设计温度，冲击吸收能量不应低于GB/T 150.2-2024表1或设计文件的规定。
8.4 耐压试验温度
GB/T 150.4-2024 第11.4.2.3条对耐压试验时的试验温度做了明确规定。低温压力容器液压试验的液体温度不应低于壳体材料和焊接接头的冲击试验温度（取其高者）加20℃。
9 焊后热处理与返修
低温压力容器的焊后热处理（PWHT）和焊接返修有特殊要求：
- GB/T 150.4-2024 第7.5.6条规定，下列容器在焊后热处理后如进行任何焊接返修，应对返修部位重新进行焊后热处理：
- a) 盛装毒性为极度或高度危害介质的容器
- b) Cr-Mo钢制容器
- c) 低温容器
- d) 图样注明有应力腐蚀的容器
- PWHT按GB/T 30583（承压设备焊后热处理规程）和NB/T 47015-2023 第5.8.1条执行
- NB/T 47015-2023 第5.7.1条和第5.7.2条规定：对冷裂纹敏感性较大的低合金钢、壁厚较厚及拘束度较大的焊件焊后应立即进行后热。后热温度宜为200℃~350℃，保温时间一般不少于30min
10 换热器低温特殊规定
GB/T 151-2014作为热交换器的专用产品标准，对低温换热器也有相关规定。换热器中承受低温的零部件（如管箱、浮头盖、换热管等），其材料选择、结构设计和制造检验应同时满足GB/T 151-2014和GB/T 150-2024的低温要求。
具体而言：
- 换热器低温零部件的材料选择应满足GB/T 150.2-2024的低温用钢要求
- 管箱、浮头盖等部件如属于低温容器范畴，其设计、制造和检验应满足GB/T 150.3-2024附录E和GB/T 150.4-2024的相关要求
- U形换热管弯管段有耐应力腐蚀要求或要求消除残余应力时，应进行热处理（GB/T 151-2014 第8.10.3条）
11 常见错误与注意事项
| # | 常见错误 | 正确做法 | 依据 |
|---|---|---|---|
| 1 | 引用GB/T 3531-2014作为低温钢板标准 | 应引用GB/T 713.3-2023（低合金钢）和GB/T 713.4-2023（镍合金钢） | GB/T 713.3/713.4-2023 |
| 2 | 奥氏体不锈钢设计温度低于-20℃即按低温容器处理 | 奥氏体不锈钢门槛为-196℃，不低于-196℃时不按低温容器处理 | GB/T 150.1-2024 §3.1.15 |
| 3 | 低温压力容器焊缝表面允许轻微咬边 | 低温压力容器焊缝表面不允许存在任何咬边 | GB/T 150.4-2024 §7.4.4(f) |
| 4 | 低温容器使用药芯焊丝焊接 | 药芯焊丝不得用于Fe-8-1、Fe-1-1组母材制低温压力容器受压元件焊接；附录F设计的容器不应选用药芯焊丝 | GB/T 150.4-2024 §7.1.2.6、附录E.2.1.5 a） |
| 5 | 低温容器耐压试验不考虑试验温度 | 液体温度不应低于冲击试验温度+20℃ | GB/T 150.4-2024 §11.4.2.3 |
| 6 | 低温容器热处理后返修不重新热处理 | 低温容器热处理后任何焊接返修均应重新热处理 | GB/T 150.4-2024 §7.5.6 |
| 7 | 低温低应力工况判断只看薄膜应力 | 还应核查弯曲应力元件（法兰、管板、平封头等） | GB/T 150.3-2024 附录E.4 |
| 8 | 低温容器使用硬印标记 | 低温压力容器及其受压元部件不应使用硬印标记 | GB/T 150.4-2024 §5.3.3 |
| 9 | 设计温度低于-40℃的低温容器仅做局部无损检测 | 设计温度低于-40℃或接头厚度>25mm时，A、B类接头应100%射线或超声检测 | GB/T 150.4-2024 §10.3.1 |
| 10 | 未制备产品焊接试件 | 低温压力容器有A类纵向焊缝时，应逐台制备产品焊接试件 | GB/T 150.4-2024 §9.1.1.1 |
| 11 | 接管与壳体焊接采用非全焊透结构 | 低温压力容器接管与壳体焊接接头必须采用全焊透结构 | TSG 21-2016 §3.2.2.2(4) |
| 12 | 液氢/液氦容器用奥氏体不锈钢不检测铁素体含量 | 应按GB/T 13305测定铁素体含量，应不大于3% | GB/T 150.2-2024 §4.10.c |
12 结语
低温压力容器设计的核心是防止低温脆性断裂。与常温容器相比，低温容器在材料选择、结构设计、焊接工艺、制造检验等各个环节都有更严格的要求。总结关键要点：
- 定义要准确——非合金钢/低合金钢/双相不锈钢/铁素体不锈钢门槛为-20℃，奥氏体不锈钢为-196℃
- 材料要选对——低温低合金钢板执行GB/T 713.3-2023，镍合金钢板执行GB/T 713.4-2023，不再引用GB/T 3531-2014
- 低温低应力工况可放宽——设计温度加50℃（或40℃）后不低于-20℃可按常温容器处理，但不适用于Rm≥540MPa钢材和螺栓材料
- 2024版新增防脆断校核——附录F提供了基于断裂力学的校核方法，材料使用温度低于下限时可通过校核使用
- 焊接控制严格——禁止药芯焊丝、控制热输入、焊缝表面不允许咬边
- 检验要求提高——-40℃以下或厚度>25mm时100%无损检测，所有焊接接头表面检测
- 热处理后返修必须重新热处理——低温容器不适用返修豁免条款
- 耐压试验温度有专门要求——液体温度≥冲击试验温度+20℃
