設(shè)計(jì)溫度是壓力容器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，《壓力容器 第1部分：通用要求》GB150.1-2011第3.1.7條是這么定義的：
3.1.7
設(shè)計(jì)溫度design temperature
容器在正常工作情況下，設(shè)定的元件的金屬溫度(沿元件金屬截面的溫度平均值)。設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力一起作為設(shè)計(jì)載荷條件。
正常工作狀態(tài)不可能一成不變，所以按照正常邏輯，設(shè)計(jì)溫度應(yīng)該是個(gè)范圍，比如一個(gè)常溫的儲(chǔ)罐，他的設(shè)計(jì)溫度范圍大概就是當(dāng)?shù)厮募咀兓臉O端低溫和極端高溫(通常在此基礎(chǔ)上向下、向上圓整，并留出一定裕量)。設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力主要是為設(shè)計(jì)載荷服務(wù)的，在《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》GB150.3-2011中，設(shè)計(jì)溫度并不直接作為計(jì)算參數(shù)，它的主要作用就是用來確定材料的物理參數(shù)，例如許用應(yīng)力、彈性模量、屈服強(qiáng)度等。對(duì)于常溫或高溫設(shè)備，通常設(shè)計(jì)溫度的上限是有意義的，因?yàn)樵谧罡邷囟葧r(shí)，熱應(yīng)力最大，物料往往也呈現(xiàn)最大壓力(溫度越高飽和蒸氣壓越大)，因而設(shè)備也承受最大載荷，所以對(duì)于這類設(shè)備，設(shè)計(jì)溫度往往簡(jiǎn)略為最高值。而對(duì)于低溫設(shè)備，情況比較復(fù)雜，不可一概而論。
《壓力容器 第1部分：通用要求》GB150.1-2011第4.3.4條給出了設(shè)計(jì)溫度的確定方法：
4.3.4 設(shè)計(jì)溫度的確定
a) 設(shè)計(jì)溫度不得低于元件金屬在工作狀態(tài)可能達(dá)到的最高溫度。對(duì)于0℃以下的金屬溫度，設(shè)計(jì)溫度不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度。
b) 容器各部分在工作狀態(tài)下的金屬溫度不同時(shí)，可分別設(shè)定每部分的設(shè)計(jì)溫度
c) 元件的金屬溫度通過以下方法確定：
1) 傳熱計(jì)算求得;
2) 在已使用的同類容器上測(cè)定;
3) 根據(jù)容器內(nèi)部介質(zhì)溫度并結(jié)合外部條件確定。
d) 在確定最低設(shè)計(jì)金屬溫度時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮在運(yùn)行過程中，大氣環(huán)境低溫條件對(duì)容器殼體金屬)溫度的影響。大氣環(huán)境低溫條件系指歷年來月平均最低氣溫(指當(dāng)月各天的最低氣溫值之和除以當(dāng)月天數(shù))的最低值。
從中可以看出，正常工作溫度在0℃以上時(shí)，設(shè)計(jì)溫度取最高值，正常工作溫度在0℃以下時(shí)，設(shè)計(jì)溫度取最低值。
奇怪的是《壓力容器 第1部分：通用要求》GB150.1-2011在第3.1.9條給出了一個(gè)最低設(shè)計(jì)金屬溫度的術(shù)語：
3.1.9
最低設(shè)計(jì)金屬溫度minimum design metal temperature
設(shè)計(jì)時(shí)，容器在運(yùn)行過程中預(yù)期的各種可能條件下各允金屬溫度的最低值。
根據(jù)這個(gè)定義，最低設(shè)計(jì)金屬溫度是實(shí)際可能達(dá)到的最低溫度。比照之前設(shè)計(jì)溫度的確定方法，正常工作溫度在0℃以上時(shí)，設(shè)計(jì)溫度大于最低設(shè)計(jì)金屬溫度；正常工作溫度在0℃以下時(shí)，設(shè)計(jì)溫度小于或等于最低設(shè)計(jì)金屬溫度。說它奇怪并不在于其定義，是因?yàn)樵谡麄€(gè)GB150系列的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中最低設(shè)計(jì)金屬溫度完全沒有用武之地，僅在《壓力容器 第1部分：通用要求》GB150.1-2011第4.3.4條d中提到(見上)，但聯(lián)系上下文，似乎并沒有什么實(shí)際用途。
將GB150的規(guī)定應(yīng)用到液化天然氣儲(chǔ)罐上，則不難發(fā)現(xiàn)其最低設(shè)計(jì)金屬溫度是-196℃(液化天然氣儲(chǔ)罐通常需要使用液氮預(yù)冷，因此按液氮的溫度確定)，且設(shè)計(jì)溫度通常也確定為這個(gè)值。然而《固定式真空絕熱深冷壓力容器》GB/T18442系列標(biāo)準(zhǔn)卻有著不同的規(guī)定。《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》GB/T18442.3-2019第7.1節(jié)對(duì)設(shè)計(jì)溫度規(guī)定如下：
7 溫度
7.1 設(shè)計(jì)溫度
7.1.1 內(nèi)容器的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)不低于元件金屬在正常工況下可能達(dá)到的最高工作溫度。
7.1.2 外殼的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)考慮環(huán)境溫度和使用條件的影響，且不低于50℃。
7.1.3 對(duì)各元件進(jìn)行穩(wěn)定性校核時(shí)，其設(shè)計(jì)溫度考慮正常工作條件下及罐加熱地喜窯時(shí)可能出的正天期入華最高溫度。
按此規(guī)定，深冷壓力容器無論是內(nèi)容器還是外容器，其設(shè)計(jì)溫度都是指最高值，至少對(duì)內(nèi)容器來說，與GB150的規(guī)定恰好相反。在上一版GB/T18442系列標(biāo)準(zhǔn)(2011年版，與現(xiàn)行GB150系列同年)，其規(guī)定與GB150一致，不知GB150下一輪修訂是否會(huì)參照GB/T18442修改一致。《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》GB/T18442.3-2019第7.2節(jié)也給出了最低設(shè)計(jì)金屬溫度的概念(見下)，然而也沒有給出什么具體用途，但是由于設(shè)計(jì)溫度指向了最高值，則低溫材料的選擇就必須考慮最低設(shè)計(jì)金屬溫度了。將GB/T18442的規(guī)定應(yīng)用到液化天然氣儲(chǔ)罐上，則需根據(jù)溫度與飽和蒸汽壓的關(guān)系及設(shè)計(jì)壓力來確定其設(shè)計(jì)溫度。例如甲烷-132℃時(shí)的飽和蒸氣壓為0.66MPa，那么設(shè)計(jì)壓力若為0.66MPa的液化天然氣儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)溫度就可以取-132℃(不應(yīng)低于此值)，而最低設(shè)計(jì)金屬溫度為-196℃。
前文提到，設(shè)計(jì)溫度主要用來計(jì)算設(shè)計(jì)載荷的，所以設(shè)計(jì)溫度應(yīng)該選可能導(dǎo)致最大載荷的值。前文也留了一個(gè)懸念，就是低溫容器到底情況如何？對(duì)低溫容器而言，溫度越高會(huì)導(dǎo)致物料飽和蒸汽壓越大，壓力載荷是內(nèi)容器設(shè)計(jì)載荷的一方面，從這點(diǎn)看，似乎應(yīng)該選擇溫度最高值。溫度越低物料飽和蒸汽壓越小，也就意味著壓力載荷越小，但熱應(yīng)力又會(huì)增大，熱應(yīng)力載荷也是內(nèi)容器設(shè)計(jì)載荷的一方面，從這點(diǎn)看，似乎應(yīng)該選擇溫度最低值。若設(shè)計(jì)壓力高且溫度最低值高，則壓力載荷是主要的，選擇最高值作為設(shè)計(jì)溫度將是有利的；反之，若設(shè)計(jì)壓力低且溫度最低值低，則熱應(yīng)力載荷是主要的，選擇最低值作為設(shè)計(jì)溫度將是有利的。由于這兩者與溫度的關(guān)系相反，甚至可能疊加后的最大載荷并非對(duì)應(yīng)溫度的最高值也并非對(duì)應(yīng)溫度的最低值，而是中間某個(gè)值。
《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》GB/T18442.3-2019中對(duì)設(shè)計(jì)載荷的規(guī)定。如此看來深冷壓力容器的設(shè)計(jì)溫度取最高值或最低值都有其道理，但都可能并不準(zhǔn)確，最理想的辦法是利用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)計(jì)算最高值到最低值各溫度下的載荷情況，從而得到最大載荷所對(duì)應(yīng)的溫度，即為設(shè)計(jì)溫度。
作者：吳靖
