在低温下操作的压力容器和管道面临一种常温工况下不存在的失效模式：脆性断裂（Brittle Fracture）。碳钢在低于某一临界温度（韧脆转变温度，Ductile-to-Brittle Transition Temperature，DBTT）时，断裂韧性急剧下降，材料由延性断裂模式转变为脆性断裂模式。脆性断裂几乎不消耗能量，发展极快（裂纹扩展速度可接近声速），且通常没有明显的塑性变形预警。对于承压设备，脆性断裂意味着灾难性失效。
韧脆转变与温度的关系
体心立方（BCC）晶体结构的金属（碳钢、铁素体不锈钢、钨、钼）在低温下存在韧脆转变温度（DBTT），在 DBTT 以上材料延性断裂，在 DBTT 以下脆性断裂。面心立方（FCC）晶体结构的金属（奥氏体不锈钢、铝合金、铜合金、镍合金）理论上没有韧脆转变温度——它们在低至绝对零度时仍保持相当的韧性，这正是这类材料在极低温应用中的核心优势。
碳钢的 DBTT 受成分影响显著：
- 碳含量增加 → DBTT 升高（焊接性变差，低温韧性下降）
- 锰含量增加 → DBTT 降低（改善低温韧性）
- 硅含量增加 → DBTT 升高（不利）
- 镍含量增加 → DBTT 显著降低（最有效的低温韧性改善元素）
- 磷和硫（杂质元素）→ 均升高 DBTT（须严格控制）
- 晶粒细化（如正火处理） → DBTT 降低（改善韧性）
夏比冲击试验（Charpy V-Notch Test）
夏比V型缺口冲击试验（CVN，ISO 148-1 / ASTM A370）是评估材料低温韧性的标准方法。标准试样（10 mm × 10 mm × 55 mm，V形缺口）在规定温度下被摆锤冲断，测量材料吸收的能量（单位：焦耳，J）。吸收能量越高，材料韧性越好。
ASME Section VIII 和 EN 13445 均要求低温压力设备须在设计最低金属温度（MDMT/MAT）下进行 CVN 测试，满足规定的最低冲击功要求。不同标准对最低冲击功的规定有差异，但典型要求为在 MDMT 处：平均值 ≥ 27 J（ASME B31.3 标准）；个别试样不低于 20 J。对于核 Q 级材料，要求更为严格（通常 41 J 以上）。
重要提示：CVN 测试须在实际 MDMT 温度下进行，而不是在常温下。在常温下通过 CVN 测试的材料，不代表在 −50°C 时也满足要求。
ASME 体系中的 MDMT
ASME Section VIII Div.1 提供了确定压力容器最低设计金属温度（MDMT）的方法：
图 UCS-66（适用于碳钢和低合金钢）：对于给定材料组（P-Number）和厚度，图表给出了不需要进行 CVN 冲击测试的最低许用 MDMT。材料厚度越大，不需冲击测试的 MDMT 越高（厚板对脆性断裂更敏感）。
图 UCS-66.1（厚度比例折减）：当实际操作压力低于最大许可工作压力（MAWP）时，允许将 MDMT 下移（折减）。操作压力越低（利用率越低），折减量越大。这一折减反映了低温下低应力状态对脆性断裂的相对安全性。
PWHT（焊后热处理）的影响：焊后热处理消除焊接残余应力，改善焊缝区域的微观组织。ASME 允许经过 PWHT 的容器在图 UCS-66 的基础上进一步降低 MDMT（通常 17°C 的折减）。
低温材料的选型分级
随着设计最低温度的下降，须升级使用更适合低温的材料：
| 材料 | 典型 MDMT | 规范 | 应用示例 |
|---|---|---|---|
| 碳钢（A106 Gr.B，经正火） | 至 −29°C | ASME UCS-66 | 冷冻水系统、室外管道 |
| 低温碳钢（A333 Gr.6） | 至 −46°C | ASME UCS-66 | 低温分离器、天然气处理 |
| 2.5% Ni 钢（A203 Gr.A/B） | 至 −60°C | ASME UCS-66 | 液态乙烯系统 |
| 3.5% Ni 钢（A203 Gr.E/F） | 至 −101°C | ASME UCS-66 | 液态乙烯、丙烯系统 |
| 9% Ni 钢（A353/A553） | 至 −196°C | ASME ULT-23 | 液氮、LNG 储罐 |
| 奥氏体不锈钢（304L/316L） | 无理论下限 | ASME UHA-51 | 液氧、液氢、液氦系统 |
| 铝合金（5083-H111） | 无理论下限 | ASME UFC-62 | LNG 船舶储罐、膜式储罐 |
9% Ni 钢 — LNG 储罐的工程选择
9% 镍钢（Ni 含量 8.5–9.5%）是液化天然气（LNG）地上储罐的主流材料，在 −196°C 的液氮温度下仍保持良好韧性（CVN 通常 > 100 J）。9% Ni 钢的焊接须使用特殊高镍合金焊材（如因科镍合金 82/182）——碳钢焊材无法在 −196°C 保持足够韧性。9% Ni 钢的显微组织由细小的回火马氏体组成，其低温韧性来源于马氏体基体中均匀分布的亚稳奥氏体小岛（"逆变奥氏体"），在裂纹扩展前可吸收大量能量。
焊接要求的特殊性
低温压力容器的焊接要求比常温容器严格得多：
- 焊接工艺评定温度：WPS 评定须在 MDMT 或更低温度下进行 CVN 冲击测试，焊缝中心、热影响区（HAZ）和熔合线位置均须满足最低冲击功要求
- 焊前预热：防止焊缝氢致冷裂，对低碳当量材料（如 A333 Gr.6）通常要求预热至 10–50°C；9% Ni 钢不需要预热，但须严格控制层间温度（≤ 150°C）
- 热输入控制：过高热输入导致 HAZ 晶粒粗大，降低低温韧性；低温钢焊接热输入通常须控制在 2.5 kJ/mm 以下
- 焊后热处理（PWHT）：低合金钢（如 Cr-Mo 系列）通常须 PWHT；9% Ni 钢不需要 PWHT（PWHT 反而损害其特殊微观组织）
- 100% 体积检验：低温容器（ASME UCS-Class 1）须对所有焊缝进行 100% 射线或超声检验
总结
低温压力容器设计的核心步骤：① 确定设计最低金属温度（MDMT）——考虑所有操作工况，包括启停和紧急工况；② 查 ASME UCS-66 图表（或 EN 13445 相应规定）确定材料的无 CVN 测试许用 MDMT；③ 若 MDMT 低于图表许用值，须升级材料等级并进行 CVN 冲击试验；④ 设计焊接工艺（含 CVN 评定）；⑤ 规格 100% 体积检验；⑥ 进行初始水压试验（注意测试水温不得低于 MDMT + 17°C，防止测试本身在低温下触发脆性断裂）。
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