宋 超，徐春華，夏海龍，張旭平，王孝松，張東杰

(山東中車(chē)同力鋼構(gòu)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

隨著國(guó)內(nèi)減排、碳達(dá)峰、碳中和等應(yīng)對(duì)氣候變化政策的推出，踐行國(guó)家“雙碳”目標(biāo)責(zé)任，積極開(kāi)展綠色低碳科技創(chuàng)新行動(dòng)，以液氫(LH2)、液化天然氣(LNG)、液氮(LN2)、液氧(LO2)、液氬(LAR)和液氦(LHE)[1]為代表的冷凍液化氣體得到廣泛應(yīng)用，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展使得其消費(fèi)市場(chǎng)快速增加。而高真空絕熱雙層低溫容器作為這些冷凍液化氣體的儲(chǔ)運(yùn)載體，其內(nèi)容器所用材料大都為奧氏體不銹鋼制造[2]，導(dǎo)致奧氏體不銹鋼材料的使用量日益增加，究其原因：一是奧氏體不銹鋼的低溫韌性好；二是奧氏體不銹鋼的具有優(yōu)秀的耐腐蝕性能[3-4]和力學(xué)性能，易于焊接和成型；三是奧氏體不銹鋼的屈強(qiáng)比低[5]，具有較大的塑性儲(chǔ)備及安全余量，可以通過(guò)應(yīng)變強(qiáng)化工藝在室溫下拉伸到一定量的塑性變形[6]來(lái)提高材料的屈服強(qiáng)度，相應(yīng)的提高了奧氏體不銹鋼材料的許用應(yīng)力值[7]，使其承載能力充分發(fā)揮，從而可以降低同等壓力下容器的壁厚，在確保容器強(qiáng)度安全的前提下，達(dá)到減輕低溫容器質(zhì)量和降低制造成本的目的，同時(shí)節(jié)約了貴金屬的使用量，為綠色制造、節(jié)能降耗及減排做出一定的貢獻(xiàn)。

奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)[9-10]在國(guó)外應(yīng)用已有六、七十年的歷史，國(guó)、內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范盡管規(guī)定不盡相同，但都是根據(jù)自身國(guó)家工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和需求制定的適合本國(guó)工藝要求和國(guó)情的技術(shù)規(guī)定。不同國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)容器的型式、盛裝介質(zhì)、容器壁厚、溫度、材料的選擇、許用應(yīng)力、強(qiáng)度計(jì)算、強(qiáng)化壓力、制造和檢驗(yàn)均提出了相關(guān)的要求，但都要求為單一直徑的圓筒體和凸形封頭和對(duì)焊接工藝評(píng)定試板進(jìn)行預(yù)拉伸[11]。為奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)在低溫行業(yè)的廣泛應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的規(guī)范和技術(shù)依據(jù)。

1 應(yīng)變強(qiáng)化工藝試驗(yàn)原理

奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)是通過(guò)塑性變形的方式，在材料儲(chǔ)備塑性變形允許的范圍內(nèi)，以犧牲材料的一部分塑性為代價(jià)來(lái)提高材料的屈服強(qiáng)度的工藝力學(xué)性能[12]的處理方法。奧氏體不銹鋼材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在接近塑性變形時(shí)是近似線性的，因此一般以其非比例延伸0.2%對(duì)應(yīng)的流動(dòng)應(yīng)力值RP0.2作為材料的屈服強(qiáng)度。

從圖1可以看出，由于RP0.2和RM(材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值)之間有較大的塑性延伸區(qū)間，故考慮對(duì)材料施加外力，使其應(yīng)力值超過(guò)屈服強(qiáng)度RP0.2并達(dá)到強(qiáng)化應(yīng)力RPS后卸載[13]；此時(shí)此料將發(fā)生一定量的永久變形[14]。對(duì)該材料再次加載，當(dāng)施加的外力對(duì)應(yīng)材料的應(yīng)力值小于強(qiáng)化應(yīng)力RPS時(shí)，材料將一直處于彈性變形階段，直到應(yīng)力值達(dá)到并超過(guò)強(qiáng)化應(yīng)力RPS后才會(huì)再次進(jìn)入塑性階段，即加載路徑由原先的O→A→B→C變?yōu)镈→B→C。此時(shí)，強(qiáng)化應(yīng)力RPS即為奧氏體不銹鋼新的屈服強(qiáng)度，與強(qiáng)化前相比，強(qiáng)化后的奧氏體不銹鋼屈服強(qiáng)度有了明顯提高，并以強(qiáng)化后得到的非比例延伸強(qiáng)度作為低溫容器[15]強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)，進(jìn)而提高了奧氏體不銹鋼相關(guān)低溫壓力容器的設(shè)計(jì)計(jì)算許用應(yīng)力值，可以有效的降低低溫容器壁厚，充分利用奧氏體不銹鋼材料較大的屈強(qiáng)比，實(shí)現(xiàn)奧氏體不銹鋼材料低溫絕熱容器[15]的輕量化設(shè)計(jì)，減少容器自重和經(jīng)濟(jì)效益的最大化，提高相應(yīng)的產(chǎn)品在國(guó)際貿(mào)易中的競(jìng)爭(zhēng)力。

圖1 奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化原理Fig.1 The principle of Austenitic stainless steelstrengthening

應(yīng)變強(qiáng)化容器的設(shè)計(jì)思路是先設(shè)計(jì)后強(qiáng)化，即先假定奧氏體不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了強(qiáng)化后的預(yù)期強(qiáng)度，選擇預(yù)期強(qiáng)度為設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算應(yīng)力，以容器強(qiáng)化前的直徑對(duì)容器進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，然后根據(jù)計(jì)算得出的容器應(yīng)變強(qiáng)化處理時(shí)的強(qiáng)化壓力。采用強(qiáng)化處理工藝使容器的總體應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)預(yù)期的強(qiáng)度，并控制圓周的變形量小于理論計(jì)算的變形量[17]，以此達(dá)到提高屈服強(qiáng)度，降低壁厚的目的，強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)承受的薄膜應(yīng)力[18]仍采用薄殼理論按第一強(qiáng)度理論進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

本文按照T/CATSI 05001—2018《移動(dòng)式真空絕熱深冷壓力容器內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)要求》和GB/T 18442.7—2017《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第7部分：內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)規(guī)定》[12]標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，本次應(yīng)變強(qiáng)化試驗(yàn)的方法采用應(yīng)力強(qiáng)化法，按規(guī)定的許用應(yīng)力值對(duì)容器進(jìn)行強(qiáng)度校核和強(qiáng)化壓力計(jì)算。在強(qiáng)化前、強(qiáng)化過(guò)程中及強(qiáng)化完成后分別測(cè)量筒體的周長(zhǎng)，由環(huán)向周長(zhǎng)變化計(jì)算環(huán)向應(yīng)變量。首先試制樣品容器進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化工藝性驗(yàn)證，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，然后按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制造首臺(tái)高真空低溫絕熱容器，按驗(yàn)證通過(guò)后的應(yīng)變強(qiáng)化工藝進(jìn)行強(qiáng)化處理，并對(duì)強(qiáng)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并做對(duì)比分析。

2 應(yīng)變強(qiáng)化工藝試驗(yàn)材料、技術(shù)參數(shù)、方法及實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)容器材料說(shuō)明及技術(shù)參數(shù)

本試驗(yàn)容器所采用的的材料奧氏體不銹鋼S30408材料具有良好的綜合性能，且耐低溫性能好，同時(shí)低溫韌性也是深冷容器選材的一個(gè)重要指標(biāo)，最低可用于沸點(diǎn)為-253 ℃的液氫深冷容器上，此材料在國(guó)內(nèi)外均已成熟運(yùn)用；但此材料在低溫容器下的屈服強(qiáng)度(180～250 MPa)較低，抗拉強(qiáng)度(520～720 MPa)較高。因此，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的比值較低，有較大的儲(chǔ)備韌性潛能，通過(guò)應(yīng)變強(qiáng)化工藝，使其產(chǎn)生一定量的塑性變形，充分提高其屈服強(qiáng)度到410 MPa，顯著發(fā)揮奧氏體不銹鋼的塑性承載能力，避免材料浪費(fèi)、減輕容器的整體質(zhì)量。

本文采用主要的合金元素為C、Gr、Ni[19]的S30408材料，其主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：C小于等于0.08%，Si小于等于0.75%，Mn小于等于0.20%，Cr為18.00%～20.00%，Ni為8.00%～10.50%，其力學(xué)性能指標(biāo)Rp0.2不小于290 MPa，Rm不小于540 MPa且也不大于720 MPa，斷后伸長(zhǎng)率不小于45%，固溶狀態(tài)交貨。

2.2 應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)容器技術(shù)參數(shù)

本試驗(yàn)容器的圓筒內(nèi)直徑為1 800 mm，每節(jié)的長(zhǎng)度不小于1 500 mm，共2節(jié)，兩邊為橢圓封頭。設(shè)計(jì)壓力為2.1 MPa，計(jì)算壓力為2.3 MPa，殼體名義厚度為8 mm，橢圓封頭名義厚度為9 mm，設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力為273 MPa，強(qiáng)化壓力為3.5 MPa。

2.3 試驗(yàn)方法

本文采用常溫應(yīng)變方法，即在室溫下向容器內(nèi)充滿氯離子含量小于25×10-6的干凈水,通過(guò)與容器相連的加壓裝置，按照一定的升壓速率使容器逐漸增壓到強(qiáng)化壓力，并通過(guò)不斷增壓的方式維持容器內(nèi)的強(qiáng)化壓力不變，以便使容器得到充分的塑性變形。在周長(zhǎng)變化率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)終止保壓，逐步緩慢降壓，直至壓力降為0。

2.4 應(yīng)變強(qiáng)化周長(zhǎng)測(cè)量

周長(zhǎng)測(cè)量位置選在容器筒節(jié)最大變形截面部位，選4個(gè)截面，2個(gè)筒節(jié)中間截面，以及中間環(huán)焊縫處截面；測(cè)量工具為位移傳感器自動(dòng)測(cè)量裝置。

2.5 試驗(yàn)裝置

容器的應(yīng)變強(qiáng)化過(guò)程需要經(jīng)歷彈性變形和塑性變形兩個(gè)階段，特別是在塑性變形階段，其應(yīng)變量對(duì)壓力比較敏感，如果手動(dòng)操作就比較困難，因此本試驗(yàn)的加壓設(shè)備采用全自動(dòng)微機(jī)控制系統(tǒng)，主要包括注水系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)，在應(yīng)變?cè)囼?yàn)的全過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)打壓控制，自動(dòng)控制應(yīng)變強(qiáng)化時(shí)的壓力變化，維持各個(gè)所需階段的設(shè)定的壓力，且能按設(shè)定的壓力停止點(diǎn)進(jìn)行保壓，并能自動(dòng)記錄周長(zhǎng)變化量和分析環(huán)向應(yīng)變量，且能在試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)自動(dòng)生成壓力-時(shí)間與位移-時(shí)間的關(guān)系曲線，使測(cè)量精度和工作效率都大大提高；圖2為試驗(yàn)裝置實(shí)物圖。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Test Apparatus

3 應(yīng)變強(qiáng)化工藝試驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)變強(qiáng)化工藝試驗(yàn)過(guò)程

本試驗(yàn)過(guò)程采用2個(gè)經(jīng)校驗(yàn)合格的0～4.0 MPa的機(jī)械壓力表用于現(xiàn)場(chǎng)觀察和一個(gè)數(shù)顯壓力變送器用于向控制系統(tǒng)傳遞壓力信號(hào)進(jìn)行打壓自動(dòng)控制，同時(shí)在容器的周長(zhǎng)測(cè)量布置位移傳感器實(shí)時(shí)向控制系統(tǒng)傳遞周長(zhǎng)變化量用于計(jì)算周向變化率和鋼卷尺同步測(cè)量周長(zhǎng)變化量，具體測(cè)量布置圖如圖3所示 。

圖3 應(yīng)變強(qiáng)化壓力和周長(zhǎng)測(cè)量布置圖Fig.3 Layout of strengthing pressure and perimeter measurement

應(yīng)變時(shí)為了獲得容器上各部位穩(wěn)定的應(yīng)變值，同時(shí)保證樣品容器能得到充分的變形應(yīng)采用逐級(jí)加壓、緩慢升壓的方式。根據(jù)T/CATSI 05001—2018《移動(dòng)式真空絕熱深冷壓力容器內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)的要求，在設(shè)計(jì)壓力之前最大升壓速率小于等于0.5 MPa/min，本試驗(yàn)為0.2 MPa/min；設(shè)計(jì)壓力之后升壓速率小于等于0.1 MPa/min，本次實(shí)驗(yàn)為0.08 MPa/min。當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力2.1 MPa時(shí)，表面檢查合格后繼續(xù)緩慢升壓至強(qiáng)化壓力3.5 MPa；當(dāng)達(dá)到 3.5 MPa 的強(qiáng)化壓力時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入保壓階段，此時(shí)每隔 5 min記錄一次數(shù)據(jù)，直至保壓結(jié)束。保壓結(jié)束后，將壓力降至設(shè)計(jì)壓力2.1 MPa時(shí)，保壓一段時(shí)間對(duì)容器再進(jìn)行一次全面的外觀檢查，并記錄此時(shí)的周長(zhǎng)變化量；之后卸壓，并在完全放水后，再記錄此時(shí)的容器的周長(zhǎng)變化量。然后，對(duì)各個(gè)測(cè)量處的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，分析計(jì)算不同位置的周長(zhǎng)變化率，找出容器最大的變形截面。將 S1～S4測(cè)量數(shù)據(jù)相應(yīng)填入應(yīng)變強(qiáng)化容器周長(zhǎng)記錄表格，取初始周長(zhǎng)最大讀數(shù)，按周長(zhǎng)應(yīng)變率不超過(guò)0.0%/h 計(jì)算出最后30 min 內(nèi)的最大周長(zhǎng)應(yīng)變率，并記錄在表格中，具體如表1所示。在試驗(yàn)時(shí)通過(guò)微機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)生成壓力-時(shí)間與位移-時(shí)間的關(guān)系曲線，具體結(jié)果如圖4所示。

表1 試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)記錄及處理Tab.1 Recording and processing of test process data

圖4 應(yīng)力、位移隨時(shí)間變化曲線圖Fig.4 Curve of stress and displacement with time

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)從表1的數(shù)據(jù)分析和圖4應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線圖來(lái)看在應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度前，屬于彈性變形范圍，應(yīng)變隨應(yīng)力的增大而成比例的增加；

(2)從表1記錄的數(shù)據(jù)分析和圖4應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線圖來(lái)看在應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度后，隨著應(yīng)力的增加，應(yīng)變也在增加，但增加的幅度在逐漸的減小，筒體材料出現(xiàn)一定的永久塑性變形，卸載后，出現(xiàn)新的彈性變形階段作為更高的非比例延伸強(qiáng)度屈服點(diǎn)；

(3)容器卸壓后，筒體中部焊縫2側(cè)參與的周向應(yīng)變分別為2.59%、2.67%，為變形的較大部位；

(4)最大變形出現(xiàn)在距離加強(qiáng)部位較遠(yuǎn)的不受約束的筒體中間部位，說(shuō)明封頭和加強(qiáng)圈對(duì)變形起到了一定的限制。

4 應(yīng)變強(qiáng)化工藝試驗(yàn)有限元模擬分析

4.1 實(shí)體模型

有限元分析軟件根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立有限元仿真分析模型；結(jié)構(gòu)整體幾何模型和有限元網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 有限元網(wǎng)格模型Fig.5 Finite Element Mesh Model

4.2 模擬過(guò)程

圖6為設(shè)計(jì)壓力下筒體應(yīng)力及應(yīng)變變化云圖。

圖6 設(shè)計(jì)壓力下筒體應(yīng)力及應(yīng)變變化云圖Fig.6 The Cloud Diagram of cylinder stress and strain under design pressure

從圖6可以看出，在設(shè)計(jì)壓力下筒體剛屈服整個(gè)筒體變形比較均勻。最大應(yīng)力和變形在筒體中間部位比較大，加強(qiáng)圈附近和筒體兩端由于封頭的加強(qiáng)作用，受到的應(yīng)力較小和變形較小。

圖7為強(qiáng)化壓力下筒體應(yīng)力及應(yīng)變變化云圖。

圖7 強(qiáng)化壓力下筒體應(yīng)力及應(yīng)變變化云圖Fig.7 The Cloud Diagram of cylinder stress and strain understrengthening

從圖7可以看出，在強(qiáng)化壓力下筒體已經(jīng)屈服，最大應(yīng)力和變形在筒體中間部位比較大，加強(qiáng)圈附近和筒體兩端由于封頭的加強(qiáng)作用，受到的應(yīng)力較小和變形較小。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和有限元建模理論分析，二者吻合較好，找出了奧氏體不銹鋼低溫容器關(guān)鍵部位的變形規(guī)律，得出應(yīng)力和應(yīng)變?cè)谕搀w兩端和加強(qiáng)圈附近變化較小。在以后的生產(chǎn)中可以考慮在未加強(qiáng)的部分布置相應(yīng)的傳感器，從而測(cè)出應(yīng)力應(yīng)變變化最大部位的變化值；

(2)通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，最大變形量為2.67%，小于相關(guān)技術(shù)文件規(guī)定的最大變形量10%，未出現(xiàn)過(guò)度強(qiáng)化，未對(duì)容器的整體安全性造成影響；

(3)局部結(jié)構(gòu)因在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的收縮在應(yīng)變強(qiáng)化后得以“趨圓”，使焊縫圓滑過(guò)渡，結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性得到改善。