不銹鋼低溫壓力容器強化變形量控制

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[摘要]通過分析影響奧氏體不銹鋼低溫壓力容器應變強化變形量的主要因素，探討其影響規律，針對其規律提出相應有利的控制變形量的解決方案，并將其與應變強化工藝過程控制各環節相匹配，從而制定較為科學的現行應變強化工藝流程。

[關鍵詞]奧氏體不銹鋼；低溫壓力容器；應變強化；變形量；工藝控制

1概述

隨著低溫液化氣體的日益廣泛應用，低溫壓力容器的需求量不斷增加。在安全前提下，實現低溫壓力容器的輕量化，對于節能降耗具有重要意義。對奧氏體不銹鋼采用應變強化技術可以提高材料的屈服強度，顯著減薄奧氏體不銹鋼低溫壓力容器的壁厚，減輕重量，從而節約材料，降低低溫壓力容器的制造成本，提高產品的市場競爭力。特別是對于我司主營業務低溫液體罐箱，為使用戶利益最大化，整備質量輕量化，承壓內容器的應變強化技術是發展趨勢。但低溫液體罐箱受外部框架尺寸限制，使得內容器和外殼之間的夾層空間可調量較小，一旦應變強化變形量超出預期，則會因內外容器不能順利套合而造成產品返工甚至報廢，因此控制內容器應變強化時的變形量顯得尤為重要，找出影響應變強化變形量的因素并應用工藝手段進行控制，可以使批量產品的變形量相對穩定，從而實現內外容器的順利套合，降低返工和報廢風險。

2材料力學性能對變形量的影響

在奧氏體不銹鋼應變強化內容器的制造中，內容器筒體部分要求用同一材檢號的開平板材料。選取了使用相同材檢號的開平板材料制造的四臺應變強化內容器的產品，并在內容器應變強化過程中記錄了試驗溫度并選取相同的測量位置測量變形量，根據表1中的變形量數據可以看出，即使使用相同材檢號的材料，在相同位置的筒體外周長變形量也會有較大的差別。為此，重新選取了幾個不同材檢號開平板材料，并對其頭部、中部、尾部分別進行力學性能復驗，并將復驗結果與該材檢號對應的卷鋼質量證明書進行了對比。根據表2的對比數據可以看出，相同材檢號開平板材料在不同位置的力學性能是存在差別的。開平板是卷型鋼帶在室溫下經過開卷、校平、剪切而成的鋼板，因其長度可自由裁定、節約材料而被壓力容器制造企業所青睞，但因其在固溶處理后又經歷了鋼帶成卷和開平操作等反復冷加工變形，變形量的增大使其力學性能與軋制鋼板相比存在較大差異[1]，開平操作不會影響其化學成分[2]。這也是國家特種設備標準規范要求對奧氏體不銹鋼開平板需按批號復驗力學性能的主要原因[3]。同時，材料的屈強比越低、延伸率越高、塑形越好，應變強化變形量越大[4]。因此，即使采用相同材檢號開平板制造相同結構的內容器，在應變強化后筒體外周長變形量也會有差別，所以對于內容器與外殼夾層空間比較小、對應變強化變形量控制要求高的產品，內容器材料應選用力學性能相對平穩的原平板材料或相同批號的材料。

3溫度對應變強化變形量的影響

根據GB150.2-2011《壓力容器第2部分：材料》[5]中附錄表B.14《鋼材平均線膨脹系數》，奧氏體鋼（Cr18Ni8~Cr19Ni14）在0℃與20℃之間的平均線膨脹系數α=16.28×10-6mm/mm•℃，在20℃與50℃之間的平均線膨脹系數α=16.28×10-6mm/mm•℃?？梢钥闯?，在0℃~50℃間材料的變形量會隨著溫度的升高而加大的趨勢。為此我們參照T/CATSI05001-2018《移動式真空絕熱深冷壓力容器內容器應變強化技術要求》[6]附錄D進行試驗，選取兩組相同材質、相同厚度、Rp0.2分別為271MPa和293MPa的材料制作了模擬拉伸試件，采用應力控制法，將終止應力控制在410MPa的預拉伸方式，在10~30℃的溫度梯度下進行模擬應變強化的拉伸試驗，對變形量進行測定。測定得出的變形量數據見表3、表4。將表3和表4中每個溫度梯度的變形量取平均值并換算成變形率，得出曲線1進行對比分析?？梢钥闯?，在相同預拉伸應力下材料的變形量隨著溫度的升高而增大。在相同的溫度、相同的預拉伸終止應力下，試件的變形量隨著材料力學性能Rp0.2值的增大而減小。

4結論

內容器與外殼夾層空間比較小且應變強化變形量控制要求高的深冷壓力容器，在設計和制造中可采取以下控制措施：(1)應變強化容器用板材的采購，根據應變強化容器設計規范的不同，其用板材分別按GB/T24511、SA240/SA240M、EN10028-7現行標準（版本）選用，若滿足《固容規》、《移動容規》、NB/T47059等要求，需按相應標準再增加特殊要求，如：(a)在標準法規允許范圍內和材料生產廠家的能力范圍內適當提高材料的屈服強度Rp0.2值；或：(b)內筒體相鄰筒節優先采用同一爐批號、同一厚度的材料；或：(c)內筒體采用開平板時，相鄰筒節優先采用連續相鄰的開平板；或：(d)內筒體相鄰筒節采用不同爐批號材料時，相鄰筒節材料的鋼材0.2%規定非比例延伸強度Rp0.2差值不得超過30MPa。同時，通過對同一臺產品由多個筒節組成的內容器采用的板材力學性能進行規定，可減小同臺產品內容器筒體上不同位置變形量的差異。(2)在內容器應變強化階段，控制應變強化時注水的溫度不超過20℃，可采用在水中增加冰塊或增加制冷機組等方式對試驗用水進行降溫，在夜間環境溫度低的時候進行強化操作等。通過降低應變強化時溫度來控制和降低材料變形量。通過以上控制措施，可以有效地實現批量應變強化產品內容器變形量的穩定性，從而實現內外容器的順利套合，提高生產效率、降低生產返工成本。

參考文獻

[1]汪鈺，馮德興，張東輝，等.奧氏體不銹鋼壓力容器封頭開裂缺陷探討[J].壓力容器，2017，34(6)：74-80.

[2]張宓，馬祥.對特種設備制造和監督檢驗中關于不銹鋼開平板材料復驗的探討[J].建材發展導向，2014，(11)：292-293.

[3]GB150.4-2011，壓力容器第4部分：制造、檢驗和驗收[S].

[4]趙翠釵.影響奧氏體不銹鋼深冷容器應變強化變形率的因素[J].中國化工裝備，2018，(3)：40-44.

[5]GB150.2-2011，壓力容器第2部分：材料[S].

[6]T/CATSI05001-2018，移動式真空絕熱深冷壓力容器內容器應變強化技術要求[S].團體標準

作者：沈衛東 施磊 單位：南通中集能源裝備有限公司