奧氏體不銹鋼壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)

趙子艷

（哈爾濱電氣股份有限公司，秦皇島 066206）

奧氏體不銹鋼壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)

趙子艷

（哈爾濱電氣股份有限公司，秦皇島 066206）

奧氏體不銹鋼材料本身具有良好的韌性，但它的屈服強(qiáng)度比較低，而應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)能夠顯著提升奧氏體不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度，節(jié)約材料。奧氏體不銹鋼壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化具有兩種不同的模式：常溫應(yīng)變強(qiáng)化模式和低溫應(yīng)變強(qiáng)化模式。本文通過對(duì)應(yīng)變強(qiáng)化基本原理的介紹，對(duì)奧氏體不銹鋼壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行分析探討。

奧氏體不銹鋼壓力容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)

引言

21世紀(jì)以來，我國的不銹鋼產(chǎn)量始終處于上升階段。在不銹鋼總體產(chǎn)量不斷上升的過程中，奧氏體不銹鋼在其中所占據(jù)的比例也逐漸發(fā)展到了總產(chǎn)量的三分之二以上。這種變化導(dǎo)致奧氏體不銹鋼壓力容器價(jià)格不斷攀升。而應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)卻可以通過對(duì)奧氏體不銹鋼材料屈服強(qiáng)度的提升來進(jìn)行材料成本的節(jié)約，進(jìn)而達(dá)到奧氏體不銹鋼壓力容器價(jià)格下降的目的。

1奧氏體不銹鋼壓力容器

1.1奧氏體不銹鋼壓力容器的結(jié)構(gòu)

在最初研制壓力容器的過程中，壓力容器是由上、下兩個(gè)半圓形球體拼接而成的，這兩個(gè)半圓形球體的兩端分別連接著兩條接管。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)應(yīng)變強(qiáng)化過程發(fā)生時(shí)，壓力容器各處的受力情況是相同的，可以保證整個(gè)球體處于一個(gè)均勻膨脹的狀態(tài)中，從而不會(huì)對(duì)壓力容器本身造成較大損傷。而應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)本身所具備的特點(diǎn)，就是容易使容器發(fā)生曲形變化。因此，當(dāng)應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)開始作用于奧氏體不銹鋼材料時(shí)，奧氏體不銹鋼壓力容器幾乎都是由封頭和圓柱形的筒體焊接而成。當(dāng)應(yīng)變強(qiáng)化過程發(fā)生時(shí)，奧氏體不銹鋼壓力容器的封頭和圓柱形筒體部分所能承受壓力的水平和受力狀態(tài)各不相同，因此奧氏體不銹鋼壓力容器中的最大形變一般會(huì)發(fā)生在筒體的中間部分［1］。

1.2奧氏體不銹鋼壓力容器的分類

根據(jù)應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的不同方式，可以將奧氏體不銹鋼壓力容器分為兩類：一類是常溫應(yīng)變強(qiáng)化模式，另一類是低溫應(yīng)變強(qiáng)化模式。

（1）常溫應(yīng)變強(qiáng)化模式。顧名思義，常溫應(yīng)變強(qiáng)化模式是在常溫狀態(tài)下對(duì)奧氏體不銹鋼容器進(jìn)行水壓強(qiáng)化。具體的實(shí)施過程是將奧氏體不銹鋼壓力容器固定在一個(gè)鞍座上，然后向容器中注滿水，最后將增壓泵與奧氏體不銹鋼壓力容器的一端連接起來。當(dāng)達(dá)到強(qiáng)化壓力的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行保壓，直到奧氏體不銹鋼壓力容器發(fā)生充分的變形塑形后，再將其卸載下來。1975年，奧氏體不銹鋼壓力容器的常溫應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)被納入瑞典的應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，隨后又在1999年按照標(biāo)準(zhǔn)增補(bǔ)的形式被納入澳大利亞的標(biāo)準(zhǔn)中［2］。

（2）低溫應(yīng)變強(qiáng)化模式。奧氏體不銹鋼壓力容器的低溫應(yīng)變強(qiáng)化模式，最初是從航空航天領(lǐng)域?qū)ι罾淙萜鬏p量化的要求中發(fā)展進(jìn)化出來的。這種低溫應(yīng)變強(qiáng)化模式始于20世紀(jì)的中后期。應(yīng)變?nèi)萜鞯男阅軙?huì)受到材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自身成分等因素的影響。但是，低溫應(yīng)變強(qiáng)化模式具有一個(gè)很大的弊端，即由于進(jìn)行低溫應(yīng)變強(qiáng)化過程中需要將奧氏體不銹鋼壓力容器完全浸入液氮環(huán)境中，而液氮環(huán)境所需要的成本太高。因此，這種環(huán)境要求一定程度限制了奧氏體不銹鋼壓力容器的低溫應(yīng)變強(qiáng)化模式的推廣發(fā)展。

1.3奧氏體不銹鋼壓力容器的測控方法

（1）常溫應(yīng)變強(qiáng)化模式中奧氏體不銹鋼壓力容器的測控方法。奧氏體不銹鋼壓力容器的常溫應(yīng)變強(qiáng)化模式，一般通過應(yīng)力控制來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)強(qiáng)化壓力計(jì)算出具體應(yīng)變強(qiáng)化壓力的數(shù)值，再通過多任務(wù)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行管理。這種系統(tǒng)不僅降低了對(duì)手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)的依賴，還在一定程度上提高了加工效率。

（2）低溫應(yīng)變強(qiáng)化模式中奧氏體不銹鋼壓力容器的測控方法。對(duì)于低溫應(yīng)變強(qiáng)化方法制造出的奧氏體不銹鋼壓力容器，一般使用控制直徑的方法。由于這個(gè)過程要考慮彈性恢復(fù)問題，因此制造出的模具內(nèi)徑應(yīng)該是奧氏體不銹鋼壓力容器的最大直徑，即當(dāng)對(duì)奧氏體不銹鋼壓力容器進(jìn)行施壓時(shí)，使變形最明顯的部分與模具相接觸，然后記下此刻具體的施壓數(shù)值。隨著奧氏體不銹鋼壓力容器制造工藝的不斷發(fā)展，二維尺寸監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。這種監(jiān)控系統(tǒng)不但可以簡化制造過程，還可以調(diào)節(jié)模具的大小，進(jìn)而制造出一系列不同直徑的容器。

2　應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)

2.1應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的基本原理

從本質(zhì)上看，奧氏體不銹鋼壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)就是利用材料本身的良好可塑性，這種技術(shù)要通過一定的塑性變形過程來提高材料的屈服強(qiáng)度。這個(gè)過程的具體操作就是對(duì)奧氏體不銹鋼材料施加一個(gè)外力的載荷，當(dāng)奧氏體不銹鋼材料的塑性延伸率超過0.2%的時(shí)候，再對(duì)其繼續(xù)進(jìn)行加載，直到奧氏體材料達(dá)到應(yīng)有的強(qiáng)化壓力水平。奧氏體不銹鋼壓力容器在經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)處理后，其安全性能仍然能夠達(dá)到基礎(chǔ)的使用水平。從對(duì)奧氏體不銹鋼壓力容器的強(qiáng)化研究中可以看出，奧氏體不銹鋼壓力容器在經(jīng)過一定的強(qiáng)化處理后仍然可以維持在2.5～4的裕度水平。由于對(duì)奧氏體不銹鋼壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化設(shè)計(jì)和對(duì)奧氏體不銹鋼壓力容器的彈塑性設(shè)計(jì)十分接近，因此可以將應(yīng)變強(qiáng)化設(shè)計(jì)看作是彈性塑性設(shè)計(jì)的一種特例［3］。

2.2應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)處理的奧氏體不銹鋼壓力容器主要具有以下三方面優(yōu)點(diǎn)。

（1）均勻分布的許應(yīng)用力。在焊接、成形等制造過程中，奧氏體不銹鋼材料通常會(huì)殘留少許壓應(yīng)力。因此，在奧氏體不銹鋼材料成形后，一般都需要對(duì)材料進(jìn)行應(yīng)力退火。當(dāng)提高奧氏體不銹鋼材料的許應(yīng)用力時(shí)，可以達(dá)到減輕容器重量的目的，從而提高產(chǎn)品的競爭力和經(jīng)濟(jì)性。

（2）得以改善的力學(xué)性能。在應(yīng)變強(qiáng)化過程中，奧氏體不銹鋼材料會(huì)發(fā)生一定的塑性變形。這種受力形式相對(duì)較為均衡，因此可以使奧氏體不銹鋼容器的整體力學(xué)性能得到更好的改善［4］。

（3）得以提高的疲勞性能。應(yīng)變強(qiáng)化過程本身的特點(diǎn)就是使奧氏體不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度提高，這種特點(diǎn)具有抵抗疲勞破壞能力的作用，也就是說，應(yīng)變強(qiáng)化過程可以提高材料的疲勞性能。

2.3應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用

在對(duì)奧氏體不銹鋼材料進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化處理后，奧氏體不銹鋼材料基本可以達(dá)到高強(qiáng)度鋁合金甚至是鈦合金的強(qiáng)度水平。在對(duì)奧氏體不銹鋼材料進(jìn)行強(qiáng)化處理后，材料重量大幅減輕，而且奧氏體不銹鋼材料本身還具備良好的抵抗強(qiáng)氧化性腐蝕介質(zhì)的能力。因此，經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化后的奧氏體不銹鋼材料成功被應(yīng)用于衛(wèi)星發(fā)射等裝置中。在奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上，慢慢出現(xiàn)了相變誘導(dǎo)塑性鋼，也就是TRIP鋼。這種TRIP鋼是使汽車制造實(shí)現(xiàn)輕量化最理想的材料。目前，這種TRIP鋼已經(jīng)被成功應(yīng)用于汽車縱梁、保險(xiǎn)桿等部件的制造中［5］。

3結(jié)論

對(duì)奧氏體不銹鋼材料進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化處理可以在一定程度上節(jié)省材料，減少運(yùn)輸過程和容器制造過程中的能量耗損。其中，應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)中的常溫應(yīng)變強(qiáng)化模式更加容易實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于低溫應(yīng)變強(qiáng)化模式而言，常溫應(yīng)變強(qiáng)化模式具有更廣闊的應(yīng)用前景。

［1］鄧陽春，陳鋼，楊笑峰，徐彤.奧氏體不銹鋼壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)［J］.化工機(jī)械，2008，（1）：54-59.

［2］鄭津洋，高曉哲，壽比南，等.奧氏體不銹鋼制深冷容器室溫應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)常見問題探討 ［J］.壓力容器，2013，（3）：45-51，62.

［3］韓豫，陳學(xué)東，劉全坤，等.基于應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的奧氏體不銹鋼壓力容器輕型化設(shè)計(jì)探討 ［J］.壓力容器，2010，（9）：16-20，37.

［4］陳國旋.奧氏體不銹鋼壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化承載能力研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2013.

［5］李雅嫻.應(yīng)變強(qiáng)化奧氏體不銹鋼低溫容器材料和成形工藝研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2010.

Strain Hardening of Austenitic Stainless Steel Pressure Vessels

ZHAO Ziyan
（Harbin electric Limited by Share Ltd，Qinhuangdao 066206）

Austenitic stainless steel has good toughness，but its yieldstrengthislow，andthestrainhardeningtechnologycan significantly improve the yield strength of austenitic stainless steel，savingmaterial.Thestrainhardeningofausteniticstainlesssteel pressure vessels has two different modes：normal temperature strain hardening mode and low temperature strain hardening mode.In this paper，basedontheintroductionofthebasicprincipleofthe corresponding variable hardening，the strain hardening technology of austenitic stainless steel pressure vessels is analyzed and discussed.

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