奧氏體不銹鋼壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)

廖文權(quán)

（南寧廣發(fā)重工集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001）

奧氏體不銹鋼壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)

廖文權(quán)

（南寧廣發(fā)重工集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001）

奧氏體不銹鋼材料的強(qiáng)度較低，運(yùn)用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)，可以提升材料的屈服強(qiáng)度，在一定程度上減少材料的消耗。目前，在奧氏體不銹鋼壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化中存在著兩種不同的強(qiáng)化模式：一是常溫應(yīng)變強(qiáng)化模式Avesta；二是低溫應(yīng)變強(qiáng)化模式Ardeform。文章對(duì)奧氏體不銹鋼壓力應(yīng)變強(qiáng)化的基本原理進(jìn)行了分析，并對(duì)壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行了討論。

奧氏體不銹鋼；壓力容器；應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)；屈服強(qiáng)度；材料消耗；承壓設(shè)備

承壓設(shè)備在能源行業(yè)中處于核心地位，其穩(wěn)定可靠運(yùn)行影響著石油、核電等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而在承壓設(shè)備的設(shè)計(jì)構(gòu)造中，壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)發(fā)揮著非常重要的作用。奧氏體不銹鋼本身具備良好的綜合性能，一般作為極端環(huán)境下壓力容器的結(jié)構(gòu)材料，不過(guò)考慮到其本身的較低的屈服強(qiáng)度，需要運(yùn)用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)來(lái)進(jìn)行強(qiáng)化。

1 奧氏體不銹鋼概述

奧氏體不銹鋼屬于一種特殊的不銹鋼，其在常溫下具有奧氏體的特征，本身不存在磁性，強(qiáng)度相對(duì)較低，但是韌性和塑性較好，如果在其中加入S、Se等元素，則會(huì)具備良好的切削性。如果在奧氏體不銹鋼中加入Cu、Mo等元素，可以提升其耐酸性介質(zhì)的腐蝕能力，尤其是高硅的奧氏體不銹鋼，對(duì)于濃硝酸同樣有著良好的耐蝕性。而憑借著良好的綜合性能，奧氏體不銹鋼在越來(lái)越多的行業(yè)和領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2 奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化原理

由于本身構(gòu)造的特殊性，奧氏體不銹鋼的應(yīng)力應(yīng)變行為與普通鋼材有著很大的不同，不存在相應(yīng)的屈服平臺(tái)，因此屈服強(qiáng)度以及強(qiáng)拉強(qiáng)度之間的應(yīng)變硬化段相對(duì)較差，在室溫條件下延伸率可以達(dá)到40%以上。而在傳統(tǒng)壓力容器設(shè)計(jì)中，采用的是基于彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的方法，對(duì)危險(xiǎn)截面的應(yīng)力范圍進(jìn)行限定，以此來(lái)提升壓力容器的承壓上限，在具體的操作中，一般是增加壓力容器的壁厚，降低應(yīng)力，不過(guò)這種方式會(huì)加大對(duì)于材料的消耗。奧氏體不銹鋼本身的價(jià)格較為昂貴，因此如果繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，必然無(wú)法滿足實(shí)際需求。

在這種情況下，設(shè)計(jì)人員一般會(huì)通過(guò)試加載以及卸載的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)于奧氏體不銹鋼材料的永久性塑性變形，確保材料本身的屈曲強(qiáng)度能夠達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，而在壓力容器制造完成后，結(jié)合常溫水處理進(jìn)行強(qiáng)化，可以進(jìn)一步提升奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度。通過(guò)這樣的方式，能夠在保證壓力容器性能和使用安全的前提下，減少20%～50%的材料用量。奧氏體不銹鋼的應(yīng)變強(qiáng)化特性使得其在橋梁、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，而在壓力容器方面的應(yīng)用同樣取得了一定的成果，具體來(lái)講，體現(xiàn)在兩種不同的應(yīng)變強(qiáng)化模式，即Avesta模式和Ardeform模式。

3 奧氏體不銹鋼壓力容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)

3.1 Avesta模式

Avesta模式的基本原理，是將奧氏體不銹鋼壓力容器在常溫環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化水壓試驗(yàn)，引發(fā)出8%～10%的塑性變形，以此來(lái)提升奧氏體不銹鋼材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，由于其本身可以在常溫下進(jìn)行，因此被稱為常溫應(yīng)變強(qiáng)化或者Avesta模式。這種強(qiáng)化模式下制作出的壓力容器一般以民用為主，可以儲(chǔ)存液氧、液氮等介質(zhì)。

以瑞典應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器標(biāo)準(zhǔn)CSD為例，在Avesta模式下，奧氏體不銹鋼材料的用量在304～316L之間，最大壁厚為30mm，最大運(yùn)行溫度為400℃。在延伸率不低于35%的情況下，退火態(tài)材料σ0.2在210MPa左右。以應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化后，屈服強(qiáng)度的取值約為410MPa，然后可以依照常規(guī)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。應(yīng)變強(qiáng)化水壓試驗(yàn)中，試驗(yàn)的壓力數(shù)值可以根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算得到：

在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中還指出，對(duì)試樣進(jìn)行單向拉伸，最大10%的應(yīng)變基本可以滿足材料新的屈服強(qiáng)度，而平面應(yīng)力則可以依照Mises屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)變的比例關(guān)系如表1所示：

表1 應(yīng)力與應(yīng)變的比例關(guān)系

在CSD標(biāo)準(zhǔn)中，為了確保材料新的屈服強(qiáng)度σk的取值可靠，對(duì)求容器的最大應(yīng)變?yōu)?%，對(duì)圓筒容器的環(huán)向最大應(yīng)變?yōu)?.7%，而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大應(yīng)變?yōu)?0。在實(shí)際壓力容器的制作中，圓筒容器的最大應(yīng)變一般在3%～5%，導(dǎo)致這種情況的原因是多方面的：一是材料本身的σk對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)值偏大；二是在壓力容器的制作環(huán)節(jié)，存在著壁板厚度的偏差，計(jì)算圓整后有一定的余量；三是封頭與接管等的存在起到了一定的強(qiáng)化作用。在技術(shù)發(fā)展的帶動(dòng)下，1991年，瑞典CSD標(biāo)準(zhǔn)新修訂版中不再需要確認(rèn)材料新的屈服強(qiáng)度值，僅僅只需要根據(jù)應(yīng)變強(qiáng)化σk，對(duì)水壓試驗(yàn)所需的壓力進(jìn)行計(jì)算即可。

3.2 Ardeform模式

Ardeform模式指將退火態(tài)301奧氏體不銹鋼壓力容器放置在－196℃的環(huán)境下，進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)變強(qiáng)化水壓試驗(yàn)，會(huì)產(chǎn)生10%～13%的塑性變形，能夠有效提升301鋼的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，如果必要，可以在427℃的高溫環(huán)境下對(duì)材料進(jìn)行20h的時(shí)效處理，可以更進(jìn)一步地對(duì)材料的強(qiáng)度進(jìn)行提升。這種模式強(qiáng)化的奧氏體不銹鋼材料一般用于比較特殊的領(lǐng)域，如航空航天領(lǐng)域，其使用介質(zhì)同樣是液氮、液氧和液氫等。

Arde-Portland公司對(duì)于該模式有著較為深入的研究，將同樣尺寸的鋼球放置在－196℃的環(huán)境下，單純進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化后而沒(méi)有經(jīng)過(guò)其他處理，于室溫環(huán)境下放置2h以上，在－196℃的超低溫下爆破，相比較應(yīng)變強(qiáng)化應(yīng)力，屈服應(yīng)力有所上升，雖然上升的幅度極小，但是至少也證明了室溫下同樣存在一定的時(shí)效作用。而在427℃的高溫環(huán)境下對(duì)材料進(jìn)行20h的時(shí)效處理后，屈服應(yīng)力的提升相當(dāng)顯著，而且會(huì)隨著應(yīng)變強(qiáng)化應(yīng)力而發(fā)生相應(yīng)的變化。對(duì)于退火態(tài)的球容器，在－196℃爆破時(shí)，產(chǎn)生的屈服應(yīng)力既是引發(fā)應(yīng)變強(qiáng)化的初始應(yīng)力，同時(shí)也是材料在相應(yīng)溫度下的屈服應(yīng)力。而在爆破時(shí)，應(yīng)力本身并不高，不過(guò)考慮材料減薄，依照真應(yīng)力計(jì)算，爆破時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)該與應(yīng)變強(qiáng)化球的應(yīng)力保持一致。如果在常溫下進(jìn)行爆破試驗(yàn)，在沒(méi)有經(jīng)過(guò)時(shí)效處理的情況下，球容器的屈服應(yīng)力應(yīng)該從其原本的應(yīng)變強(qiáng)化應(yīng)力進(jìn)行分析；而在經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，球容器的屈服應(yīng)力和爆破應(yīng)力均比較高。選擇光滑試樣進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)，在－196℃的條件下，應(yīng)變強(qiáng)化應(yīng)力逐漸增大，室溫拉伸屈服強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度也會(huì)逐漸增加，與沒(méi)有經(jīng)過(guò)時(shí)效處理的試樣相比，經(jīng)過(guò)時(shí)效處理的試驗(yàn)擁有更高的屈服和抗拉強(qiáng)度。為了對(duì)雙向應(yīng)力進(jìn)行研究，這里在試樣上制作出缺口，然后進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變強(qiáng)化應(yīng)力增加時(shí)，時(shí)效試樣的屈服應(yīng)力并沒(méi)有發(fā)生很大的變化，而沒(méi)有經(jīng)過(guò)時(shí)效處理的試樣屈服強(qiáng)度有所增加，也表明了室溫同樣具有一定的強(qiáng)化效應(yīng)。

在－196℃的條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在沒(méi)有經(jīng)過(guò)時(shí)效處理時(shí)，光滑試樣與缺口試樣的抗拉強(qiáng)度比值會(huì)隨著強(qiáng)化時(shí)應(yīng)力的增大而減小，反之，如果經(jīng)過(guò)了時(shí)效處理，比值會(huì)隨著應(yīng)力的增大而增大。對(duì)其進(jìn)行分析，可以得到三個(gè)比較關(guān)鍵的結(jié)論：一是可以通過(guò)低溫強(qiáng)化的方法來(lái)提升奧氏體不銹鋼材料的強(qiáng)度，制造出滿足實(shí)際要求的壓力容器；二是在沒(méi)有經(jīng)過(guò)時(shí)效處理的情況下，對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化，在－196℃的條件下存在較高的缺口韌性；三是對(duì)于經(jīng)過(guò)時(shí)效處理的奧氏體不銹鋼，經(jīng)應(yīng)變強(qiáng)化后，無(wú)論是在室溫還是在－196℃的環(huán)境下，都具有較高的強(qiáng)度。

3.3 模式對(duì)比

將對(duì)兩種強(qiáng)化模式進(jìn)行對(duì)比，Avesta模式可以在室溫下進(jìn)行，強(qiáng)化前不需要對(duì)容器進(jìn)行高溫淬火處理，而且應(yīng)變強(qiáng)化在3%～5%，對(duì)于材料韌性等并沒(méi)有很大的影響，強(qiáng)化程度相當(dāng)有限，一般用于民用領(lǐng)域壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化；Ardeform模式需要在－196℃的液氮低溫環(huán)境下進(jìn)行，應(yīng)變強(qiáng)化前需要對(duì)容器進(jìn)行高溫淬火處理，應(yīng)變強(qiáng)化量實(shí)際在10%左右，在強(qiáng)化處理后通常需要經(jīng)過(guò)427℃、20h的時(shí)效處理，提升強(qiáng)化的效果。Ardeform模式對(duì)于材料的韌性等影響較大，強(qiáng)化效果更加明顯，一般用于航天領(lǐng)域。

不過(guò)，兩種模式也存在著一定的相同點(diǎn)：一是從原理上都利用了材料的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)；二是在強(qiáng)化后，將材料作為一種全新的材料考慮，分析其新性能和屈服應(yīng)力；三是強(qiáng)化后，整體結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)較為明顯的塑性變形情況，而在對(duì)容器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不需要考慮幾何變形可能帶來(lái)的影響，可以依照變性前的幾何尺寸，結(jié)合通常壓力容器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，奧氏體不銹鋼材料作為一種綜合性能良好的材料，在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，不過(guò)其本身較低的強(qiáng)度也在一定程度上限制了材料性能的充分發(fā)揮，盲目地增加材料用量只會(huì)導(dǎo)致成本的增加。在這種情況下，可以在奧氏體不銹鋼壓力容器的設(shè)計(jì)中引入應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)，提升材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，有效節(jié)約材料的用量，應(yīng)該得到足夠的重視和更加深入的研究創(chuàng)新，推動(dòng)應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)效果的持續(xù)提高。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）

TQ051

1009-2374（2017）12-0034-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.018

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