應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)在深冷壓力容器中的應(yīng)用

郭 軍，黃 玲

（1.中車齊齊哈爾車輛有限公司大連中車鐵龍集裝化技術(shù)裝備研發(fā)有限公司，遼寧 大連 116052；2.撫順職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 撫順 113122）

引言

在碳中和目標(biāo)的推動(dòng)下，液化天然氣消費(fèi)快速增長(zhǎng)，2020 年我國(guó)天然氣進(jìn)口總量達(dá)10 166.1 萬(wàn)t，其中冷凍液化天然氣供應(yīng)量為542.7 億m3，比2019 年增加136.1 億m3，增長(zhǎng)率為33.47%。進(jìn)口LNG 液態(tài)供應(yīng)量為323 億m3，較2019 年同期上漲高達(dá)52.62%。2019 年我國(guó)天然氣消費(fèi)量人均為220 m3，為世界平均水平的44%，為美國(guó)的8.1%、俄羅斯的8.4%。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)發(fā)電、工業(yè)用氣比例較低，未來(lái)有較大增長(zhǎng)空間。液化天然氣需求量的快速增長(zhǎng)使其儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備——冷凍液化氣體壓力容器迎來(lái)了廣闊的發(fā)展前景[1]。

1 奧氏體不銹鋼性能及常規(guī)設(shè)計(jì)

奧氏體不銹鋼本身具有良好的韌性和塑性，冷凍液化氣體容器設(shè)計(jì)過(guò)程中選取20 ℃材料許用應(yīng)力值，未能充分利用儲(chǔ)運(yùn)工況下奧氏體不銹鋼承載能力。在應(yīng)用常規(guī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)參數(shù)的選定基于彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的傳統(tǒng)常規(guī)方法，以?shī)W氏體不銹鋼材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，除以對(duì)應(yīng)安全系數(shù)，取其中的最小值作為材料許用應(yīng)力值，這種設(shè)計(jì)方法是在材料屈服極限之內(nèi)限定最危險(xiǎn)截面應(yīng)力，這樣就會(huì)導(dǎo)致許用應(yīng)力值較低，雖然在強(qiáng)度上滿足了容器的安全性，但計(jì)算的容器壁較厚，增加了設(shè)備總重和材料成本[2-3]。

煤油共煉技術(shù)是將渣油、煤焦油等重質(zhì)油類作為煤直接液化溶劑油，加氫裂解生成輕、中質(zhì)油和部分副產(chǎn)物。該工藝是介于重油加氫裂化和煤直接液化之間的工藝。該技術(shù)降低了液化條件，煤種的限制放寬，同時(shí)完成重油裂化和煤液化的雙重任務(wù)[1-5]。

2 應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)

2.1 應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)原理

奧氏體不銹鋼材料的應(yīng)力-應(yīng)變特性如圖1 所示，從曲線中可以看出，奧氏體不銹鋼屈服曲線沒(méi)有明顯的屈服平臺(tái)。設(shè)計(jì)使用時(shí)，其屈服強(qiáng)度取值0.2%的非比例延伸強(qiáng)度σ0.2，按照這種方法設(shè)計(jì)，較低的屈服極限限定了材料許用應(yīng)力值，容器壁計(jì)算結(jié)果非常保守。雖然滿足容器的安全使用要求，但經(jīng)濟(jì)性差，有著較大的優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。

應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)是充分利用奧氏體不銹鋼材料良好塑性，通過(guò)在容器內(nèi)部施加強(qiáng)化壓力使其筒體發(fā)生塑性變形，并穩(wěn)定變形量從而提高材料的屈服強(qiáng)度。具體而言，就是讓奧氏體不銹鋼壓力容器承受足以使材料發(fā)生塑性變形的內(nèi)部載荷，當(dāng)塑性延伸率達(dá)到0.2%之后，繼續(xù)進(jìn)行加載，使其增至σk，這時(shí)材料因發(fā)生了永久塑性變形，當(dāng)作為新材料再次受載時(shí)，σk將成為該奧氏體材料新的屈服強(qiáng)度，如圖1，σk＞σ0.2。試驗(yàn)證明，奧氏體不銹鋼壓力容器經(jīng)過(guò)應(yīng)變強(qiáng)化處理后，設(shè)備總體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性能仍能達(dá)到基礎(chǔ)使用水平[4]。

圖1 奧氏體不銹鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)類型

2）將水泵出口管與容器底部充液口（頸管）連接并緊固牢固，將容器充滿水到最高點(diǎn),讓容器靜止同時(shí)保持排放口打開(kāi)至少15 min，這樣可以讓溶解在水中的氣體逸出；將頂部排放口加滿水,關(guān)閉排放口并封閉容器，頂部安裝校驗(yàn)合格的主輔壓力表；將容器表面用干燥氮?dú)獯蹈?，使容器外表面保持干燥狀態(tài)。

2.2.1 常溫應(yīng)變強(qiáng)化

20 世紀(jì)50 年代瑞典Avesta 公司最早提出了奧氏體不銹鋼壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)，并將其應(yīng)用于壓力容器制造中，接著該公司為這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了專利。1975 年，瑞典將奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)納入壓力容器標(biāo)準(zhǔn)Cold-stretching dirctions。直到90 年代末期，歐美各主要壓力容器標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)陸續(xù)將此技術(shù)以附錄或增補(bǔ)的形式添加進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)中。澳大利亞壓力容器標(biāo)準(zhǔn)AS 1210 在1999 年將室溫應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)以增補(bǔ)形式納入后，2002 年和2013 年，歐盟和美國(guó)也相繼將奧氏體不銹鋼壓力容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)納入到各自的EN 13458-2：2002 附錄C 和ASME VIII-1—2013強(qiáng)制性附錄44 中[4-6]。

3.1.4 豬的室間隔缺損模型 這類模型非常重要，由于這類疾病模型屬于自然發(fā)生，能夠有效模擬人類收縮功能正常的心力衰竭模型[18-19]。

2.2.2 低溫應(yīng)變強(qiáng)化

將無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)與3D實(shí)景建模相結(jié)合，精準(zhǔn)高效地完成項(xiàng)目場(chǎng)地地表建模工作[3]，使道路深化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析計(jì)算、附屬設(shè)計(jì)、管線綜合以及管廊全專業(yè)實(shí)現(xiàn)三維協(xié)同設(shè)計(jì)。管廊全專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)如圖4所示。

低溫應(yīng)變強(qiáng)化指在試驗(yàn)的過(guò)程中選用液氮作為作為強(qiáng)化介質(zhì)，強(qiáng)化過(guò)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，使容器在深冷環(huán)境下達(dá)到要求的應(yīng)變率。低溫應(yīng)變強(qiáng)化僅在航空航天領(lǐng)域容器上有所應(yīng)用，增加了應(yīng)變強(qiáng)化過(guò)程成本，提高了試驗(yàn)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)性，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)變強(qiáng)化都在常溫環(huán)境下進(jìn)行。

2.3 應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)發(fā)展

常溫應(yīng)變強(qiáng)化是指利用常溫介質(zhì)對(duì)奧氏體不銹鋼壓力容器進(jìn)行強(qiáng)化，通常采用水為強(qiáng)化介質(zhì)，將壓力容器放置在一個(gè)對(duì)罐體無(wú)約束托架上，將容器的進(jìn)水口與增壓泵管路連接，注水排氣后對(duì)罐內(nèi)進(jìn)行加壓。當(dāng)對(duì)其內(nèi)部壓力達(dá)到強(qiáng)化壓力（不小于1.5 倍計(jì)算壓力值）時(shí)對(duì)其進(jìn)行保壓，直到奧氏體不銹鋼材料發(fā)生充分的變形塑形，滿足單位時(shí)間內(nèi)變形率要求后將其卸載，即完成常溫強(qiáng)化過(guò)程[1]。

在國(guó)內(nèi)，隨著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》和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》兩部標(biāo)準(zhǔn)先后的頒布，行業(yè)內(nèi)開(kāi)始逐漸了解并接受深冷壓力容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)，促進(jìn)了其在生產(chǎn)中的普及應(yīng)用[7-8]。

3 應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)在深冷壓力容器中的應(yīng)用

3.1 適用規(guī)范選擇

EZH2高表達(dá)組乳腺癌患者組織中miR-200c mRNA表達(dá)水平較EZH2低表達(dá)組明顯降低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05);轉(zhuǎn)染siAFAP-EZH2后的乳腺癌細(xì)胞miR-200c mRNA表達(dá)水平明顯高于control組和空白組(P＜0.05)。見(jiàn)表3。

表1 規(guī)范適用范圍差異

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)冷凍液化氣體容器進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化設(shè)計(jì)和常規(guī)設(shè)計(jì)，比較計(jì)算壓力筒體材料厚度的影響。以SA240 304&GB/T 24511 S30408 奧氏體不銹鋼內(nèi)容器為例，設(shè)定其計(jì)算厚度4 mm～16 mm，設(shè)計(jì)溫度-196 ℃，介質(zhì)為液氮，內(nèi)容器內(nèi)徑2 000 mm，筒體長(zhǎng)度6 000 mm，焊縫系數(shù)1.0，制造過(guò)程中使用了應(yīng)變強(qiáng)化工藝技術(shù)，根據(jù)中徑公式推算計(jì)算壓力1.0 MPa～4.3 MPa，采用GB/T150.3、GB/T 18442.7 和ASME Ⅷ-1 UG-27、ASMEⅧ-1 強(qiáng)制附錄44 接受的許用應(yīng)力值計(jì)算不同壓力下筒體厚度，對(duì)設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)對(duì)比見(jiàn)表2。從表2 中可見(jiàn)，不同設(shè)計(jì)方法下材料的許用應(yīng)力值偏差較大，為便于計(jì)算結(jié)果比較，選擇GB/150 Rp1.0、ASME Ⅷ-1 和ASME 附錄44 三種典型材料的許用應(yīng)力值來(lái)計(jì)算同一材料在適用不同設(shè)計(jì)規(guī)范和不同壓力下容器壁的計(jì)算厚度，計(jì)算結(jié)果及趨勢(shì)見(jiàn)圖2 所示[8]。

表2 主要規(guī)范許用應(yīng)力值

圖2 不同壓力下容器壁厚度變化趨勢(shì)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看到，材料許用應(yīng)力取值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，常規(guī)設(shè)計(jì)與采用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)設(shè)計(jì)在材料的許用應(yīng)力值大幅提高，與GB150.2 允許的Rp1.0和ASME 第二卷D 篇表1A 中的允許的值相比分別提高了63.5%和95.7%。采用應(yīng)變強(qiáng)化工藝提高許用應(yīng)力值的容器壁厚最小，采用ASME D 篇中的許用應(yīng)力值時(shí)容器壁厚最大。該臺(tái)奧氏體不銹鋼材料儲(chǔ)罐采用應(yīng)變強(qiáng)化工藝，在計(jì)算過(guò)程中可使用較高的材料許用應(yīng)力值，引用相同公式設(shè)計(jì)殼體壁厚減薄量接近約40%～50%，而隨著計(jì)算壓力的升高在工程應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)效益更近明顯。

課程開(kāi)設(shè)時(shí)間安排在第4學(xué)期，在學(xué)習(xí)“無(wú)機(jī)與分析化學(xué)”“有機(jī)化學(xué)”“生物化學(xué)”和“茶葉生化”之后學(xué)習(xí)該課程，學(xué)習(xí)內(nèi)容連貫，教學(xué)效果好，同時(shí)也為后修“制茶學(xué)”“茶葉深加工與綜合利用”“畢業(yè)論文”等課程打好基礎(chǔ)。課程的理論教學(xué)為32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)為16學(xué)時(shí)。

3.3 應(yīng)變強(qiáng)化工藝過(guò)程

在對(duì)罐體進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化前需要進(jìn)行準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)備相同量程刻度極限為強(qiáng)化壓力的1.5～3.0 倍壓力表2 塊；準(zhǔn)備校正用的測(cè)量卷尺（最小刻度至少達(dá)到1 mm）；復(fù)核罐體狀態(tài)要滿足各項(xiàng)試驗(yàn)要求，檢查試驗(yàn)平臺(tái)要保證通訊正常。

氧化銅作為釉里紅顏料所用的著色劑，漢代出土的陶器從陶土上就可以看出，在漢代已經(jīng)開(kāi)始大量使用。氧化銅在低溫氧化氣氛中出現(xiàn)綠色，可在高溫還原氣氛中能產(chǎn)生紅色。根據(jù)考古學(xué)者提供的資料，我國(guó)率先采用氧化銅作為發(fā)色劑是在唐朝長(zhǎng)沙銅官窯。長(zhǎng)沙銅官窯已經(jīng)開(kāi)始使用氧化銅在釉下繪制，在高溫還原氣氛中燒出類似釉里紅效果的瓷器，但由于唐朝時(shí)期的胎質(zhì)和釉料以及燒窯技術(shù)都無(wú)法和元朝時(shí)期的景德鎮(zhèn)制瓷技術(shù)相比。

1）罐體增壓前排凈內(nèi)部空氣，測(cè)量卷尺分別纏住每節(jié)筒體可能變形量最大的位置。這個(gè)位置通常是縱向中心位置，卷尺必須能在拉伸過(guò)程中周向伸長(zhǎng)。

3）增壓前在記錄表內(nèi)記錄下每個(gè)筒節(jié)的初始數(shù)據(jù)，之后罐內(nèi)加壓，達(dá)到冷拉伸壓力后維持這一壓力；初期可每間隔15 min 測(cè)量一次，增壓90 min 后記錄間隔應(yīng)縮短到5 min，直到容器的環(huán)向應(yīng)變率小于0.1%/h，保證大于等于1 h 的壓力維持時(shí)間。

奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化包括常溫應(yīng)變強(qiáng)化和低溫應(yīng)變強(qiáng)化。

培訓(xùn)實(shí)施階段：培訓(xùn)實(shí)施階段是定制式鄉(xiāng)村旅游培訓(xùn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在此階段，培訓(xùn)教師要根據(jù)事前制定的培訓(xùn)方案實(shí)施培訓(xùn)。培訓(xùn)過(guò)程要多采用啟發(fā)式培訓(xùn)、實(shí)操式培訓(xùn)等培訓(xùn)新方法、新手段。在培訓(xùn)結(jié)束之前，應(yīng)安排集體討論、答疑解惑與成果展示等環(huán)節(jié)，進(jìn)一步完善培訓(xùn)工作，加深學(xué)員培訓(xùn)記憶。

不同適用規(guī)范對(duì)強(qiáng)化技術(shù)適用范圍、材料、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝過(guò)程、控制項(xiàng)點(diǎn)及檢驗(yàn)等方面要求有所不同，在產(chǎn)品中使用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)注意不同設(shè)計(jì)規(guī)范間的差異，并根據(jù)產(chǎn)品差異確定是否使用該技術(shù)。在境內(nèi)使用的應(yīng)變強(qiáng)化設(shè)備設(shè)計(jì)與制造強(qiáng)制遵循GB/T 18442.7 或T/CATSI 05001 兩部標(biāo)準(zhǔn)，境外使用的產(chǎn)品根據(jù)注冊(cè)地法規(guī)可選擇當(dāng)?shù)亟邮艿囊?guī)范。相對(duì)其他規(guī)范，ASME 在全球接受范圍更廣，取得ASME 認(rèn)證審核的工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品才能被大部分國(guó)際工程公司及業(yè)主認(rèn)可和采購(gòu)。目前，國(guó)內(nèi)有近千家工廠獲得ASME 證書和鋼印，所以，選擇以ASME 規(guī)范來(lái)進(jìn)行國(guó)內(nèi)外應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)差異對(duì)比，如表1 所示[7]。

應(yīng)變率可按下方公式計(jì)算：

首次應(yīng)變率=（筒體剛達(dá)到冷拉伸壓力時(shí)的周長(zhǎng)-筒體冷拉伸前周長(zhǎng)）/筒體冷拉伸前周長(zhǎng)×100%；

中間應(yīng)變率=（本次筒體周長(zhǎng)-上一次筒體周長(zhǎng)）/上一次筒體周長(zhǎng)×100%；

每小時(shí)應(yīng)變率=應(yīng)變率×60/間隔時(shí)間×100%。

要求不同適用規(guī)范的壓力容器在監(jiān)管上有所區(qū)別，在設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)化工藝時(shí)，制造單位需要根據(jù)適用規(guī)范的要求約請(qǐng)?zhí)貦z人員現(xiàn)場(chǎng)鑒證。操作人員在監(jiān)管平臺(tái)上輸入設(shè)計(jì)壓力、強(qiáng)化壓力等設(shè)計(jì)參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)傳感器自動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)化過(guò)程數(shù)據(jù)記錄，并將相關(guān)信息實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)管系統(tǒng)。試驗(yàn)合格后，質(zhì)檢人員應(yīng)在系統(tǒng)中給予確認(rèn)簽字。ASME 規(guī)范不要求制造商將工藝數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳，但同樣要求檢驗(yàn)師進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鑒證并在冷拉伸報(bào)告上簽字確認(rèn)。

4 總結(jié)及建議

應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)在保證材料低溫良好性能的基礎(chǔ)上，能夠有效地提高奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度，大幅度提高材料的許用應(yīng)力，改善材料力學(xué)性能，提高疲勞強(qiáng)度和抵抗強(qiáng)氧化性腐蝕介質(zhì)的能力，減小奧氏體不銹鋼壓力容器的設(shè)計(jì)壁厚，減輕容器的質(zhì)量，降低重容比，減少容器制造與運(yùn)輸過(guò)程中的能耗，對(duì)實(shí)現(xiàn)低溫壓力容器的輕型化設(shè)計(jì)具有重要意義。

但應(yīng)變強(qiáng)化過(guò)程也會(huì)增加附加成本，如強(qiáng)化工藝用水的消耗、人工成本的增加及制造周期的延長(zhǎng)等。制造商應(yīng)計(jì)算采用強(qiáng)化工藝造成與常規(guī)設(shè)計(jì)相比較成本的平衡點(diǎn)，根據(jù)成本核算結(jié)果是否有必要采用強(qiáng)化工藝。一般小容積、低壓力的儲(chǔ)罐采用強(qiáng)化工藝經(jīng)濟(jì)效益不明顯，減少材料用量節(jié)約的成本有可能小于或接近因工藝復(fù)雜度增加而帶來(lái)的成本提升。