奧氏體不銹鋼壓力容器應(yīng)變強(qiáng)化若干問題探討

李青青繆存堅(jiān)曉風(fēng)清張 瀟鄭津洋

（1. 浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所 杭州 310027）

（2. 浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 杭州 310020）

奧氏體不銹鋼壓力容器應(yīng)變強(qiáng)化若干問題探討

李青青1繆存堅(jiān)2曉風(fēng)清1張 瀟1鄭津洋1

（1. 浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所 杭州 310027）

（2. 浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 杭州 310020）

應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)可大幅提高奧氏體不銹鋼的許用應(yīng)力，減薄容器壁厚，實(shí)現(xiàn)輕量化。經(jīng)過十多年的努力，我國已成功實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。本文結(jié)合國內(nèi)外近些年的研究成果與實(shí)踐，分別對試樣預(yù)拉伸方式、筒體周向應(yīng)變測量位置、標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭選材和制造工藝等若干問題進(jìn)行探討，并提出了相關(guān)建議。

應(yīng)變強(qiáng)化 奧氏體不銹鋼 預(yù)拉伸 周向應(yīng)變 橢圓形封頭

深冷容器廣泛應(yīng)用于石油、化工、能源、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域。輕量化秉承安全與經(jīng)濟(jì)并重、安全與資源節(jié)約并重、綠色制造為設(shè)計(jì)理念，在確保安全的前提下，減少材料成本、減輕容器重量，是深冷壓力容器的主導(dǎo)發(fā)展方向[1]。

將奧氏體不銹鋼拉伸到產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)再次加載時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線將沿著卸載曲線上升，從而提高材料的屈服強(qiáng)度。應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)正是基于這一原理，在室溫下對成型后奧氏體不銹鋼深冷壓力容器內(nèi)容器進(jìn)行超壓處理，使其產(chǎn)生一定量的塑性變形，從而提高其屈服強(qiáng)度，達(dá)到提高許用應(yīng)力、減薄容器壁厚、降低重量的目的。歐盟、美國、澳大利亞等國家和地區(qū)已頒布了相關(guān)應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。

經(jīng)過十多年的努力，我國已攻克了深冷壓力容器內(nèi)容器非線性設(shè)計(jì)、應(yīng)變強(qiáng)化工藝、強(qiáng)化參數(shù)控制等應(yīng)變強(qiáng)化關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了深冷壓力容器的輕量化和產(chǎn)業(yè)化[5]。但是該技術(shù)在實(shí)踐過程中，仍存在若干問題有待探討，如試樣預(yù)拉伸方式、筒體周向應(yīng)變測量位置、標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭選材和制造工藝等，故本文結(jié)合國內(nèi)外近些年的研究成果與實(shí)踐，對以上問題進(jìn)行探討并提出了相關(guān)建議。

1 試樣預(yù)拉伸方式

與傳統(tǒng)的壓力容器不同，應(yīng)變強(qiáng)化時(shí)容器將發(fā)生塑性變形。為模擬塑性變形，研究材料及焊接工藝對應(yīng)變強(qiáng)化的適應(yīng)性，在材料選取及焊接工藝評定中需在拉伸、彎曲、沖擊試驗(yàn)前對試樣進(jìn)行預(yù)拉伸。

目前試樣預(yù)拉伸方式主要有以下三種：1）9%應(yīng)變控制，即將試樣加載至9%總應(yīng)變后卸載，如圖1中O-A-D曲線所示；2）410MPa強(qiáng)化應(yīng)力控制，即將試樣加載至410MPa強(qiáng)化應(yīng)力后，保持應(yīng)力恒定直至試樣應(yīng)變達(dá)到穩(wěn)定，如圖1中的O-A-C曲線所示；3）430MP終止應(yīng)力控制，即將試樣拉伸至430MPa終止應(yīng)力后直接卸載，如圖1中的O-A-B曲線所示。

圖1 三種試樣預(yù)拉伸方式

1.1 預(yù)拉伸方式比較

研究表明[6]：9%應(yīng)變控制后的材料若能滿足力學(xué)性能要求，則強(qiáng)化應(yīng)力控制后的材料亦能；反之，則不一定。根據(jù)圖1所示曲線，三種預(yù)拉伸方式下拉伸結(jié)果見表1，即材料在加載過程中達(dá)到的最大應(yīng)變分別為：9%、5.87%、4.83%。

表1 S30408奧氏體不銹鋼材料不同預(yù)拉伸方式比較

考慮到材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線受到板厚、化學(xué)成分等因素的影響，與終止應(yīng)力430MPa對應(yīng)的最大應(yīng)變并非定值。圖2給出了四種不同爐批S30408奧氏體不銹鋼板材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線（拉伸速率3×10-4/s）。由圖可知，采用430MPa終止應(yīng)力控制，加載過程中達(dá)到的最大應(yīng)變分別為3.93%、4.80%、6.91%、8.19%，均小于9%。

圖2 S30408工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

因此從塑性消耗角度考慮，9%應(yīng)變控制方式試樣預(yù)變形程度最大。從操作角度來看，9%應(yīng)變控制與終止應(yīng)力控制方式易于操作，完成預(yù)拉伸所需時(shí)間短，而強(qiáng)化應(yīng)力控制方式則操作困難且耗時(shí)。

1.2 應(yīng)變強(qiáng)化容器的應(yīng)力和應(yīng)變

應(yīng)變強(qiáng)化后容器會(huì)發(fā)生整體塑性變形。例如，一臺(tái)工業(yè)規(guī)模S30408奧氏體不銹鋼低溫壓力容器，直徑1500mm，名義厚度6mm，強(qiáng)化壓力3.72MPa，強(qiáng)化后容器實(shí)測最大周向應(yīng)變?yōu)?.64%，轉(zhuǎn)換成等效塑性應(yīng)變?yōu)?.48%，該強(qiáng)化壓力下的最大等效應(yīng)力為481MPa。若采用410MPa強(qiáng)化應(yīng)力控制與430MPa終止應(yīng)力控制方式均將無法覆蓋上述情況。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)變的控制

AS1210-2010[4]附錄L《應(yīng)變強(qiáng)化奧氏體不銹鋼容器》中規(guī)定：容器應(yīng)變強(qiáng)化后應(yīng)變集中部位的殘余應(yīng)變不得超過10%。我國應(yīng)變強(qiáng)化深冷容器內(nèi)容器均為薄壁圓筒容器，在實(shí)踐中也要求通過計(jì)算或者試驗(yàn)證明應(yīng)變強(qiáng)化后容器最大應(yīng)變不超過9%[5]。對于承受內(nèi)壓的薄壁圓柱形容器，圓筒處于兩向應(yīng)力狀態(tài)，周向應(yīng)變和等效應(yīng)變的比值為0.87[3]，9%的單向拉伸應(yīng)變相當(dāng)于10.34%的等效應(yīng)變。因此，9%應(yīng)變法可覆蓋標(biāo)準(zhǔn)中的10%。

綜上所述，9%應(yīng)變控制方式最為嚴(yán)格，且節(jié)省時(shí)間，易于操作。因此，試樣預(yù)拉伸時(shí)建議采用9%應(yīng)變控制。

2 筒體周向應(yīng)變測量位置

S30408奧氏體不銹鋼材料具有明顯的室溫蠕變行為，在強(qiáng)化應(yīng)力作用下引起的蠕變量通?？蛇_(dá)1%～2%，從而影響內(nèi)外容器的套裝與絕熱效果，因此在應(yīng)變強(qiáng)化工藝中必須嚴(yán)格監(jiān)測筒體周向應(yīng)變。目前工程上通常在每一筒節(jié)中部進(jìn)行周向應(yīng)變監(jiān)測，通過鋼尺測量各處周長的變化量來判斷容器是否達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。該方法需要多點(diǎn)測量，較為繁瑣，故基于材料蠕變特性，提出一種簡便而準(zhǔn)確的筒體周向應(yīng)變監(jiān)測方法，從而簡化應(yīng)變強(qiáng)化工藝。

2.1 奧氏體不銹鋼室溫蠕變特性

研究表明：進(jìn)入屈服狀態(tài)后，奧氏體不銹鋼材料的室溫蠕變速率與所受應(yīng)力成正相關(guān)[7]。以“最后15min內(nèi)應(yīng)變率不超過0.1%/h（0.2778με·s-1）” 作為材料達(dá)到變形穩(wěn)定的條件[2-4]，即圖3所示材料保壓時(shí)間-蠕變速率曲線與虛線的交點(diǎn)為材料形狀達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。由圖可知，在240～580MPa應(yīng)力范圍內(nèi)，進(jìn)入塑性區(qū)的材料在達(dá)到穩(wěn)定前，同一時(shí)刻的蠕變速率隨應(yīng)力的增加而增加，且蠕變速率下降的速度隨著應(yīng)力的增加而減緩，即應(yīng)力越大，保壓階段內(nèi)蠕變速率達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越長。因此可知，強(qiáng)化加載后容器周長變化量最大處即為加載時(shí)所受應(yīng)力最大的位置，也是筒體達(dá)到變形穩(wěn)定所需最長時(shí)間的位置。

圖3 S30408奧氏體不銹鋼材料保壓階段內(nèi)時(shí)間-蠕變速率關(guān)系

2.2 容器周長變化量和時(shí)間的關(guān)系

奧氏體不銹鋼制深冷壓力容器在應(yīng)變強(qiáng)化過程中也呈現(xiàn)出上述室溫蠕變特性。例如，某工業(yè)規(guī)模S30408奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器直徑1500mm，名義厚度6mm，鋼尺分布位置如圖4所示，考慮到右側(cè)筒節(jié)墊板尺寸較大，故布置兩條鋼尺測量。

圖4 試驗(yàn)容器周長變化測量位置（S1-S4）

測量過程中每隔5min進(jìn)行一次周長變化量測量，容器最終達(dá)到穩(wěn)定時(shí)周向應(yīng)力、周長變化量(保壓階段內(nèi)發(fā)生的變化)及所需時(shí)間見表2。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，保壓階段內(nèi)最大周長變化量位置出現(xiàn)在S1處，即筒體周向應(yīng)力最大處，其周長變化量最大，達(dá)到變形穩(wěn)定所需的時(shí)間也最長。

表2 筒體各測量位置達(dá)到變形穩(wěn)定時(shí)的參數(shù)

據(jù)此，浙江大學(xué)發(fā)明了一種新的應(yīng)變強(qiáng)化保壓時(shí)間預(yù)測和監(jiān)測方法[8]。在應(yīng)變強(qiáng)化工藝中對筒體進(jìn)行周向應(yīng)變監(jiān)測時(shí)，僅需關(guān)注其周向應(yīng)力最大處的周長變化率，若該處達(dá)到變形穩(wěn)定，則容器整體也達(dá)到變形穩(wěn)定，無需在每個(gè)筒節(jié)處進(jìn)行測量，從而實(shí)現(xiàn)了周長監(jiān)測由多點(diǎn)向單點(diǎn)的轉(zhuǎn)變，簡化了應(yīng)變強(qiáng)化工藝。

3 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭選材和制造工藝

深冷壓力容器多采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，其性能的好壞直接影響容器的安全性。研究發(fā)現(xiàn)[9]，對于亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼封頭，其失效與直邊段馬氏體含量較高有關(guān)，主要在封頭沖壓過程中由材料形變誘發(fā)生成，使得材料塑性、韌性降低[9-13]。工程上多測量材料的FN（Ferrite Number）值來表征封頭馬氏體含量[14]。由于材料形變誘發(fā)馬氏體主要受材料化學(xué)成分、應(yīng)變量、變形溫度等因素影響[15]，因而可以考慮從以上三個(gè)方面來降低封頭沖壓過程中馬氏體相變。

3.1 材料選用

鎳作為奧氏體穩(wěn)定化元素，能有效遏制奧氏體的馬氏體相變。研究表明[16]：對于奧氏體不銹鋼，隨著鎳含量的提高，冷變形過程中生成的形變誘發(fā)馬氏體相變量減少，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms降低，低溫下奧氏體組織穩(wěn)定性提高。

GB 24511—2009《承壓設(shè)備用不銹鋼板及鋼 帶》[17]中 規(guī) 定，S31608和 S31603鎳 含 量 為10.00%～14.00%，S30408和 S30403鎳含量分別為8.00%～10.00%、8.00%～12.00%。且隨著應(yīng)變量的增加，316材料形變誘發(fā)馬氏體相含量遠(yuǎn)小于304材料[18]。

由此可見，奧氏體不銹鋼316系列比304系列鎳含量更高，冷變形過程組織更穩(wěn)定，不易發(fā)生形變誘發(fā)馬氏體相變。選用S31608或者S31603奧氏體不銹鋼，可提高封頭的安全性。

3.2 沖壓引起的塑性應(yīng)變

浙江大學(xué)基于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭冷沖壓過程數(shù)值模擬與大量試驗(yàn)研究，提出了塑性應(yīng)變預(yù)測公式[19]，并選取GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》中不同規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭（公稱直徑從350mm至3000mm，名義厚度從5mm至32mm，共計(jì)50個(gè)），與國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算公式進(jìn)行塑性應(yīng)變預(yù)測比較[2,20-22]，見圖5、表3。

圖5 不同預(yù)測方法的計(jì)算結(jié)果

表3 不同預(yù)測方法得到的塑性應(yīng)變比較

由以上圖5和表3可知，采用GB 150—2011和ASME BPVC VIII-1-2013的計(jì)算結(jié)果均小于數(shù)值模擬值，平均相對誤差為-77%；采用美國EN13445-2014和ASME BPVC VIII-2-2013的計(jì)算結(jié)果較前者精確，但數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，最大誤差為60.6%；浙江大學(xué)提出的預(yù)測方法平均相對誤差為1.0%，最大相對誤差為20.8%，數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍最小，預(yù)測結(jié)果更為準(zhǔn)確，且根據(jù)該方法可知，封頭冷沖壓過程中最大塑性應(yīng)變至少為22.7%。

3.3 溫成形溫度

由上文可知，亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼封頭在冷沖壓過程中最大塑性應(yīng)變至少為22.7%，根據(jù)S30408材料冷沖壓成形封頭最大塑性應(yīng)變與FN值之間的關(guān)系可知[9]，該塑性變形下對應(yīng)FN值至少為27.6，產(chǎn)生了大量馬氏體，而馬氏體相變量又可隨著沖壓溫度的升高而降低[23]，故可適當(dāng)提高沖壓過程中板料的溫度來降低成形后封頭的馬氏體含量。對于S30408材料其熱沖壓工藝加熱溫度介于950～1050℃之間，生產(chǎn)成本過高，因此相對于冷沖壓和熱沖壓，溫沖壓是一種有效減少形變誘發(fā)馬氏體相變的加工工藝。

圖6 溫、冷沖壓成形封頭不同位置處沖擊試樣的沖擊功與側(cè)向膨脹量

研究表明[24]：當(dāng)變形溫度高于90℃時(shí)，ΔFN（表征材料形變誘發(fā)馬氏體相變的程度）低于4，與初始材料的FN值相當(dāng)。同時(shí)通過測量型號為EHA350×6mm的溫、冷沖壓封頭不同位置處沖擊試樣的沖擊功和側(cè)向膨脹量（圖6）表明：溫、冷沖壓封頭僅直邊段（沿橢圓經(jīng)線長度為225～245mm）附近的材料性能有較大差異，且相比于冷沖壓封頭，當(dāng)溫沖壓溫度高于90℃時(shí)，能夠顯著抑制材料的形變誘發(fā)馬氏體相變，提高直邊段韌性。

4 結(jié)論

1）從塑性消耗角度及實(shí)踐出發(fā)，9%應(yīng)變控制方式較應(yīng)力控制方式更為嚴(yán)格，且節(jié)省時(shí)間，易于操作，因此試樣預(yù)拉伸時(shí)建議采用9%應(yīng)變控制。

2）應(yīng)變強(qiáng)化工藝中對筒體進(jìn)行周向應(yīng)變監(jiān)測時(shí)，僅需關(guān)注其周向應(yīng)力最大處的周長變化率，而無需在每個(gè)筒節(jié)處進(jìn)行測量，這樣可實(shí)現(xiàn)周長監(jiān)測由多點(diǎn)向單點(diǎn)的轉(zhuǎn)變，從而簡化應(yīng)變強(qiáng)化工藝。

3）S31608或者S31603奧氏體不銹鋼橢圓形封頭，不易發(fā)生形變誘發(fā)馬氏體相變。S30408奧氏體不銹鋼封頭冷沖壓成形后最大塑性應(yīng)變至少為22.7%，有大量馬氏體相生成。當(dāng)沖壓溫度高于90℃時(shí)，能夠顯著抑制材料的形變誘發(fā)馬氏體相變，提高直邊段韌性。

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國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃：863計(jì)劃，2012AA051504

Discussion on Some Questions of Strain Strengthening in Austenitic Stainless Steel Pressure Vessels

Li Qingqing1Miao Cunjian2Xiao Fengqing1Zhang Xiao1Zheng Jinyang1
(1. Institute of Process Equipment Zhejiang University Hangzhou 310027)
(2. Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection And Research Institute Hangzhou 310020)

Strain strengthening technology could significantly improve the allowable stress of austenitic stainless steel to achieve the lightweight. China has successfully realized the industrialization of this technology during past several years. The following aspects of the preloading method of specimen, the measurement of circumference variation, the material selection and manufacturing process of standard elliptical head are discussed in this paper based on the achievements and practices in recent years. Some related suggestions are proposed.

Strain strengthening Austenitic stainless steel Preloading Circumference variation Elliptical head

X933.2

B

1673－257X(2015)11-0015-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.11.004

李青青(1990～), 女，碩士，從事極端承壓設(shè)備研究工作。

2015-09-06）