壓力容器應變強化產品對材料的要求探討

摘要：從板材、焊材及其他材料三個方面分析了現有標準對應變強化壓力容器材料奧氏體不銹鋼的要求，并對國內應變強化壓力容器現狀進行了簡要總結。

關鍵詞：壓力容器;應變強化;奧氏體不銹鋼;材料選擇

0? ? 引言

應變強化技術是在保證壓力容器安全運行的前提下，利用內壓將奧氏體不銹鋼材料的屈服強度提高，增加了材料的許用應力。而在設計和使用中，同等承載內壓，采用應變強化技術的壓力容器壁厚減薄，減少了材料使用，降低了制造成本，容器的自重也大幅降低，在低溫行業(yè)尤其是低溫運輸行業(yè)這就大大降低了運輸成本，因此該技術在低溫儲罐、槽車上的應用最為廣泛。目前關于應變強化的國際標準有歐洲標準EN 13458[1]和EN 13530[2]以及美國標準ASME Ⅷ-1[3]附錄44，另外，基于EN 13445[4]的設計制造方法，增加了EN 13445-2和EN 13530-2附錄C相關要求。

1? ? 應變強化壓力容器材料奧氏體不銹鋼

1.1? ? 板材要求

奧氏體不銹鋼是指在常溫下組織結構是奧氏體型的不銹鋼，區(qū)別于馬氏體、鐵素體和雙相不銹鋼。本文所提的奧氏體不銹鋼主要是含鉻18%、鎳9%～11%的鉻鎳不銹鋼。奧氏體不銹鋼是面心立方晶格結構，低溫時具有良好的塑性和韌性，無脆性轉變溫度，所以在低溫液體液氧、液氮、液氬和液化天然氣的儲存和運輸中有廣泛應用。

本文涉及的奧氏體不銹鋼厚度不超過30 mm，斷后伸長率不低于35%，且產品設計溫度不超過50 ℃、不低于-196 ℃。ASME Ⅷ-1附錄44中也規(guī)定了最高設計溫度50 ℃以及最低設計金屬溫度（MDMT）不低于-196 ℃。

奧氏體不銹鋼在變形中表現出相當明顯的加工硬化特性，同時保持了材料的特性，隨著變形量的增加，進一步變形所需要的應力不斷增加。因此，奧氏體不銹鋼的應力-應變曲線沒有碳鋼和低合金鋼的典型流動區(qū)域，也就是沒有明顯的屈服點。一般以規(guī)定非比例延伸強度0.2%（Rp0.2）和1.0%（Rp1.0）來確定許用應力。碳鋼和低合金鋼在強度超過屈服點時，塑性變形而力不增加，變形無法逆轉，安全性能下降，故不能用于應變強化，碳鋼、低合金鋼應力-應變曲線如圖1所示。只有奧氏體不銹鋼，在強化后規(guī)定非比例延伸強度0.2%（Rp0.2）和1.0%（Rp1.0）大大提高，而且卸載后材料回彈，不影響材料安全性能。奧氏體不銹鋼應力-應變曲線如圖2所示。

表1是EN 13458和EN 13530規(guī)定的可以用于應變強化壓力容器的六種材料。

奧氏體不銹鋼的許用應力計算：

按EN 13445-3中6.5規(guī)定，許用應力為以下兩者的較大者：

（1）正常工作荷載工況設計應力不應超過材料技術規(guī)范中給出的計算溫度下的1.0%非比例延伸強度除以安全系數1.5。

（2）Rm/T（設計溫度下抗拉強度）適用時，以下兩者的較小值：

1）計算溫度下的最小抗拉強度（技術規(guī)范EN 10028-7中規(guī)定）除以3.0;

2）計算溫度下1.0%非比例延伸強度除以安全系數1.2。

表2是美標ASME Ⅷ-1強制性附錄44中規(guī)定的可以用于應變強化壓力容器的8種材料。

按ASME Ⅷ-1設計的容器，許用應力應參照ASME第二卷表1A中的值，建立表1A的許用應力準則應參照表1-100。

許用應力為以下兩者的較大者：

（1）抗拉強度除以3.5;

（2）屈服強度（Rp0.2非比例延伸強度）除以1.5。

歐標強化容器計算時設計應力σk是以（Rp1.0+160）N/mm2代替公式中的Rp1.0，計算結果壁厚減薄34%～40%，制造成本大大降低，如用于罐車等移動式壓力容器，自重降低也很可觀，運輸成本也相應降低。美標由于是以Rp0.2作為屈服強度，許用應力相比歐標低，計算厚度偏厚，但如采用應變強化技術，厚度也可以降低18%～31%。

應變強化壓力容器的關鍵在于容器進行應變強化，強化后容器有約6%的永久變形，對原材料的性能會產生很大的影響。由于固溶供貨狀態(tài)的奧氏體不銹鋼（美標除316N外）斷后伸長率不低于35%，所以在經過10%的預拉伸之后，沖擊韌性依然滿足要求。

例如：寶鋼某材料質保書值同時滿足三個標準，壁厚10 mm，用于應變強化產品。下面從化學成分和機械性能兩方面通過材料復驗對該材料性能作出比較，如表3、表4所示。

根據以上比較，在化學成分和機械性能方面，各標準有小區(qū)別，歐標抗拉強度設定上限，不規(guī)定硬度要求，也是經過實踐檢驗以及歐盟各國認可的，從原理上講，硬度和抗拉強度有一定的對應關系，再加上固溶處理做好，晶粒度控制好，抗拉強度上限和硬度都是可以達到要求的。

在比較性能同時滿足EN、ASME兩個標準之后，進行應變強化材料驗證，材料經10%的預拉伸之后，殘余應變在6.2%，此時，我們對拉伸過的材料再次進行了拉伸及沖擊試驗，此時的Rp0.2在470 MPa，σk（Rp1.0）在480 MPa，沖擊功（試樣尺寸7.5 mm×10 mm×55 mm）在140 J、152 J、150 J，平均147 J，超過預期目標。

根據以上對比可以發(fā)現，用于應變強化壓力容器的奧氏體不銹鋼板材在國內可以生產，如山西太鋼，經TUV萊茵AD 2000W0認證，熟悉歐洲、美國相關標準，已在產品上做出一些突破，可生產同時滿足ASME SA240 304、EN 10028-7 1.4301以及GB/T 25411 S30408三標的材料，其性能同時滿足歐美及中國標準要求。

1.2? ? 焊材要求

焊材強度根據工藝評定要求不能低于母材強度，但由于需要進行冷拉伸試驗，強度也不宜過高，宜采用等強匹配。例如埋弧焊304，焊絲可采用ER308L AWS A5.9/H03Cr21Ni10 GB/T 4237，焊劑采用HJ260 GB/T 5293，焊絲和焊劑的組合需要做工藝評定來保證焊接接頭質量滿足設計要求。

歐標EN 13445中規(guī)定壓力部件和壓力部件附件所用焊接耗材的交貨技術條件應符合EN 13479：2004和EN 12074：2000要求（注：接受同等的國家/國際規(guī)范，這些規(guī)范必須滿足質量保證體系要求和消耗品制造、供應、分配、試驗方法和評估要求的相同標準）。

ASME第Ⅷ卷第一分冊規(guī)定用于生產的焊接材料應符合Ⅷ-1、第Ⅸ卷和適用的合格焊接工藝規(guī)范的要求。當焊接材料符合第Ⅱ卷C部分中的規(guī)范之一時，可接受適用第Ⅱ卷規(guī)范要求的材料、容器或包裝的標記或標簽，以代替試驗報告或合格證書。當焊接材料不符合第Ⅱ卷規(guī)范之一時，標記或標簽應與焊接工藝規(guī)范中規(guī)定的焊接材料一致，并可代替試驗報告或合格證書接受。

1.3? ? 應變強化壓力容器其他材料要求

由于應變強化主要發(fā)生在筒體和封頭，所以，只針對板材做出規(guī)定，容器其余部件，如鍛件、管道等，因為設計裕量較大，應力沒有達到強化水平，故不做考慮。

2? ? 國內應變強化壓力容器現狀

目前，國內應變強化壓力容器的產量越來越多，如張家港圣達因、南通中集、荊門宏圖、常州查特等企業(yè)均有生產，但沒有相應的國家標準支持，都依據各自的企業(yè)標準來生產。出口產品以ASME Ⅷ-1鋼印產品居多，部分企業(yè)也生產一些ASME+PED的產品，完全滿足歐標的產品數量很少。

焊接廠家認證方面，有很多企業(yè)已經過TUV AD2000HP0認證，熟悉歐洲焊接標準以及產品標準;更多的企業(yè)經過ASME認證，取得ASME鋼印產品生產資格;當然，最多的還是國內壓力容器生產資質，A、C、D類制造資格?？上У氖?，目前國內應變強化容器的生產還是按照各自的企業(yè)標準執(zhí)行。國內管控較嚴，每一臺強化容器都要通過專用系統上傳特檢院備案，全程監(jiān)控記錄，一旦進入流程，后續(xù)就無法更改原始數據。

至于焊材，大型焊材企業(yè)的產品都是同時滿足多個標準，經過船級社、TUV、鋼結構等多重認證，再加上工藝評定和產品試板的驗證，能保證焊接質量，焊材的選用也不是問題。

在編制企業(yè)標準過程中，企業(yè)首先是參考歐洲、美國的相應標準，在材料、設計、制造、檢驗中提出相關要求，這就出現了企業(yè)標準高于歐美相關標準的情況，并且可能會附加額外不合理的要求，如工藝評定試板斷后伸長率要求等。由于有焊縫材料的介入，材料性能不均勻，再加上每批板材的性能也有差異，斷后伸長率難以達到母材要求，這就造成了企業(yè)自己定的標準自己執(zhí)行困難。再加上不同材料的工藝評定覆蓋問題，增加了工藝評定數量，造成了不必要的資源浪費。

希望在不久的將來，國內標準如《鋼制壓力容器》（GB/T 150—1998）、《液化氣體汽車罐車》（GB/T 19905—2017）、《液化氣體鐵路罐車》（GB/T 10478—2017）、《冷凍液化氣體汽車罐車》（NB/T 47058—2017）、《冷凍液化氣體罐式集裝箱》（NB/T 47059—2017）等中能夠增加某個附錄，將應變強化內容增補進去，以滿足中小企業(yè)的實際需求，使其不用再花人力、物力去制定相關企業(yè)標準、進行申請評審。

3? ? 結語

應變強化技術對材料的要求目前國內沒有國家標準或行業(yè)標準可以參考，只有依據各企業(yè)標準來滿足生產需求。通過對歐標和美標對材料以及應變強化后材料要求的分析，可以認定國內的奧氏體不銹鋼板材材料廠完全具備生產符合標準需求的部分國標材料的能力，并能做到與國際標準接軌，在國際化大背景下，生產滿足各國要求的應變強化壓力容器。

[參考文獻]

[1] 低溫容器——大型真空絕熱固定式容器：EN 13458-2：2012 附錄C[S].

[2] 低溫容器——大型真空絕熱移動式容器：EN 13530-2：2002 附錄C[S].

[3] ASME美國機械工程師協會鍋爐壓力容器規(guī)范第八卷第一分冊2019版[Z].

[4] 非受火壓力容器——設計：EN 13445-3：2014[S].

收稿日期：2020-04-22

作者簡介：顧建新（1976—），男，上海人，高級工程師，研究方向：化工機械。