應(yīng)變強(qiáng)化工藝及其在深冷罐式集裝箱的應(yīng)用

鄭靜

摘 要：本文介紹了常溫應(yīng)變強(qiáng)化工藝及其在國內(nèi)外發(fā)展歷程、應(yīng)用常溫應(yīng)變強(qiáng)化工藝的深冷罐式集裝箱在我國不同發(fā)展階段的設(shè)計(jì)制造模式。從材料選擇及應(yīng)變率控制、內(nèi)容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、適裝介質(zhì)及內(nèi)容器最高設(shè)計(jì)溫度等方面對當(dāng)前常溫應(yīng)變強(qiáng)化工藝在深冷罐式集裝箱的應(yīng)用問題及注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析探討。最后對夯實(shí)常溫應(yīng)變強(qiáng)化工藝的推廣應(yīng)用基礎(chǔ)，也即當(dāng)下亟待深入細(xì)致研究的方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：罐式集裝箱;移動式深冷壓力容器;應(yīng)變強(qiáng)化;冷凍液化氣體;LNG;多式聯(lián)運(yùn)

中圖分類號：U169.47? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）11-0113-03

當(dāng)今世界工業(yè)發(fā)展及人民生活對氧、氮、氬、天然氣等的需求日益增加，這些工業(yè)氣體具有液化后體積大幅減小的共性這一特性使得其采用液態(tài)儲運(yùn)具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

深冷罐式集裝箱（以下簡稱深冷罐箱）因其較高的安全性、可便捷的實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)輸方式（公路、水路、鐵路）的切換[1]，成為實(shí)現(xiàn)LNG等冷凍液化氣體多式聯(lián)運(yùn)的最優(yōu)選擇。深冷罐箱作為一種運(yùn)輸裝備其容重比一方面是重要的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，另一方面在當(dāng)前節(jié)能減排要求日趨嚴(yán)格的背景下深冷罐箱的輕量化可以降低運(yùn)輸單位質(zhì)量貨物的運(yùn)輸負(fù)荷從而達(dá)到節(jié)能減排效果，助力綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

深冷罐箱屬于移動式深冷壓力容器，其內(nèi)容器通常采用奧氏體不銹鋼材料制造，應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用可有效降低內(nèi)容器壁厚從而達(dá)到罐箱輕量化的目的，當(dāng)前已得到較廣泛應(yīng)用。

1 奧氏體不銹鋼常溫應(yīng)變強(qiáng)化

1.1常溫應(yīng)變強(qiáng)化工藝

傳統(tǒng)容器設(shè)計(jì)方法是基于彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，將最大許用應(yīng)力限定在材料的彈性范圍內(nèi)，只利用了材料的彈性承載能力[2]。但奧氏體不銹鋼屈強(qiáng)比低，具有較高的塑性承載能力，按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，其許用應(yīng)力受屈服強(qiáng)度限制，不能充分發(fā)揮其塑性承載潛力。

奧氏體不銹鋼常溫應(yīng)變強(qiáng)化工藝原理是，當(dāng)奧氏體不銹鋼承受一個大于屈服強(qiáng)度RP0.2的拉伸應(yīng)力σk時，卸載后將會產(chǎn)生塑性變形，而當(dāng)再次加載時，應(yīng)力應(yīng)變將沿著卸載曲線按照彈性增長，直到應(yīng)力大于σk時材料才再次進(jìn)入塑性變形階段，也即相當(dāng)于將奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度由RP0.2提高到了σk。研究表明，奧氏體不銹鋼在變形量小于10%的情況下，其塑性指標(biāo)沒有顯著下降，其微觀組織無顯著變化[3-4]。利用應(yīng)變強(qiáng)化工藝，可有效提高奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度，從而達(dá)到容器輕量化效果，是一種綠色經(jīng)濟(jì)的工藝方法。

1.2 國際常溫應(yīng)變強(qiáng)化工藝發(fā)展

常溫應(yīng)變強(qiáng)化工藝最早出現(xiàn)在20世紀(jì)中葉的瑞典，經(jīng)過60多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)較為成熟。當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的為澳大利亞的AS1210，歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 13458（固定式）及EN13530（移動式）以及美國的ASME BPVC-VIII-1（Mandatory Appendix 44）（以下簡稱ASME）[5]。上述標(biāo)準(zhǔn)適用于壁厚不超過30mm的真空粉體（或纖維）絕熱儲罐內(nèi)容器的制造，適用溫度范圍均涵蓋-196℃～+50℃，另AS1210允許最高溫度為+400℃，且列明對于低于-196℃的情況下，可以采用增加鋼板質(zhì)量檢驗(yàn)及焊接工藝驗(yàn)證性試驗(yàn)的方法[6]。

1.3 國內(nèi)常溫應(yīng)變強(qiáng)化工藝及其在深冷罐箱的應(yīng)用范圍

我國的常溫應(yīng)變強(qiáng)化工藝起步較晚，本世紀(jì)初浙江大學(xué)率先開展了相關(guān)研究。隨著研究的開展及應(yīng)變強(qiáng)化深冷壓力容器開發(fā)制造，國內(nèi)形成并發(fā)布了兩個相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分別為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》及T/CATSI 05001-2018《移動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》。

國內(nèi)應(yīng)變強(qiáng)化深冷壓力容器開發(fā)制造也經(jīng)歷了不同的模式，從一開始的企業(yè)與高校聯(lián)合開發(fā)并經(jīng)主管部門批文的形式;發(fā)展到經(jīng)技術(shù)機(jī)構(gòu)技術(shù)評審加主管部門批文的形式;市場監(jiān)管總局辦公廳于2019年1月29日發(fā)布了“市場監(jiān)管總局辦公廳關(guān)于規(guī)范壓力容器安全技術(shù)有關(guān)要求的通知”（市監(jiān)特設(shè)函[2019]195號，以下簡稱“195號文”），至此國內(nèi)應(yīng)變強(qiáng)化深冷壓力容器的開發(fā)制造進(jìn)入經(jīng)型式試驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行深冷容器型式試驗(yàn)的階段。

“195號文”中列明：“采用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)制造移動式深冷壓力容器，在相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)頒布前，制造技術(shù)要求應(yīng)不低于標(biāo)準(zhǔn)T/CATSI 05001-2018”。T/CATSI 05001標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其適用于同時滿足以下要求的移動式真空絕熱深冷壓力容器內(nèi)容器：①盛裝介質(zhì)為冷凍液化氣體（非有毒介質(zhì)，且沸點(diǎn)不低于-196℃）;②材質(zhì)為奧氏體不銹鋼;③名義厚度大于等于4mm且小于等于16mm，由單一內(nèi)直徑的圓筒和標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭構(gòu)成;④對于裝運(yùn)液化天然氣（LNG）介質(zhì)的移動式壓力容器，設(shè)計(jì)壓力不大于1.0MPa;⑤非國防軍事裝備等有特殊要求的。

對以上T/CATSI 05001標(biāo)準(zhǔn)界定的適用范圍進(jìn)行簡單分析，并與ASME標(biāo)準(zhǔn)對照說明如下：

（1）適裝介質(zhì)及設(shè)計(jì)溫度要求：TSGR0005-2011中定義“冷凍液化氣體”是指在運(yùn)輸過程中由于溫度低而部分呈液態(tài)的氣體（臨界溫度一般低于或者等于-50℃）。鑒于上述定義，當(dāng)前國內(nèi)相關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求采用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的深冷罐式集裝箱充裝介質(zhì)的臨界溫度不得高于-50℃，對應(yīng)的內(nèi)容器設(shè)計(jì)溫度亦不得高于-50℃。ASME中規(guī)定的最高設(shè)計(jì)溫度不得超過50℃;未限制適裝介質(zhì)臨界溫度。兩個標(biāo)準(zhǔn)對于最低設(shè)計(jì)溫度均要求不得低于-196℃。

（2）允許使用的內(nèi)容器材質(zhì)均為奧氏體不銹鋼，但ASME列明的可使用的材料牌號較T/CATSI 05001更多。

（3）容器壁厚及結(jié)構(gòu)構(gòu)成：ASME中規(guī)定容器壁厚不得超過30mm;僅限由單一直徑的圓筒體及與其相連的凸形封頭構(gòu)成;與T/CATSI 05001的要求相比，ASME的要求更寬泛。

（4）ASME未對LNG介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力列明額外要求。

（5）ASME要求在用戶同意情況下應(yīng)用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)。

由以上對照可以得出T/CATSI 05001與ASME相比，在最高設(shè)計(jì)溫度、最大允許壁厚以及封頭型式等方面提出了更嚴(yán)格的要求。

2 常溫應(yīng)變強(qiáng)化工藝在深冷罐箱應(yīng)用中的關(guān)鍵問題

2.1 材料選擇及應(yīng)變率控制

當(dāng)前深冷罐式集裝箱內(nèi)容器材料絕大多數(shù)采用的S30408（GB/T 24511-2017），S30408材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的RP0.2下限值為220MPa，當(dāng)前市場上供應(yīng)的鋼板RP0.2往往顯著高于220MPa，其值大多分布在220MPa～330MPa范圍內(nèi)。不同的RP0.2材料鋼板制成的容器在相同的強(qiáng)化壓力作用下得到的變形率也會不同。圖1為某型號深冷罐式集裝箱內(nèi)容器分別選用RP0.2為220MPa標(biāo)準(zhǔn)值及某RP0.2為310MPa的實(shí)測數(shù)據(jù)[7]作為材料本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行有限元分析得到的應(yīng)變對照圖，從應(yīng)變對比云圖可以看出，其最大應(yīng)變量分別為0.056、0.029。

對于深冷罐式集裝箱其內(nèi)外容器之間的空間間隔有限，如內(nèi)容器材料為不同批次鋼板則其RP0.2可能存在較大差別的情況，這樣進(jìn)行內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化后就有可能造成部分內(nèi)容器變形率較大進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)外容器空間間隔過小，導(dǎo)致套裝失敗，進(jìn)而造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。故對于采用應(yīng)變強(qiáng)化工藝制造的深冷罐式集裝箱，應(yīng)密切關(guān)注其RP0.2性能的穩(wěn)定性;并充分校核內(nèi)外容器間隔及允許的內(nèi)容器變形量。

2.2 內(nèi)容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用應(yīng)變強(qiáng)化的內(nèi)容器結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，減少約束;盡量避免結(jié)構(gòu)形狀的突然變化，以減小局部應(yīng)力。圖2左圖為某型號采用8點(diǎn)徑向支撐形式的深冷罐箱內(nèi)容器在強(qiáng)化壓力作用下的應(yīng)變分布云圖;圖2右圖為將左圖所述加強(qiáng)結(jié)構(gòu)刪除后的均勻結(jié)構(gòu)在相同強(qiáng)化壓力下的應(yīng)變分布云圖。

由對比云圖可以看出加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的存在使得容器變形受限，其變形量顯著降低;同時受力及變形分布直接受加強(qiáng)件的影響，使得其受力及變形沿軸向及環(huán)向不均勻分布。在應(yīng)變強(qiáng)化壓力作用下設(shè)置加強(qiáng)構(gòu)件的部位其附近應(yīng)力及應(yīng)變變化劇烈易造成相應(yīng)位置的焊縫開裂。故設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量使得結(jié)構(gòu)形狀過渡均勻，減少結(jié)構(gòu)突變、降低應(yīng)力/應(yīng)變變化率。

2.3適裝介質(zhì)及內(nèi)容器最高設(shè)計(jì)溫度

當(dāng)前國內(nèi)相關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求采用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的深冷罐箱充裝介質(zhì)的臨界溫度不得高于-50℃，對應(yīng)的內(nèi)容器設(shè)計(jì)溫度亦不得高于-50℃。

究其原因是考慮到應(yīng)變強(qiáng)化工藝提高的僅是材料的屈服強(qiáng)度而對抗拉強(qiáng)度（Rm）并無顯著提升效果[8]，容器設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的確定需同時考慮屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度，以GB/T 150-2011為例，規(guī)則設(shè)計(jì)時許用應(yīng)力取min（RP0.2/1.5;Rm/2.7），所以僅采用應(yīng)變強(qiáng)化工藝還不能夠作為奧氏體不銹鋼制容器選用較高的許用應(yīng)力的充分條件。研究表明在低溫下奧氏體不銹鋼抗拉強(qiáng)度性能會有顯著提高[9]，故滿足應(yīng)變強(qiáng)化及低溫兩個條件時，才可以選用較高的許用應(yīng)力。從這一角度來看，T/CATSI 05001對最高設(shè)計(jì)溫度的限定是審慎的、必要的。

筆者認(rèn)為限定最高設(shè)計(jì)溫度已可保證材料的抗拉強(qiáng)度性能，T/CATSI 05001中又限定允許充裝介質(zhì)為冷凍液化氣體（臨界溫度不得高于-50℃）是非必要的、冗余的，且這項(xiàng)規(guī)定在一定程度上限制了一些介質(zhì)對應(yīng)變強(qiáng)化工藝罐箱的選用。

3 展望

常溫應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)是一項(xiàng)綠色經(jīng)濟(jì)的工藝方法，但也正如上文所述，當(dāng)前該工藝在我國的深冷罐式集裝箱及其他類型移動式深冷壓力容器的應(yīng)用中還存在各方面的限制，這也源于該工藝在國內(nèi)發(fā)展的欠成熟狀態(tài)。為更安全地推廣應(yīng)用該技術(shù)，也就需要更深入和廣泛的對其進(jìn)行研究，從奧氏體不銹鋼材料本身的特性（例如其低溫性能、強(qiáng)化后的疲勞性能等）、應(yīng)變強(qiáng)化工藝本身（例如其適用材料種類、厚度、溫度范圍等）、應(yīng)用該技術(shù)的容器的使用工況的影響（例如，移動式容器不同運(yùn)輸模式的運(yùn)行工況差異）等方面開展深入細(xì)致的研究及實(shí)踐，為該工藝的成熟廣泛應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)。

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