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(guó)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(guó)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(duì)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(wèn)題及注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析探討。最后對(duì)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(dòng)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(hào)：U169.47? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）11-0113-03

當(dāng)今世界工業(yè)發(fā)展及人民生活對(duì)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(chǔ)運(yùn)具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

深冷罐式集裝箱（以下簡(jiǎn)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(dòng)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(gè)大于屈服強(qiáng)度RP0.2的拉伸應(yīng)力σk時(shí)，卸載后將會(huì)產(chǎn)生塑性變形，而當(dāng)再次加載時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變將沿著卸載曲線按照彈性增長(zhǎng)，直到應(yīng)力大于σk時(shí)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(méi)有顯著下降，其微觀組織無(wú)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(guó)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(guò)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(dòng)式）以及美國(guó)的ASME BPVC-VIII-1（Mandatory Appendix 44）（以下簡(jiǎn)稱ASME）[5]。上述標(biāo)準(zhǔn)適用于壁厚不超過(guò)30mm的真空粉體（或纖維）絕熱儲(chǔ)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(duì)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(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)形成并發(fā)布了兩個(gè)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(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》。

國(guó)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(píng)審加主管部門批文的形式;市場(chǎng)監(jiān)管總局辦公廳于2019年1月29日發(fā)布了“市場(chǎng)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(hào)，以下簡(jiǎn)稱“195號(hào)文”），至此國(guó)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(hào)文”中列明：“采用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)制造移動(dòng)式深冷壓力容器，在相應(yīng)國(guó)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(shí)滿足以下要求的移動(dòng)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(duì)于裝運(yùn)液化天然氣（LNG）介質(zhì)的移動(dòng)式壓力容器，設(shè)計(jì)壓力不大于1.0MPa;⑤非國(guó)防軍事裝備等有特殊要求的。

對(duì)以上T/CATSI 05001標(biāo)準(zhǔn)界定的適用范圍進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，并與ASME標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照說(shuō)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(guò)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(guó)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(duì)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(guò)50℃;未限制適裝介質(zhì)臨界溫度。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(hào)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(guò)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(duì)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(duì)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(wèn)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(chǎng)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(huì)不同。圖1為某型號(hào)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(cè)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(duì)照?qǐng)D，從應(yīng)變對(duì)比云圖可以看出，其最大應(yīng)變量分別為0.056、0.029。

對(duì)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(guò)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(duì)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(jiǎn)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(hào)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(duì)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(shí)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(guò)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(guó)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(duì)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(duì)抗拉強(qiáng)度（Rm）并無(wú)顯著提升效果[8]，容器設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的確定需同時(shí)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(shí)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(huì)有顯著提高[9]，故滿足應(yīng)變強(qiáng)化及低溫兩個(gè)條件時(shí)，才可以選用較高的許用應(yīng)力。從這一角度來(lái)看，T/CATSI 05001對(duì)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(duì)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(guó)的深冷罐式集裝箱及其他類型移動(dòng)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(guó)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(duì)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(dòng)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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