奧氏體不銹鋼低溫容器焊接與應(yīng)變強化工藝的技術(shù)創(chuàng)新

宋 超，徐春華，夏海龍，張旭平，王孝松，張東杰

(山東中車同力鋼構(gòu)有限公司，山東 濟南 250101)

隨著國內(nèi)減排、碳達峰、碳中和等應(yīng)對氣候變化政策的推出，踐行國家“雙碳”目標責(zé)任，積極開展綠色低碳科技創(chuàng)新行動，以液氫(LH2)、液化天然氣(LNG)、液氮(LN2)、液氧(LO2)、液氬(LAR)和液氦(LHE)[1]為代表的冷凍液化氣體得到廣泛應(yīng)用，國民經(jīng)濟的高速發(fā)展使得其消費市場快速增加。而高真空絕熱雙層低溫容器作為這些冷凍液化氣體的儲運載體，其內(nèi)容器所用材料大都為奧氏體不銹鋼制造[2]，導(dǎo)致奧氏體不銹鋼材料的使用量日益增加，究其原因：一是奧氏體不銹鋼的低溫韌性好；二是奧氏體不銹鋼的具有優(yōu)秀的耐腐蝕性能[3-4]和力學(xué)性能，易于焊接和成型；三是奧氏體不銹鋼的屈強比低[5]，具有較大的塑性儲備及安全余量，可以通過應(yīng)變強化工藝在室溫下拉伸到一定量的塑性變形[6]來提高材料的屈服強度，相應(yīng)的提高了奧氏體不銹鋼材料的許用應(yīng)力值[7]，使其承載能力充分發(fā)揮，從而可以降低同等壓力下容器的壁厚，在確保容器強度安全的前提下，達到減輕低溫容器質(zhì)量和降低制造成本的目的，同時節(jié)約了貴金屬的使用量，為綠色制造、節(jié)能降耗及減排做出一定的貢獻。

奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化技術(shù)[9-10]在國外應(yīng)用已有六、七十年的歷史，國、內(nèi)外標準規(guī)范盡管規(guī)定不盡相同，但都是根據(jù)自身國家工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展和需求制定的適合本國工藝要求和國情的技術(shù)規(guī)定。不同國家的標準都對容器的型式、盛裝介質(zhì)、容器壁厚、溫度、材料的選擇、許用應(yīng)力、強度計算、強化壓力、制造和檢驗均提出了相關(guān)的要求，但都要求為單一直徑的圓筒體和凸形封頭和對焊接工藝評定試板進行預(yù)拉伸[11]。為奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化技術(shù)在低溫行業(yè)的廣泛應(yīng)用提供了強有力的規(guī)范和技術(shù)依據(jù)。

1 應(yīng)變強化工藝試驗原理

奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化技術(shù)是通過塑性變形的方式，在材料儲備塑性變形允許的范圍內(nèi)，以犧牲材料的一部分塑性為代價來提高材料的屈服強度的工藝力學(xué)性能[12]的處理方法。奧氏體不銹鋼材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在接近塑性變形時是近似線性的，因此一般以其非比例延伸0.2%對應(yīng)的流動應(yīng)力值RP0.2作為材料的屈服強度。

從圖1可以看出，由于RP0.2和RM(材料標準抗拉強度下限值)之間有較大的塑性延伸區(qū)間，故考慮對材料施加外力，使其應(yīng)力值超過屈服強度RP0.2并達到強化應(yīng)力RPS后卸載[13]；此時此料將發(fā)生一定量的永久變形[14]。對該材料再次加載，當(dāng)施加的外力對應(yīng)材料的應(yīng)力值小于強化應(yīng)力RPS時，材料將一直處于彈性變形階段，直到應(yīng)力值達到并超過強化應(yīng)力RPS后才會再次進入塑性階段，即加載路徑由原先的O→A→B→C變?yōu)镈→B→C。此時，強化應(yīng)力RPS即為奧氏體不銹鋼新的屈服強度，與強化前相比，強化后的奧氏體不銹鋼屈服強度有了明顯提高，并以強化后得到的非比例延伸強度作為低溫容器[15]強度校核的基礎(chǔ)，進而提高了奧氏體不銹鋼相關(guān)低溫壓力容器的設(shè)計計算許用應(yīng)力值，可以有效的降低低溫容器壁厚，充分利用奧氏體不銹鋼材料較大的屈強比，實現(xiàn)奧氏體不銹鋼材料低溫絕熱容器[15]的輕量化設(shè)計，減少容器自重和經(jīng)濟效益的最大化，提高相應(yīng)的產(chǎn)品在國際貿(mào)易中的競爭力。

圖1 奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化原理Fig.1 The principle of Austenitic stainless steelstrengthening

應(yīng)變強化容器的設(shè)計思路是先設(shè)計后強化，即先假定奧氏體不銹鋼材料的屈服強度已經(jīng)達到了強化后的預(yù)期強度，選擇預(yù)期強度為設(shè)計時的計算應(yīng)力，以容器強化前的直徑對容器進行強度設(shè)計，然后根據(jù)計算得出的容器應(yīng)變強化處理時的強化壓力。采用強化處理工藝使容器的總體應(yīng)力達到或超過預(yù)期的強度，并控制圓周的變形量小于理論計算的變形量[17]，以此達到提高屈服強度，降低壁厚的目的，強度設(shè)計時承受的薄膜應(yīng)力[18]仍采用薄殼理論按第一強度理論進行設(shè)計計算。

本文按照T/CATSI 05001—2018《移動式真空絕熱深冷壓力容器內(nèi)容器應(yīng)變強化技術(shù)要求》和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)變強化技術(shù)規(guī)定》[12]標準的規(guī)定，本次應(yīng)變強化試驗的方法采用應(yīng)力強化法，按規(guī)定的許用應(yīng)力值對容器進行強度校核和強化壓力計算。在強化前、強化過程中及強化完成后分別測量筒體的周長，由環(huán)向周長變化計算環(huán)向應(yīng)變量。首先試制樣品容器進行應(yīng)變強化工藝性驗證，并對試驗數(shù)據(jù)進行詳細的分析，然后按照相關(guān)標準制造首臺高真空低溫絕熱容器，按驗證通過后的應(yīng)變強化工藝進行強化處理，并對強化后的數(shù)據(jù)進行分析，并做對比分析。

2 應(yīng)變強化工藝試驗材料、技術(shù)參數(shù)、方法及實驗裝置

2.1 應(yīng)變強化技術(shù)容器材料說明及技術(shù)參數(shù)

本試驗容器所采用的的材料奧氏體不銹鋼S30408材料具有良好的綜合性能，且耐低溫性能好，同時低溫韌性也是深冷容器選材的一個重要指標，最低可用于沸點為-253 ℃的液氫深冷容器上，此材料在國內(nèi)外均已成熟運用；但此材料在低溫容器下的屈服強度(180～250 MPa)較低，抗拉強度(520～720 MPa)較高。因此，屈服強度和抗拉強度的比值較低，有較大的儲備韌性潛能，通過應(yīng)變強化工藝，使其產(chǎn)生一定量的塑性變形，充分提高其屈服強度到410 MPa，顯著發(fā)揮奧氏體不銹鋼的塑性承載能力，避免材料浪費、減輕容器的整體質(zhì)量。

本文采用主要的合金元素為C、Gr、Ni[19]的S30408材料，其主要化學(xué)成分的質(zhì)量分數(shù)：C小于等于0.08%，Si小于等于0.75%，Mn小于等于0.20%，Cr為18.00%～20.00%，Ni為8.00%～10.50%，其力學(xué)性能指標Rp0.2不小于290 MPa，Rm不小于540 MPa且也不大于720 MPa，斷后伸長率不小于45%，固溶狀態(tài)交貨。

2.2 應(yīng)變強化技術(shù)容器技術(shù)參數(shù)

本試驗容器的圓筒內(nèi)直徑為1 800 mm，每節(jié)的長度不小于1 500 mm，共2節(jié)，兩邊為橢圓封頭。設(shè)計壓力為2.1 MPa，計算壓力為2.3 MPa，殼體名義厚度為8 mm，橢圓封頭名義厚度為9 mm，設(shè)計溫度許用應(yīng)力為273 MPa，強化壓力為3.5 MPa。

2.3 試驗方法

本文采用常溫應(yīng)變方法，即在室溫下向容器內(nèi)充滿氯離子含量小于25×10-6的干凈水,通過與容器相連的加壓裝置，按照一定的升壓速率使容器逐漸增壓到強化壓力，并通過不斷增壓的方式維持容器內(nèi)的強化壓力不變，以便使容器得到充分的塑性變形。在周長變化率滿足標準要求時終止保壓，逐步緩慢降壓，直至壓力降為0。

2.4 應(yīng)變強化周長測量

周長測量位置選在容器筒節(jié)最大變形截面部位，選4個截面，2個筒節(jié)中間截面，以及中間環(huán)焊縫處截面；測量工具為位移傳感器自動測量裝置。

2.5 試驗裝置

容器的應(yīng)變強化過程需要經(jīng)歷彈性變形和塑性變形兩個階段，特別是在塑性變形階段，其應(yīng)變量對壓力比較敏感，如果手動操作就比較困難，因此本試驗的加壓設(shè)備采用全自動微機控制系統(tǒng)，主要包括注水系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)和微機控制系統(tǒng)，在應(yīng)變試驗的全過程可以實現(xiàn)全自動打壓控制，自動控制應(yīng)變強化時的壓力變化，維持各個所需階段的設(shè)定的壓力，且能按設(shè)定的壓力停止點進行保壓，并能自動記錄周長變化量和分析環(huán)向應(yīng)變量，且能在試驗進行時自動生成壓力-時間與位移-時間的關(guān)系曲線，使測量精度和工作效率都大大提高；圖2為試驗裝置實物圖。

圖2 試驗裝置Fig.2 Test Apparatus

3 應(yīng)變強化工藝試驗過程及實驗結(jié)果分析

3.1 應(yīng)變強化工藝試驗過程

本試驗過程采用2個經(jīng)校驗合格的0～4.0 MPa的機械壓力表用于現(xiàn)場觀察和一個數(shù)顯壓力變送器用于向控制系統(tǒng)傳遞壓力信號進行打壓自動控制，同時在容器的周長測量布置位移傳感器實時向控制系統(tǒng)傳遞周長變化量用于計算周向變化率和鋼卷尺同步測量周長變化量，具體測量布置圖如圖3所示 。

圖3 應(yīng)變強化壓力和周長測量布置圖Fig.3 Layout of strengthing pressure and perimeter measurement

應(yīng)變時為了獲得容器上各部位穩(wěn)定的應(yīng)變值，同時保證樣品容器能得到充分的變形應(yīng)采用逐級加壓、緩慢升壓的方式。根據(jù)T/CATSI 05001—2018《移動式真空絕熱深冷壓力容器內(nèi)容器應(yīng)變強化技術(shù)要求》標準的要求，在設(shè)計壓力之前最大升壓速率小于等于0.5 MPa/min，本試驗為0.2 MPa/min；設(shè)計壓力之后升壓速率小于等于0.1 MPa/min，本次實驗為0.08 MPa/min。當(dāng)試驗達到設(shè)計壓力2.1 MPa時，表面檢查合格后繼續(xù)緩慢升壓至強化壓力3.5 MPa；當(dāng)達到 3.5 MPa 的強化壓力時，系統(tǒng)進入保壓階段，此時每隔 5 min記錄一次數(shù)據(jù)，直至保壓結(jié)束。保壓結(jié)束后，將壓力降至設(shè)計壓力2.1 MPa時，保壓一段時間對容器再進行一次全面的外觀檢查，并記錄此時的周長變化量；之后卸壓，并在完全放水后，再記錄此時的容器的周長變化量。然后，對各個測量處的數(shù)據(jù)進行計算處理，分析計算不同位置的周長變化率，找出容器最大的變形截面。將 S1～S4測量數(shù)據(jù)相應(yīng)填入應(yīng)變強化容器周長記錄表格，取初始周長最大讀數(shù)，按周長應(yīng)變率不超過0.0%/h 計算出最后30 min 內(nèi)的最大周長應(yīng)變率，并記錄在表格中，具體如表1所示。在試驗時通過微機控制系統(tǒng)自動生成壓力-時間與位移-時間的關(guān)系曲線，具體結(jié)果如圖4所示。

表1 試驗過程數(shù)據(jù)記錄及處理Tab.1 Recording and processing of test process data

圖4 應(yīng)力、位移隨時間變化曲線圖Fig.4 Curve of stress and displacement with time

3.2 試驗結(jié)果分析

(1)從表1的數(shù)據(jù)分析和圖4應(yīng)力、應(yīng)變隨時間變化曲線圖來看在應(yīng)力達到屈服強度前，屬于彈性變形范圍，應(yīng)變隨應(yīng)力的增大而成比例的增加；

(2)從表1記錄的數(shù)據(jù)分析和圖4應(yīng)力、應(yīng)變隨時間變化曲線圖來看在應(yīng)力達到屈服強度后，隨著應(yīng)力的增加，應(yīng)變也在增加，但增加的幅度在逐漸的減小，筒體材料出現(xiàn)一定的永久塑性變形，卸載后，出現(xiàn)新的彈性變形階段作為更高的非比例延伸強度屈服點；

(3)容器卸壓后，筒體中部焊縫2側(cè)參與的周向應(yīng)變分別為2.59%、2.67%，為變形的較大部位；

(4)最大變形出現(xiàn)在距離加強部位較遠的不受約束的筒體中間部位，說明封頭和加強圈對變形起到了一定的限制。

4 應(yīng)變強化工藝試驗有限元模擬分析

4.1 實體模型

有限元分析軟件根據(jù)設(shè)計圖紙建立有限元仿真分析模型；結(jié)構(gòu)整體幾何模型和有限元網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 有限元網(wǎng)格模型Fig.5 Finite Element Mesh Model

4.2 模擬過程

圖6為設(shè)計壓力下筒體應(yīng)力及應(yīng)變變化云圖。

圖6 設(shè)計壓力下筒體應(yīng)力及應(yīng)變變化云圖Fig.6 The Cloud Diagram of cylinder stress and strain under design pressure

從圖6可以看出，在設(shè)計壓力下筒體剛屈服整個筒體變形比較均勻。最大應(yīng)力和變形在筒體中間部位比較大，加強圈附近和筒體兩端由于封頭的加強作用，受到的應(yīng)力較小和變形較小。

圖7為強化壓力下筒體應(yīng)力及應(yīng)變變化云圖。

圖7 強化壓力下筒體應(yīng)力及應(yīng)變變化云圖Fig.7 The Cloud Diagram of cylinder stress and strain understrengthening

從圖7可以看出，在強化壓力下筒體已經(jīng)屈服，最大應(yīng)力和變形在筒體中間部位比較大，加強圈附近和筒體兩端由于封頭的加強作用，受到的應(yīng)力較小和變形較小。

5 結(jié)語

(1)通過實際試驗數(shù)據(jù)分析和有限元建模理論分析，二者吻合較好，找出了奧氏體不銹鋼低溫容器關(guān)鍵部位的變形規(guī)律，得出應(yīng)力和應(yīng)變在筒體兩端和加強圈附近變化較小。在以后的生產(chǎn)中可以考慮在未加強的部分布置相應(yīng)的傳感器，從而測出應(yīng)力應(yīng)變變化最大部位的變化值；

(2)通過以上數(shù)據(jù)分析，最大變形量為2.67%，小于相關(guān)技術(shù)文件規(guī)定的最大變形量10%，未出現(xiàn)過度強化，未對容器的整體安全性造成影響；

(3)局部結(jié)構(gòu)因在焊接過程中產(chǎn)生的收縮在應(yīng)變強化后得以“趨圓”，使焊縫圓滑過渡，結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性得到改善。