不銹鋼低溫壓力容器強化變形量控制

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[摘要]通過分析影響奧氏體不銹鋼低溫壓力容器應(yīng)變強化變形量的主要因素，探討其影響規(guī)律，針對其規(guī)律提出相應(yīng)有利的控制變形量的解決方案，并將其與應(yīng)變強化工藝過程控制各環(huán)節(jié)相匹配，從而制定較為科學(xué)的現(xiàn)行應(yīng)變強化工藝流程。

[關(guān)鍵詞]奧氏體不銹鋼；低溫壓力容器；應(yīng)變強化；變形量；工藝控制

1概述

隨著低溫液化氣體的日益廣泛應(yīng)用，低溫壓力容器的需求量不斷增加。在安全前提下，實現(xiàn)低溫壓力容器的輕量化，對于節(jié)能降耗具有重要意義。對奧氏體不銹鋼采用應(yīng)變強化技術(shù)可以提高材料的屈服強度，顯著減薄奧氏體不銹鋼低溫壓力容器的壁厚，減輕重量，從而節(jié)約材料，降低低溫壓力容器的制造成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。特別是對于我司主營業(yè)務(wù)低溫液體罐箱，為使用戶利益最大化，整備質(zhì)量輕量化，承壓內(nèi)容器的應(yīng)變強化技術(shù)是發(fā)展趨勢。但低溫液體罐箱受外部框架尺寸限制，使得內(nèi)容器和外殼之間的夾層空間可調(diào)量較小，一旦應(yīng)變強化變形量超出預(yù)期，則會因內(nèi)外容器不能順利套合而造成產(chǎn)品返工甚至報廢，因此控制內(nèi)容器應(yīng)變強化時的變形量顯得尤為重要，找出影響應(yīng)變強化變形量的因素并應(yīng)用工藝手段進行控制，可以使批量產(chǎn)品的變形量相對穩(wěn)定，從而實現(xiàn)內(nèi)外容器的順利套合，降低返工和報廢風(fēng)險。

2材料力學(xué)性能對變形量的影響

在奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化內(nèi)容器的制造中，內(nèi)容器筒體部分要求用同一材檢號的開平板材料。選取了使用相同材檢號的開平板材料制造的四臺應(yīng)變強化內(nèi)容器的產(chǎn)品，并在內(nèi)容器應(yīng)變強化過程中記錄了試驗溫度并選取相同的測量位置測量變形量，根據(jù)表1中的變形量數(shù)據(jù)可以看出，即使使用相同材檢號的材料，在相同位置的筒體外周長變形量也會有較大的差別。為此，重新選取了幾個不同材檢號開平板材料，并對其頭部、中部、尾部分別進行力學(xué)性能復(fù)驗，并將復(fù)驗結(jié)果與該材檢號對應(yīng)的卷鋼質(zhì)量證明書進行了對比。根據(jù)表2的對比數(shù)據(jù)可以看出，相同材檢號開平板材料在不同位置的力學(xué)性能是存在差別的。開平板是卷型鋼帶在室溫下經(jīng)過開卷、校平、剪切而成的鋼板，因其長度可自由裁定、節(jié)約材料而被壓力容器制造企業(yè)所青睞，但因其在固溶處理后又經(jīng)歷了鋼帶成卷和開平操作等反復(fù)冷加工變形，變形量的增大使其力學(xué)性能與軋制鋼板相比存在較大差異[1]，開平操作不會影響其化學(xué)成分[2]。這也是國家特種設(shè)備標(biāo)準規(guī)范要求對奧氏體不銹鋼開平板需按批號復(fù)驗力學(xué)性能的主要原因[3]。同時，材料的屈強比越低、延伸率越高、塑形越好，應(yīng)變強化變形量越大[4]。因此，即使采用相同材檢號開平板制造相同結(jié)構(gòu)的內(nèi)容器，在應(yīng)變強化后筒體外周長變形量也會有差別，所以對于內(nèi)容器與外殼夾層空間比較小、對應(yīng)變強化變形量控制要求高的產(chǎn)品，內(nèi)容器材料應(yīng)選用力學(xué)性能相對平穩(wěn)的原平板材料或相同批號的材料。

3溫度對應(yīng)變強化變形量的影響

根據(jù)GB150.2-2011《壓力容器第2部分：材料》[5]中附錄表B.14《鋼材平均線膨脹系數(shù)》，奧氏體鋼（Cr18Ni8~Cr19Ni14）在0℃與20℃之間的平均線膨脹系數(shù)α=16.28×10-6mm/mm•℃，在20℃與50℃之間的平均線膨脹系數(shù)α=16.28×10-6mm/mm•℃。可以看出，在0℃~50℃間材料的變形量會隨著溫度的升高而加大的趨勢。為此我們參照T/CATSI05001-2018《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》[6]附錄D進行試驗，選取兩組相同材質(zhì)、相同厚度、Rp0.2分別為271MPa和293MPa的材料制作了模擬拉伸試件，采用應(yīng)力控制法，將終止應(yīng)力控制在410MPa的預(yù)拉伸方式，在10~30℃的溫度梯度下進行模擬應(yīng)變強化的拉伸試驗，對變形量進行測定。測定得出的變形量數(shù)據(jù)見表3、表4。將表3和表4中每個溫度梯度的變形量取平均值并換算成變形率，得出曲線1進行對比分析?？梢钥闯?，在相同預(yù)拉伸應(yīng)力下材料的變形量隨著溫度的升高而增大。在相同的溫度、相同的預(yù)拉伸終止應(yīng)力下，試件的變形量隨著材料力學(xué)性能Rp0.2值的增大而減小。

4結(jié)論

內(nèi)容器與外殼夾層空間比較小且應(yīng)變強化變形量控制要求高的深冷壓力容器，在設(shè)計和制造中可采取以下控制措施：(1)應(yīng)變強化容器用板材的采購，根據(jù)應(yīng)變強化容器設(shè)計規(guī)范的不同，其用板材分別按GB/T24511、SA240/SA240M、EN10028-7現(xiàn)行標(biāo)準（版本）選用，若滿足《固容規(guī)》、《移動容規(guī)》、NB/T47059等要求，需按相應(yīng)標(biāo)準再增加特殊要求，如：(a)在標(biāo)準法規(guī)允許范圍內(nèi)和材料生產(chǎn)廠家的能力范圍內(nèi)適當(dāng)提高材料的屈服強度Rp0.2值；或：(b)內(nèi)筒體相鄰?fù)补?jié)優(yōu)先采用同一爐批號、同一厚度的材料；或：(c)內(nèi)筒體采用開平板時，相鄰?fù)补?jié)優(yōu)先采用連續(xù)相鄰的開平板；或：(d)內(nèi)筒體相鄰?fù)补?jié)采用不同爐批號材料時，相鄰?fù)补?jié)材料的鋼材0.2%規(guī)定非比例延伸強度Rp0.2差值不得超過30MPa。同時，通過對同一臺產(chǎn)品由多個筒節(jié)組成的內(nèi)容器采用的板材力學(xué)性能進行規(guī)定，可減小同臺產(chǎn)品內(nèi)容器筒體上不同位置變形量的差異。(2)在內(nèi)容器應(yīng)變強化階段，控制應(yīng)變強化時注水的溫度不超過20℃，可采用在水中增加冰塊或增加制冷機組等方式對試驗用水進行降溫，在夜間環(huán)境溫度低的時候進行強化操作等。通過降低應(yīng)變強化時溫度來控制和降低材料變形量。通過以上控制措施，可以有效地實現(xiàn)批量應(yīng)變強化產(chǎn)品內(nèi)容器變形量的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)內(nèi)外容器的順利套合，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)返工成本。

參考文獻

[1]汪鈺，馮德興，張東輝，等.奧氏體不銹鋼壓力容器封頭開裂缺陷探討[J].壓力容器，2017，34(6)：74-80.

[2]張宓，馬祥.對特種設(shè)備制造和監(jiān)督檢驗中關(guān)于不銹鋼開平板材料復(fù)驗的探討[J].建材發(fā)展導(dǎo)向，2014，(11)：292-293.

[3]GB150.4-2011，壓力容器第4部分：制造、檢驗和驗收[S].

[4]趙翠釵.影響奧氏體不銹鋼深冷容器應(yīng)變強化變形率的因素[J].中國化工裝備，2018，(3)：40-44.

[5]GB150.2-2011，壓力容器第2部分：材料[S].

[6]T/CATSI05001-2018，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[S].團體標(biāo)準

作者：沈衛(wèi)東 施磊 單位：南通中集能源裝備有限公司