不锈钢低温压力容器强化变形量控制

[摘要]通过分析影响奥氏体不锈钢低温压力容器应变强化变形量的主要因素，探讨其影响规律，针对其规律提出相应有利的控制变形量的解决方案，并将其与应变强化工艺过程控制各环节相匹配，从而制定较为科学的现行应变强化工艺流程。

[关键词]奥氏体不锈钢；低温压力容器；应变强化；变形量；工艺控制

1概述

随着低温液化气体的日益广泛应用，低温压力容器的需求量不断增加。在安全前提下，实现低温压力容器的轻量化，对于节能降耗具有重要意义。对奥氏体不锈钢采用应变强化技术可以提高材料的屈服强度，显著减薄奥氏体不锈钢低温压力容器的壁厚，减轻重量，从而节约材料，降低低温压力容器的制造成本，提高产品的市场竞争力。特别是对于我司主营业务低温液体罐箱，为使用户利益最大化，整备质量轻量化，承压内容器的应变强化技术是发展趋势。但低温液体罐箱受外部框架尺寸限制，使得内容器和外壳之间的夹层空间可调量较小，一旦应变强化变形量超出预期，则会因内外容器不能顺利套合而造成产品返工甚至报废，因此控制内容器应变强化时的变形量显得尤为重要，找出影响应变强化变形量的因素并应用工艺手段进行控制，可以使批量产品的变形量相对稳定，从而实现内外容器的顺利套合，降低返工和报废风险。

2材料力学性能对变形量的影响

在奥氏体不锈钢应变强化内容器的制造中，内容器筒体部分要求用同一材检号的开平板材料。选取了使用相同材检号的开平板材料制造的四台应变强化内容器的产品，并在内容器应变强化过程中记录了试验温度并选取相同的测量位置测量变形量，根据表1中的变形量数据可以看出，即使使用相同材检号的材料，在相同位置的筒体外周长变形量也会有较大的差别。为此，重新选取了几个不同材检号开平板材料，并对其头部、中部、尾部分别进行力学性能复验，并将复验结果与该材检号对应的卷钢质量证明书进行了对比。根据表2的对比数据可以看出，相同材检号开平板材料在不同位置的力学性能是存在差别的。开平板是卷型钢带在室温下经过开卷、校平、剪切而成的钢板，因其长度可自由裁定、节约材料而被压力容器制造企业所青睐，但因其在固溶处理后又经历了钢带成卷和开平操作等反复冷加工变形，变形量的增大使其力学性能与轧制钢板相比存在较大差异[1]，开平操作不会影响其化学成分[2]。这也是国家特种设备标准规范要求对奥氏体不锈钢开平板需按批号复验力学性能的主要原因[3]。同时，材料的屈强比越低、延伸率越高、塑形越好，应变强化变形量越大[4]。因此，即使采用相同材检号开平板制造相同结构的内容器，在应变强化后筒体外周长变形量也会有差别，所以对于内容器与外壳夹层空间比较小、对应变强化变形量控制要求高的产品，内容器材料应选用力学性能相对平稳的原平板材料或相同批号的材料。

3温度对应变强化变形量的影响

根据GB150.2-2011《压力容器第2部分：材料》[5]中附录表B.14《钢材平均线膨胀系数》，奥氏体钢（Cr18Ni8~Cr19Ni14）在0℃与20℃之间的平均线膨胀系数α=16.28×10-6mm/mm•℃，在20℃与50℃之间的平均线膨胀系数α=16.28×10-6mm/mm•℃。可以看出，在0℃~50℃间材料的变形量会随着温度的升高而加大的趋势。为此我们参照T/CATSI05001-2018《移动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求》[6]附录D进行试验，选取两组相同材质、相同厚度、Rp0.2分别为271MPa和293MPa的材料制作了模拟拉伸试件，采用应力控制法，将终止应力控制在410MPa的预拉伸方式，在10~30℃的温度梯度下进行模拟应变强化的拉伸试验，对变形量进行测定。测定得出的变形量数据见表3、表4。将表3和表4中每个温度梯度的变形量取平均值并换算成变形率，得出曲线1进行对比分析。可以看出，在相同预拉伸应力下材料的变形量随着温度的升高而增大。在相同的温度、相同的预拉伸终止应力下，试件的变形量随着材料力学性能Rp0.2值的增大而减小。

4结论

内容器与外壳夹层空间比较小且应变强化变形量控制要求高的深冷压力容器，在设计和制造中可采取以下控制措施：(1)应变强化容器用板材的采购，根据应变强化容器设计规范的不同，其用板材分别按GB/T24511、SA240/SA240M、EN10028-7现行标准（版本）选用，若满足《固容规》、《移动容规》、NB/T47059等要求，需按相应标准再增加特殊要求，如：(a)在标准法规允许范围内和材料生产厂家的能力范围内适当提高材料的屈服强度Rp0.2值；或：(b)内筒体相邻筒节优先采用同一炉批号、同一厚度的材料；或：(c)内筒体采用开平板时，相邻筒节优先采用连续相邻的开平板；或：(d)内筒体相邻筒节采用不同炉批号材料时，相邻筒节材料的钢材0.2%规定非比例延伸强度Rp0.2差值不得超过30MPa。同时，通过对同一台产品由多个筒节组成的内容器采用的板材力学性能进行规定，可减小同台产品内容器筒体上不同位置变形量的差异。(2)在内容器应变强化阶段，控制应变强化时注水的温度不超过20℃，可采用在水中增加冰块或增加制冷机组等方式对试验用水进行降温，在夜间环境温度低的时候进行强化操作等。通过降低应变强化时温度来控制和降低材料变形量。通过以上控制措施，可以有效地实现批量应变强化产品内容器变形量的稳定性，从而实现内外容器的顺利套合，提高生产效率、降低生产返工成本。

参考文献

[1]汪钰，冯德兴，张东辉，等.奥氏体不锈钢压力容器封头开裂缺陷探讨[J].压力容器，2017，34(6)：74-80.

[2]张宓，马祥.对特种设备制造和监督检验中关于不锈钢开平板材料复验的探讨[J].建材发展导向，2014，(11)：292-293.

[3]GB150.4-2011，压力容器第4部分：制造、检验和验收[S].

[4]赵翠钗.影响奥氏体不锈钢深冷容器应变强化变形率的因素[J].中国化工装备，2018，(3)：40-44.

[5]GB150.2-2011，压力容器第2部分：材料[S].

[6]T/CATSI05001-2018，移动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求[S].团体标准

作者：沈卫东 施磊 单位：南通中集能源装备有限公司