奥氏体不锈钢低温容器焊接与应变强化工艺的技术创新_宋超.pdf

发明创新试验2023 年 2 月第 50 卷第 2 期doi:10.3969/j.issn.1001-5922.2023.02.033Vol.50 No.02，Feb.2023收稿日期:2022-07-06;修回日期:2022-02-10作者简介:宋超(1976-)，男，高级工程师，主要从事国内外压力容器等化工设备的研发工作;E-mail:ash3866 sina com。引文格式:宋超，徐春华，夏海龙，等 奥氏体不锈钢低温容器焊接与应变强化工艺的技术创新 J 粘接，2023，50(2):139-143奥氏体不锈钢低温容器焊接与应变强化工艺的技术创新宋超，徐春华，夏海龙，张旭平，王孝松，张东杰(山东中车同力钢构有限公司，山东 济南250101)摘要:随着低温行业的快速发展，低温容器用材料奥氏体不锈钢的应用日益广泛和增加。鉴于奥氏体不锈钢含有镍等贵金属，价格昂贵且极不稳定;为此采用应变强化技术来提高不锈钢材料的屈强比，充分挖掘其塑性储备来提高其屈服强度，进而大幅度提高奥氏体不锈钢材料的强度计算的许用应力。运用应变强化技术实现奥氏体低温容器的轻型化设计和制造，对节约材料，减轻设备质量和降低成本极为显著。通过试验数据分析和有限元模拟计算分析，预测的最大变形与试验吻合较好，为实际生产提供有效的变形测量位置控制奠定了基础。关键词:低温容器;奥氏体不锈钢;应变强化;数据分析;变形控制中图分类号:TG151 3;TQ05文献标志码:A文章编号:1001-5922(2023)02-0139-05Strain strengthening technlogy innovation of and deformationcontrol of austenitic stainless steel cylinder of cryogenic vesselSONG Chao，XU Chunhua，XIA Hailong，ZHANG Xuping，WANG Xiaosong，ZHANG Dongjie(Shandong CRRC Tongli Steel Structure Co，Ltd，Jinan 250101，China)Abstract:With the rapid development of the cryogenic industry，the use of austenite stainless steel materials for cry-ogenic containers has become more and more extensive However，because Austenitic stainless steel contains pre-cious metals such as nickel，it is very expensive and unstable，therefore，the strengthening technology is adopted toimprove the yield strength ratio of stainless steel materials，and the plastic reserves are fully exploited to improve theyield strength of stainless steel materials，thus greatly increasing the allowable stress in the strength calculation ofaustenite stainless steel materials，the application of strain strengthening technology to the lightweight design andmanufacture of austenitic cryogenic vessels is very significant in saving material，reducing equipment weight andcost Through the analysis of test data and finite element simulation calculation，the predicted maximum deformationis in good agreement with the test，which provides effective deformation measurement position control for practicalproductionKey words:cryogenic vessel;austenite stainless steel;strengthening;data analysis;deformation control随着国内减排、碳达峰、碳中和等应对气候变化政策的推出，践行国家“双碳”目标责任，积极开展绿色低碳科技创新行动，以液氢(LH2)、液化天然气(LNG)、液氮(LN2)、液氧(LO2)、液氩(LAR)和液931发明创新试验氦(LHE)1 为代表的冷冻液化气体得到广泛应用，国民经济的高速发展使得其消费市场快速增加。而高真空绝热双层低温容器作为这些冷冻液化气体的储运载体，其内容器所用材料大都为奥氏体不锈钢制造2，导致奥氏体不锈钢材料的使用量日益增加，究其原因:一是奥氏体不锈钢的低温韧性好;二是奥氏体不锈钢的具有优秀的耐腐蚀性能3-4 和力学性能，易于焊接和成型;三是奥氏体不锈钢的屈强比低5，具有较大的塑性储备及安全余量，可以通过应变强化工艺在室温下拉伸到一定量的塑性变形6 来提高材料的屈服强度，相应的提高了奥氏体不锈钢材料的许用应力值7，使其承载能力充分发挥，从而可以降低同等压力下容器的壁厚，在确保容器强度安全的前提下，达到减轻低温容器质量和降低制造成本的目的，同时节约了贵金属的使用量，为绿色制造、节能降耗及减排做出一定的贡献。奥氏体不锈钢应变强化技术9-10 在国外应用已有六、七十年的历史，国、内外标准规范尽管规定不尽相同，但都是根据自身国家工业经济的发展和需求制定的适合本国工艺要求和国情的技术规定。不同国家的标准都对容器的型式、盛装介质、容器壁厚、温度、材料的选择、许用应力、强度计算、强化压力、制造和检验均提出了相关的要求，但都要求为单一直径的圆筒体和凸形封头和对焊接工艺评定试板进行预拉伸 11。为奥氏体不锈钢应变强化技术在低温行业的广泛应用提供了强有力的规范和技术依据。1应变强化工艺试验原理奥氏体不锈钢应变强化技术是通过塑性变形的方式，在材料储备塑性变形允许的范围内，以牺牲材料的一部分塑性为代价来提高材料的屈服强度的工艺力学性能12 的处理方法。奥氏体不锈钢材料的应力 应变曲线在接近塑性变形时是近似线性的，因此一般以其非比例延伸 0 2%对应的流动应力值RP0 2作为材料的屈服强度。图 1奥氏体不锈钢应变强化原理Fig 1The principle of Austeniticstainless steelstrengthening从图 1 可以看出，由于 RP0 2和 RM(材料标准抗拉强度下限值)之间有较大的塑性延伸区间，故考虑对材料施加外力，使其应力值超过屈服强度 RP0 2并达到强化应力 RPS后卸载13;此时此料将发生一定量的永久变形14。对该材料再次加载，当施加的外力对应材料的应力值小于强化应力 RPS时，材料将一直处于弹性变形阶段，直到应力值达到并超过强化应力 RPS后才会再次进入塑性阶段，即加载路径由原先的 OABC 变为 DBC。此时，强化应力 RPS即为奥氏体不锈钢新的屈服强度，与强化前相比，强化后的奥氏体不锈钢屈服强度有了明显提高，并以强化后得到的非比例延伸强度作为低温容器15 强度校核的基础，进而提高了奥氏体不锈钢相关低温压力容器的设计计算许用应力值，可以有效的降低低温容器壁厚，充分利用奥氏体不锈钢材料较大的屈强比，实现奥氏体不锈钢材料低温绝热容器15 的轻量化设计，减少容器自重和经济效益的最大化，提高相应的产品在国际贸易中的竞争力。应变强化容器的设计思路是先设计后强化，即先假定奥氏体不锈钢材料的屈服强度已经达到了强化后的预期强度，选择预期强度为设计时的计算应力，以容器强化前的直径对容器进行强度设计，然后根据计算得出的容器应变强化处理时的强化压力。采用强化处理工艺使容器的总体应力达到或超过预期的强度，并控制圆周的变形量小于理论计算的变形量17，以此达到提高屈服强度，降低壁厚的目的，强度设计时承受的薄膜应力18 仍采用薄壳理论按第一强度理论进行设计计算。本文按照 T/CATSI 050012018移动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求 和GB/T 18442 72017固定式真空绝热深冷压力容器 第 7 部分:内容器应变强化技术规定12 标准的规定，本次应变强化试验的方法采用应力强化法，按规定的许用应力值对容器进行强度校核和强化压力计算。在强化前、强化过程中及强化完成后分别测量筒体的周长，由环向周长变化计算环向应变量。首先试制样品容器进行应变强化工艺性验证，并对试验数据进行详细的分析，然后按照相关标准制造首台高真空低温绝热容器，按验证通过后的应变强化工艺进行强化处理，并对强化后的数据进行分析，并做对比分析。2应变强化工艺试验材料、技术参数、方法及实验装置2 1应变强化技术容器材料说明及技术参数本试验容器所采用的的材料奥氏体不锈钢S30408 材料具有良好的综合性能，且耐低温性能好，同时低温韧性也是深冷容器选材的一个重要指标，最低可用于沸点为 253 的液氢深冷容器上，041发明创新试验此材料在国内外均已成熟运用;但此材料在低温容器下的屈服强度(180 250 MPa)较低，抗拉强度(520 720 MPa)较高。因此，屈服强度和抗拉强度的比值较低，有较大的储备韧性潜能，通过应变强化工艺，使其产生一定量的塑性变形，充分提高其屈服强度到 410 MPa，显著发挥奥氏体不锈钢的塑性承载能力，避免材料浪费、减轻容器的整体质量。本文采用主要的合金元素为 C、Gr、Ni19 的S30408 材料，其主要化学成分的质量分数:C 小于等于 0 08%，Si 小于等于 0 75%，Mn 小于等于0 20%，Cr 为 18 00%20 00%，Ni 为 8 00%10 50%，其力学性能指标 Rp0 2不小于 290 MPa，Rm不小于 540 MPa 且也不大于 720 MPa，断后伸长率不小于 45%，固溶状态交货。2 2应变强化技术容器技术参数本试验容器的圆筒内直径为 1 800 mm，每节的长度不小于 1 500 mm，共 2 节，两边为椭圆封头。设计压力为 2 1 MPa，计算压力为 2 3 MPa，壳体名义厚度为 8 mm，椭圆封头名义厚度为 9 mm，设计温度许用应力为 273 MPa，强化压力为 3 5 MPa。2 3试验方法本文采用常温应变方法，即在室温下向容器内充满氯离子含量小于 25 106的干净水，通过与容器相连的加压装置，按照一定的升压速率使容器逐渐增压到强化压力，并通过不断增压的方式维持容器内的强化压力不变，以便使容器得到充分的塑性变形。在周长变化率满足标准要求时终止保压，逐步缓慢降压，直至压力降为 0。2 4应变强化周长测量周长测量位置选在容器筒节最大变形截面部位，选 4 个截面，2 个筒节中间截面，以及中间环焊缝处截面;测量工具为位移传感器自动测量装置。2 5试验装置容器的应变强化过程需要经历弹性变形和塑性变形两个阶段，特别是在塑性变形阶段，其应变量对压力比较敏感，如果手动操作就比较困难，因此本试验的加压设备采用全自动微机控制系统，主要包括注水系统、加压系统、气压系统和微机控制系统，在应变试验的全过程可以实现全自动打压控制，自动控制应变强化时的压力变化，维持各个所需阶段的设定的压力，且能按设定的压力停止点进行保压，并能自动记录周长变化量和分析环向应变量，且能在试验进行时自动生成压力 时间与位移 时间的关系曲线，使测量精度和工作效率都大大提高;图 2 为试验装置实物图。图 2试验装置Fig 2Test Apparatus3应变强化工艺试验过程及实验结果分析3 1应变强化工艺试验过程本试验过程采用2 个经校验合格的0 40 MPa的机械压力表用于现场观察和一个数显压力变送器用于向控制系统传递压力信号进行打压自动控制，同时在容器的周长测量布置位移传感器实时向控制系统传递周长变化量用于计算周向变化率和钢卷尺同步测量周长变化量，具体测量布置图如图 3 所示。图 3应变强化压力和周长测量布置图Fig 3Layout of strengthing pressureand perimeter measurement应变时为了获得容器上各部位稳定的应变值，同时保证样品容器能得到充分的变形应采用逐级加压、缓慢升压的方式。根据 T/CATSI 050012018移动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求 标准的要求，在设计压力之前最大升压速率小于等于 0 5 MPa/min，本试验为 0 2 MPa/min;设计压力之后升压速率小于等于 0 1 MPa/min，本次实验为 0 08 MPa/min。当试验达到设计压力2 1 MPa时，表面检查合格后继续缓慢升压至强化压力 3 5 MPa;当达到 3 5 MPa 的强化压力时，系统进入保压阶段，此时每隔 5 min 记录一次数据，直至保压结束。保压结束后，将压力降至设计压力2 1 MPa时，保压一段时间对容器再进行一次全面的外观检查，并记录此时的周长变化量;之后卸压，并在完全放水后，再记录此时的容器的周长变化量。然后，对各个测量处的数据进行计算处理，分析计算不同位置的周长变化率，找出容器最大的变形截面。将 S1 S4测量数据相应填入应变强化容器周长记录表格，取初始周长最大读数，按周长应变率不超过0 0%/h 计算出最后 30 min 内的最大周长应变率，并记录在表格中，具体如表 1 所示。在试验时通过微机控制系统自动生成压力 时间与位移 时间的关系曲线，具体结果如图 4 所示。141发明创新试验表 1试验过程数据记录及处理Tab 1Recording and processing of test process data项目S1 处周长S1 处周长变化率S2 处周长S2 处周长变化率S3 处周长S3 处周长变化率S4 处周长S4 处周长变化率升压过程15 7215 7225 7265 7220 MPa25 7225 7235 7335 7282 1 MPa35 7995 8255 8405 8073 5 MPa45 8175 8435 8555 8165 min55 8225 8495 8605 82110 min65 8275 8555 8665 82615 min75 8305 8595 8695 82820 min85 8325 8615 8725 83125 min95 8341 215 8631 35 8741 165 8320 8630 min105 834 50 65 8650 755 8760 725 833 506035 min115 8360 485 8680 655 8780 615 834 50 4640 min125 8370 345 8700 515 8790 445 835 50 3345 min135 8380 275 8710 415 8800 375 836 50 2950 min145 8390 245 871 50 365 8810 315 8370 2155 min155 8400 215 8730 345 8820 275 8380 2160 min165 840 50 215 8740 315 882 50 225 8390 1965 min175 8410 175 8750 245 883 50 195 8400 1970 min185 8420 175875 50 195 884 50 195 8400 1575 min195 8420 145 8760 175 8850 175 840 50 1480 min205 8430 145 876 50 175 8860 175 8410 1485 min215 8440 145 877 50 155 886 50 155 8420 1490 min225 8440 125 877 50 125 8870 155 8420 1095 min235 8440 105 8780 105 887 50 145 842 50 09100 min245 844 50 095 8790 125 8880 125 8430 10105 min255 8450 105 879 50 125 888 50 125 843 50 10110 min265845 50 095 8800 125 8890 105 8440 10115 min275 8460 075 8800 095 8890 085 8440 07120 min285 8460 075 8810 125 889 50 085 8440 07125 min295 8470 105 8810 105 890 50 105 8450 09130 min305 8470 095 881 50 095 8910 105 8450 07135 min315 8445 8795 8875 8422 1 MPa325 8355 8705 8795 8340 MPa周向变化率/%1 992 592 671 96图 4应力、位移随时间变化曲线图Fig 4Curve of stress and displacement with time3 2试验结果分析(1)从表 1 的数据分析和图 4 应力、应变随时间变化曲线图来看在应力达到屈服强度前，属于弹性变形范围，应变随应力的增大而成比例的增加;(2)从表 1 记录的数据分析和图 4 应力、应变随时间变化曲线图来看在应力达到屈服强度后，随着应力的增加，应变也在增加，但增加的幅度在逐渐的减小，筒体材料出现一定的永久塑性变形，卸载后，出现新的弹性变形阶段作为更高的非比例延伸强度屈服点;(3)容器卸压后，筒体中部焊缝 2 侧参与的周向应变分别为 2 59%、2 67%，为变形的较大部位;(4)最大变形出现在距离加强部位较远的不受约束的筒体中间部位，说明封头和加强圈对变形起到了一定的限制。241发明创新试验4应变强化工艺试验有限元模拟分析4 1实体模型有限元分析软件根据设计图纸建立有限元仿真分析模型;结构整体几何模型和有限元网格模型如图 5 所示。图 5有限元网格模型Fig 5Finite Element Mesh Model4 2模拟过程图 6 为设计压力下筒体应力及应变变化云图。图 6设计压力下筒体应力及应变变化云图Fig 6The Cloud Diagram of cylinder stress andstrain under design pressure从图 6 可以看出，在设计压力下筒体刚屈服整个筒体变形比较均匀。最大应力和变形在筒体中间部位比较大，加强圈附近和筒体两端由于封头的加强作用，受到的应力较小和变形较小。图 7 为强化压力下筒体应力及应变变化云图。图 7强化压力下筒体应力及应变变化云图Fig 7The Cloud Diagram of cylinder stressand strain understrengthening从图 7 可以看出，在强化压力下筒体已经屈服，最大应力和变形在筒体中间部位比较大，加强圈附近和筒体两端由于封头的加强作用，受到的应力较小和变形较小。5结语(1)通过实际试验数据分析和有限元建模理论分析，二者吻合较好，找出了奥氏体不锈钢低温容器关键部位的变形规律，得出应力和应变在筒体两端和加强圈附近变化较小。在以后的生产中可以考虑在未加强的部分布置相应的传感器，从而测出应力应变变化最大部位的变化值;(2)通过以上数据分析，最大变形量为 2 67%，小于相关技术文件规定的最大变形量 10%，未出现过度强化，未对容器的整体安全性造成影响;(3)局部结构因在焊接过程中产生的收缩在应变强化后得以“趋圆”，使焊缝圆滑过渡，结构的不连续性得到改善。【参考文献】1 孔韦海 压力容器用应变强化奥氏体不锈钢组织转变及低温力学性能研究 D 合肥:合肥工业大学，2021 2 郑津洋，高晓哲，寿比南，等 奥氏体不锈钢制深冷容器室温应变强化技术常见问题探讨J 压力容器，2013，30(3):45-51 3 党丽 热处理对 316L 奥氏体不锈钢结构、力学和耐腐蚀性能的影响 J 粘接，2021，45(1):46-49 4 齐佳 体育教学器材用不锈钢材质耐腐蚀性研究 J 粘接，2020，42(6):63-67 5 郑津洋，郭阿宾，缪存坚，等 奥氏体不锈钢深冷容器室温应变强化技术 J 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