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

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轻量化技术可以节约材料，降低能耗，符合安全与经济并重、安全与资源节约并重的发展理念，已经成为压力容器的主导发展方向。室温应变强化技术作为-种轻量化技术，可大幅提高奥氏体不锈钢的许用应力，显著减薄容器壁厚，降低重容比，已广泛应用于奥氏体不锈钢制深冷容器制造。

经过近 10年的努力，中国已攻克深冷容器非线性设计 、应变强化工艺、强化参数控制等关键技术，开发成功了应变强化多任务自动控制系统，研制成功了奥氏体不锈钢应变强化制深冷容器，实现了深冷容器轻量化，显著提高了中国深冷容器产品的国际竞争力 。

目前，中国还没有室温应变强化技术的国家标准和行业标准。国际标准化组织、欧盟、澳大利亚、美国等已颁布了有关应变强化技术的标准，但这些标准之间存在-定的差异。中国在实施室温应变强化技术过程中，遇到了-些新的技术问题。

文中结合近些年的研究成果，以及设计、制造和使用实践，从材料、设计、制造、检验等方面，对奥氏体不锈钢制深冷容器室温应变强化技术的常见问题进行了探讨，并提出了若干建议。

1 材料1.1 材料 强化深冷容器至少需要考虑两个工况，即室温下的耐压试验工况和深冷下的操作工况。在这两种工况下，奥氏体不锈钢的力学性能差异很大。以$30408为例，图1示出了母材在室温下的实测拉伸曲线，图2示出经过9%室温应变强化后材料在 -196℃下的实测拉伸曲线。由图 1，2可知，奥氏体不锈钢应变强化制深冷容器涉及材料室温应变强化和深冷强化。

(1)室温应变强化室温应变强化提高了材料的屈服强度，且屈服强度随着应变强化程度的提高而提高，但对抗拉强度的影响不大。如图 1所示，奥氏体不锈钢经 9%预拉伸后，其室温屈服强度从 282 MPa提高到450 MPa左右。

宴H日岂H工程应变图 1 $30408实测室温拉伸曲线图2 9%预拉伸 $30408在 -196℃下的实测拉伸曲线(2)低温强化随着温度的降低，奥氏体不锈钢的强度提高，塑性下降。如图2所示，温度降低到-定程度后，材料应力-应变关系曲线的形状变为倒S”形，出现了明显的屈服平台。

图 1与图 2对比可知，温度从室温降低到- 196 cC，9%应变强化 $30408的屈服强度从450MPa提高到 618 MPa，抗拉强度更是从 690 MPa提高到 1575 MPa∩见，深冷环境对材料强度的增益作用高于室温应变强化。

事实上，即使不进行室温应变强化，奥氏体不锈钢也可以在低温下提高其许用应力。例如，欧盟标准EN 10028-7：2008(压力容器用钢的扁平产品第7部分：不锈钢》中规定，奥氏体不锈钢第30卷第3期 压 力 容 器 总第244期1.4301在 2O℃下的屈服强度 尺加. 和抗拉强度下限分别为210和520 MPa，而在 -196 oC下其和抗拉强度的参考数据则分别提高至 300和1250 MPa3 J。美国机械工程师协会锅炉及压力容器规范 ASME BPVCⅧ -1：2010(以下简称ASME BPVC VlI-1：2010)中则规定 5%，8%，9%Ni钢和 304不锈钢以及 5083-0型铝合金在低温环境下使用时可采用更高的许用应力，例如SA240-304在 -195 oC下，其用于非焊接结构和焊接结构的最大许用应力分别提高至243和 161MPa E。

1.2 奥氏体不锈钢钢板的镍含量奥氏体不锈钢在低于形变诱发马氏体相变临界温度 时，塑性变形会导致马氏体相变，由面心立方结构的奥氏体组织转化为体心立方结构的Ot 马氏体组织。后者虽然具有更高的强度和硬度，但其塑性和韧性较低，因此马氏体相变会降低奥氏体不锈钢的塑性。研究表明，提高镍含量可以改善奥氏体不锈钢的稳定性，减少形变诱发马氏体相变量，提高材料的韧性，降低冷裂纹出现的可能性 J。因此，必须严格控制奥氏体不锈钢钢板的镍含量。实践表明，应变强化用 $30408的镍含量宜控制在 8.30%以上。

1.3 室温应变强化后奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能对应变强化奥氏体不锈钢抗腐蚀性能的研究表明，在10%的应变范围以内，应变强化对于其耐腐蚀性能的影响很校研究表明，在氧化性介质(浓度为65%沸腾 HNO 溶液)和非氧化性介质(沸腾的2%H SO 3%Na SO 溶液)中，10%应变强化对于材料的耐均匀腐蚀和晶间腐蚀性能几乎没有影响，在酸性(10%FeC1 )和中性(4%NaC10.2K Fe(CN) )氯化物溶液中，10%的应变强化也未对材料的点蚀敏感性产生明显影响 。J。

1.4 室温应变强化后奥氏体不锈钢的抗疲劳性能目前 ，国内外相关标准中还没有针对应变强化深冷容器的疲劳设计曲线。澳大利亚标准 AS1210：2010附录 L8 对应变强化移动式深冷容器的疲劳设计提出了要求，使用的是未经室温应变强化处理的材料疲劳设计曲线。德国正在开展相关研究，准备制订包含应变强化材料疲劳设计曲线的标准。

大多数材料室温疲劳试验 表明：应变强化提高了材料的疲劳寿命，容器疲劳试验也表明应变强化对容器的室温疲劳寿命具有增益作用 。这说明现有的疲劳设计曲线可以用于应变强化深冷容器的疲劳设计。但也有研究表明，应变强化使奥氏体不锈钢疲劳寿命有所下降。

2 设计2.1 容器强化后材料的屈服强度奥氏体不锈钢制深冷容器许用应力是按照强化后材料室温屈服强度除以安全系数确定的。但是，这并不意味着要将强化后的屈服强度作为容器强化后奥氏体不锈钢拉伸试验的合格指标。

最适合采用室温应变强化技术的是壁厚均匀、承受均匀拉伸薄膜应力的无开孔薄壁球形容器。而实际上，容器各部位的厚度及结构往往存在差异，不同部位(如简体和封头、接管和封头的连接处)的强化程度也就有不同，应力低的区域强化程度低，强化后材料的屈服强度就校但是，这并不影响容器的安全性，因为容器中强化程度低的区域，实际使用中应力水平也低。

2.2 室温应变强化后材料的许用应力室温应变强化后材料的许用应力是奥氏体不锈钢制深冷容器室温应变强化产品设计制造的-个关键参数。目前，已有多种许用应力的确定方法：(1)欧盟标准 EN 13458-2：2002《低温容器--静态真空绝热容器 第 2部分：设计、制造、检验和试验》附录 c(以下简称 EN 13458-2：2002附录 C)规定，强化后奥氏体不锈钢的屈服强度 R 不得超过未强化材料屈服强度 R0.2加上200 MPall，许用应力为尺 除以1.5。

(2)澳大利亚标准AS 1210：2010(压力容器》附录 L(以下简称 AS 1210：2010附录 L)规定，强化后的材料屈服强度与抗拉强度之比应小于0.8。

许用应力为 min(R /1.5，R /2.5)，对于应变强化容器， 为容器在强化压力下的计算应力，尺 为材料室温拉伸强度下限值。经设计人员和制造商同意，可将 R 更换为 0.5(JR R )，R 为材料实 际抗 拉 强度，但 尺 们 取值 不得 超过1.25R [。

(3)ASME BPVC Vi-1 I2010 Appendix：2011《应变强化奥氏体不锈钢制压力容器》(以下简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 Vo130.No3 2013称 ASME BPVCⅧ -1：2010 Appendix：2011)直接规定了强化后奥氏体不锈钢的许用应力。例如，304不锈钢为强化后的许用应力 270 MPa 1 。

(4)马利等 提出了基于材料真实应力-应变曲线的 确定方式。认为对于应变强化，-方面为充分提高材料许用应力，其应力增量应该尽可能大；而另-方面为保留足够的塑性，其应变能增量应该旧能小，合适的强化程度应该使应力相对增量和应变能相对增量的比值最大。许用应力为R 除以安全系数 1.5。

对于$30408，根据上述几种方法得到的许用应力均在270 MPa左右。事实上，在不同的低温下，奥氏体不锈钢强度有较大差异，更为合理的方式是结合实际工况来确定许用应力。

3 制造3.1 强 化 不 足应变强化深冷容器内容器在强化压力下其应力有时不能达到410 MPa(以$30408为例)，或者强化后简体最大环向变形不能达到特定值(如6%)。有观点认为这是强化不足”造成的。

事实上，限定应变强化后最大屈服强度为410 MPa是为了保证材料在强化后仍具有充足的塑性储备。实际容器在强化压力下简体最大环向应力不应超过410 MPa。如前所述，该值并不能作为判断容器是否强化不足”的依据。

同样，内容器强化后筒体最大环向变形也不能作为强化不足”的依据。强化过程中，内容器需要在强化压力下充分变形，此处的充分变形”并非指容器变形要达到特定的数值，而是指容器形状和尺寸趋于稳定。根据理论分析、数值模拟和试验研究，强化后产品的最大环向应变-般不超过 6%。该数值可以用来判断产品是否正常强化，如果变形超过该数值，则可能在之前某个环节出现问题，此时需要根据实际情况分析问题所在。

在实际生产中，产品最大环向应变多在0.5%-5.5%之间。应变量的大小与板材厚度、轧制程度 、化学成分、热处理状态、厚度附加量、强化应力等诸多因素有关。

举例来说，同-台压力容器，按照常规设计与按照应变强化设计，均加载到按应变强化设计的强化压力，前者的最大环向应力与最大环向变形较小，但显然前者的强度裕度与塑性储备要高于后者。因此，不能仅仅因为容器在强化压力下简体最大环向应力和环向应变较小而认为容器强化不足”。

3.2 内容器封头冷成型变形率的控制塑性变形过程中，奥氏体不锈钢的晶格扭曲和马氏体相变会影 响材 料的塑性。Brautigam等 发现，塑性应变超过20%后，奥氏体不锈钢的冲击功有所降低。因此，应当控制奥氏体不锈钢钢板的冷成型变形率，当变形率超过-定值时，应进行恢复性能热处理。

AS 1210：2010附录L规定，容器应变强化后最大局部变形率不得超过 10%；EN 13458-2：2002附录 C和 EN 13530-2：2002《低 温容器--大型移动式真空绝热容器 第 2部分：设计、制造、检验和试验》附录 C认为材料最大塑性变形在 10%以内可以保证足够的断后伸长率8，” J。研究表明，应变量控制在10%以内时，应变强化对 $30408的力学性能影响不大 。在实际生产中，往往把塑性变形控制在9%以内。

对于冷成型封头，冲压(旋压)成型和室温应变强化均会产生塑性变形。在确定变形率时，应同时考虑这两部分变形率。

3.3 铭牌上应增加的 内容应变强化制固定式深冷容器铭牌应符合GB/T 18442-201 1《固定式真空绝热深冷压力容器》 以及 TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》 的相关规定，应变强化制移动式深冷容器铭牌应符合 TSG 1t0005--2011《移动式压力容器安全技术监察规程》2 的相关规定。此外，建议在铭牌中增加应变强化”的标识。ASME BPVC Appendix：2011 和 AS 1210：2010 也有类似的规定。

3.4 容器强化后容积改变量应变强化后，深冷容器的容积会增大，容积增大率有时会达到10%左右，会对容器充装率造成影响。因此，建议在应变强化控制系统中设置容积改变量测量功能，测得每台容器强化后的实际容积。

4 检验4.1 室温应变强化前后内容器的无损检测要求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头夏比V型缺口冲击试验两项常用的合格指标。

对于采用何种指标，业内存在不同做法。例如，欧盟标准 EN 13445-4：2009(非直接火焰接触压力容器 第四部分：制造》中规定，对于奥氏体不锈钢1.4301，容器最低设计温度低于 -105℃时，须对焊缝和热影响区进行 -196℃下的冲击试验，冲击功不得低于4O J ；美国标准 ASME BPVCⅧ- 1：2010中则规定，对于 SA240-304材料，其母材、焊缝、热影响区冲击试验的侧向膨胀量不低于0.38 mm[引O.12j叵 o.06橱 廿 jⅡ0.00蛊叵牝堡恕0.120 50 lO0 150 200到端部的距离/mm(a) 6 mm厚度预拉伸试样0功与侧向膨胀量的影响很小，应变强化前后，材料可以采用相同的冲击试验合格指标 。对于奥氏体不锈钢$30408，建议采用3l J冲击功和0.53mm侧向膨胀量同时作为冲击试验的合格指标。

4.5 奥氏体不锈钢弯曲试验 弯头直径的选取弯曲试验是了解材料塑性变形能力的重要方法。在弯曲试验中，弯头直径是-个重要参数。

对于奥氏体不锈钢母材弯曲试验，目前GB/T232-2010(金属材料弯曲试验方法》 中并未对弯头直径做出明确规定，进行弯曲试验时，有的沿用国内相关产品标准采用4倍厚度弯头，有的采用2倍厚度弯头。

为了充分检测材料的塑形变形能力，弯曲压头直径的选取应参考材料的断后伸长率，合适的弯头应当使试样的最大弯曲伸长率小于但接近材料拉伸试验的断后伸长率。

研究表明，对于 $30408母材，在 4倍厚度弯头作用下最大弯曲伸长率为 15% ～25%，而在 2倍厚度弯头作用下其最大弯曲伸长率则为30%～ 40% [281，均未超过 GB 245112009《承压设备用不锈钢钢板及钢带》 规定的材料断后伸长率下限值40%。由于奥氏体不锈钢具有优良的韧性和塑性，美国标准ASME BPVCⅡPart A《锅炉及压力容器规范 第 Ⅱ卷 A篇》SA-240/SA-240M：2010 3。。中则认为对于任何厚度的奥氏体不锈钢，均不需要进行弯曲试验。而欧盟和澳大利亚室温应变强化标准中也未要求对母材进行弯曲试验。

大量试验和制造实践表明，$30408均能满足2倍厚 度弯头 直径 的弯 曲试 验。因此，对 于$30408，建议取消母材弯曲试验，对焊接接头的弯曲试验采用4倍厚度弯头。

50 l00 l50 200到端部的距离 mm 5 结语(b) 24 mm厚度预拉伸试样图5 9%预拉伸后试样变形研究表明，奥氏体不锈钢1.4301焊接接头的侧向膨胀量与冲击功之间存在关联性，试样的冲击功与侧向膨胀量在应变强化前后均呈现出线性关系 。然而，冲击功和侧向膨胀量试验数据存在-定的分散性，若考虑置信区间，两种评价指标并不能够相互取代。此外，9%应变强化对于冲击· 50 ·与传统奥氏体不锈钢压力容器相比，采用室温应变强化技术可以显著提高产品的经济性和竞争力。但该技术对材料、设计、制造(特别是焊接)和加压系统的要求较高。为提高我国奥氏体不锈钢制深冷容器的竞争力，应当积极而审慎地发展室温应变强化技术。

奥氏体不锈钢制深冷容器的疲劳设计尚缺少足够的数据支撑，需要通过大量的试验研究，获得第30卷第3期 压 力 容 器 总第244期充分反映其疲劳特性的设计曲线。

建议眷开展我国奥氏体不锈钢制深冷容器国家标准的制定，在材料、设计、制造、试验等方面提出统-要求，以规范和促进该技术的发展。