鞠曉鋒

（南通中集能源裝備有限公司 南通 226003)

1 引言

隨著低溫罐式集裝箱（下面簡(jiǎn)稱“低溫罐箱”）的應(yīng)用越發(fā)廣泛，其輕量化需求也更加迫切，奧氏體不銹鋼的應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)由于可以提高材料的許用應(yīng)力，降低容器壁厚而被廣泛采用。低溫罐箱由框架和罐體組成，框架需要滿足GB/T 1413-2008 《系列1集裝箱分類、尺寸和額定質(zhì)量》的尺寸要求，罐體由內(nèi)容器和外殼組成。外殼受框架尺寸限制，內(nèi)容器和外殼裝配形成的夾層中填有高真空多層絕熱材料，需要保留一定的空間。內(nèi)容器經(jīng)過(guò)應(yīng)變強(qiáng)化，會(huì)在環(huán)向發(fā)生形變，直徑會(huì)從一定程度上增大。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者從材料性能、容器設(shè)計(jì)、制造檢驗(yàn)等方面對(duì)奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行研究，認(rèn)為在強(qiáng)化過(guò)程中容器的形狀和尺寸趨于穩(wěn)定可以被認(rèn)為是充分強(qiáng)化【1】。如何找到容器變形量與強(qiáng)化壓力之間的關(guān)系，確定合適的內(nèi)容器直徑，成為應(yīng)變強(qiáng)化應(yīng)用在低溫罐箱產(chǎn)品上的一個(gè)難題。內(nèi)容器選取直徑過(guò)小，則容積不能滿足用戶的要求，選取直徑過(guò)大，應(yīng)變強(qiáng)化后內(nèi)容器直徑增加，不能滿足與外殼套合的要求，則內(nèi)容器報(bào)廢。確定合適的內(nèi)容器直徑，需要能夠預(yù)測(cè)內(nèi)容器在應(yīng)變強(qiáng)化過(guò)程中的變形率。

本文結(jié)合了國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)和近幾年公司生產(chǎn)的應(yīng)用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的移動(dòng)壓力容器獲得的強(qiáng)化數(shù)據(jù)，分析其中的規(guī)律，提出預(yù)測(cè)S30408材料應(yīng)變強(qiáng)化變形率的方法。

2 奧氏體不銹鋼材料S30408的模擬試驗(yàn)

奧氏體不銹鋼材料S30408的室溫組織為穩(wěn)定的面心立方晶體，沒(méi)有脆性轉(zhuǎn)變溫度，其良好的低溫性能使其廣泛的使用在低溫移動(dòng)壓力容器上。同時(shí)其屈強(qiáng)比較低，有良好的韌性和塑性，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度間具有較大的塑性延伸區(qū)域，即應(yīng)變強(qiáng)化段【2】。根據(jù)EN13530《低溫容器-大型移動(dòng)真空絕熱容器》附錄C.7中介紹了奧氏體不銹鋼材料的增強(qiáng)理論，在變形時(shí)體現(xiàn)出相當(dāng)明顯的應(yīng)變強(qiáng)化表現(xiàn)，同時(shí)還能保持材料特性。卸載后，材料會(huì)產(chǎn)生塑性變形，再次加載，應(yīng)力應(yīng)變會(huì)沿卸載路徑進(jìn)行線性增長(zhǎng)，直至應(yīng)力大于σk后，材料再次進(jìn)入塑性階段，屈服強(qiáng)度提高，其應(yīng)力/應(yīng)變曲線如圖1所示【3】。

圖1 奧氏體不銹鋼應(yīng)力/應(yīng)變曲線【3】

Rp0.2/1.0為規(guī)定非比例延伸率（試驗(yàn)中引伸計(jì)標(biāo)距的非比例延伸與引伸計(jì)標(biāo)距之比的百分率）為0.2%/1.0%時(shí)的應(yīng)力。原國(guó)標(biāo)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中取Rp0.2作為確定許用應(yīng)力的基數(shù)，即Rp0.2除以相應(yīng)的安全系數(shù)1.5為材料的許用應(yīng)力?，F(xiàn)在鋼板冶煉技術(shù)提高，鋼板質(zhì)量已接近世界領(lǐng)先水平，具備了采用Rp1.0的基礎(chǔ)儲(chǔ)備。GB150是國(guó)內(nèi)壓力容器體系的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)，其中4.4.1中提出，如果在引用的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了Rp1.0，可以選用該值確定許用應(yīng)力【4】。根據(jù)GB/T 24511-2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》規(guī)定，奧氏體不銹鋼材料S30408塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2≥220MPa，Rp1.0≥250MPa，抗拉強(qiáng)度Rm≥520MPa，斷后伸長(zhǎng)率A≥40%。依照GB150應(yīng)用S30408材料進(jìn)行設(shè)計(jì)的容器就可以用250MPa來(lái)確定許用應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。依照T/CATSI 05001-2018 《移動(dòng)式真空絕熱深冷壓力容器內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)要求》規(guī)定，S30408塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2≥220MPa，抗拉強(qiáng)度520MPa ≤Rm≤720MPa，斷后伸長(zhǎng)率A≥45%，進(jìn)一步提高了材料的塑性和韌性要求，提高了奧氏體不銹鋼材料應(yīng)變強(qiáng)化后的可靠性，并將許用應(yīng)力提高至273MPa【5】。

實(shí)際采購(gòu)到的板材力學(xué)性能差異較大，收集我司近幾年采購(gòu)的S30408的材料質(zhì)保書(shū)中信息，Rp0.2在260MPa～330MPa之間，Rp1.0在300MPa～365MPa之間。材料性能的不確定使內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化變形量控制難度加大。

對(duì)選定的8mm板厚的S30408材料沿軋制方向制作模擬內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化受力情況的拉伸試樣。試樣總長(zhǎng)度450mm，寬度32mm，配合液壓拉伸試驗(yàn)機(jī)的夾具，兩端預(yù)留50mm的夾持段，以試樣中心為基準(zhǔn)向兩側(cè)進(jìn)行標(biāo)距劃線，標(biāo)距尺寸為l0=200mm。拉伸試樣示意見(jiàn)圖2,。采用應(yīng)力控制法進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，將應(yīng)力控制在360MPa和410MPa，試驗(yàn)溫度控制在環(huán)境溫度20℃。為了盡量接近應(yīng)變強(qiáng)化時(shí)內(nèi)容器承受拉伸力的條件，試驗(yàn)時(shí)要求試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力加載速率不大于1MPa/s，達(dá)到拉伸終止應(yīng)力值后，保載不少于15分鐘后卸載。測(cè)量試樣上的標(biāo)距尺寸l，計(jì)算出標(biāo)距伸長(zhǎng)量Δl=l-l0和試樣應(yīng)變率ε=Δl/l0=(l-l0)/l0。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。對(duì)材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，獲得數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖2 拉伸試樣示意圖

表1 不同性能S30408拉伸試樣在各應(yīng)力下的變形量

表2 不同性能S30408拉伸試樣復(fù)驗(yàn)數(shù)據(jù)

匯總表1和表2的數(shù)據(jù)，增補(bǔ)了相關(guān)應(yīng)力的拉伸試驗(yàn)，繪制了變形量曲線圖見(jiàn)圖3，可以看出，在整體趨勢(shì)上，材料承受拉伸載荷的變化規(guī)律與圖1相似，當(dāng)拉應(yīng)力不超過(guò)材料彈性階段Rp0.2，各代表性點(diǎn)的應(yīng)變隨著應(yīng)力的增加呈線性增長(zhǎng)規(guī)律。當(dāng)拉應(yīng)力在Rp0.2和410MPa之間，各代表性點(diǎn)的應(yīng)變隨應(yīng)力的增長(zhǎng)幅度迅速加大，仍然呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。中間值可以用插值法確定。當(dāng)拉伸應(yīng)力在372.6MPa時(shí)通過(guò)插值法計(jì)算的標(biāo)距伸長(zhǎng)量和應(yīng)變率見(jiàn)表3。

圖3 不同性能S30408拉伸試樣在各應(yīng)力下變形量曲線

表3 通過(guò)插值法計(jì)算試樣標(biāo)距伸長(zhǎng)量和應(yīng)變率

3 內(nèi)容器筒體的應(yīng)變強(qiáng)化

應(yīng)變強(qiáng)化容器的壁厚計(jì)算是指是以薄殼理論為基礎(chǔ)，采用第一強(qiáng)度理論將筒體環(huán)向應(yīng)力限制在許用強(qiáng)度范圍內(nèi)。應(yīng)變強(qiáng)化時(shí)筒體環(huán)向應(yīng)力達(dá)到σk，就可認(rèn)為容器達(dá)到了強(qiáng)化目的，此時(shí)容器承受的壓力即為強(qiáng)化壓力Pk。工程應(yīng)用時(shí)可以允許一定的誤差，沒(méi)有考慮容器在強(qiáng)化過(guò)程中的壁厚減薄和直徑增加。在實(shí)際的應(yīng)變強(qiáng)化處理過(guò)程中，強(qiáng)化壓力也無(wú)法按容器實(shí)際厚度進(jìn)行計(jì)算。但分析筒體應(yīng)變強(qiáng)化所受應(yīng)力和變形率的關(guān)系時(shí)，需要按筒體實(shí)際厚度來(lái)考慮。

參照GB150-2011《壓力容器》對(duì)最大允許工作壓力為1.6MPa的低溫罐箱進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，詳見(jiàn)表4。由于實(shí)際應(yīng)變強(qiáng)化過(guò)程中封頭的變形很小，此處不做分析。

表4 應(yīng)變強(qiáng)化內(nèi)筒體的壁厚計(jì)算

根據(jù)表4中的內(nèi)筒體相關(guān)參數(shù)，計(jì)算其在應(yīng)變強(qiáng)化時(shí)承受的應(yīng)力，詳見(jiàn)表5。

表5 應(yīng)變強(qiáng)化時(shí)內(nèi)筒體的應(yīng)力計(jì)算

若不考慮圓整值，假設(shè)采購(gòu)7.3mm定制板材對(duì)內(nèi)容器進(jìn)行制造，強(qiáng)化時(shí)筒體上的應(yīng)力為402.7MPa。由以上計(jì)算可以看出，筒體壁厚圓整量對(duì)應(yīng)變強(qiáng)化是筒體上的應(yīng)力影響較大，根據(jù)不同的圓整程度，應(yīng)變強(qiáng)化時(shí)筒體承受的應(yīng)力范圍在360MPa～410MPa之間。

測(cè)量強(qiáng)化過(guò)程中變形的方法有：一、應(yīng)用應(yīng)變強(qiáng)化控制系統(tǒng)，位移傳感器可以自動(dòng)測(cè)量周長(zhǎng)的變化，按一定的時(shí)間間隔來(lái)記錄壓力和位移，但需要在筒體上布置大量應(yīng)變片，處理終端通過(guò)相應(yīng)線路收集數(shù)據(jù)，需要現(xiàn)場(chǎng)配套電控感應(yīng)系統(tǒng)，準(zhǔn)備工作會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間，對(duì)操作人員的技能水平要求高，適合在應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用初期監(jiān)測(cè)樣罐時(shí)使用，不適合批量生產(chǎn)過(guò)程；二、用卷尺人工測(cè)量周長(zhǎng)變形量，需要將卷尺布置在筒體最大變形處，卷尺需經(jīng)過(guò)校驗(yàn)，在初始位移處做好標(biāo)記，操作簡(jiǎn)便，適合批量生產(chǎn)過(guò)程，但誤差較大。經(jīng)對(duì)比，應(yīng)用應(yīng)變強(qiáng)化控制系統(tǒng)和用卷尺人工測(cè)量數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程可接受。兩種測(cè)量方式見(jiàn)圖4

圖4 位移傳感器和卷尺測(cè)量

跟蹤這3個(gè)材檢號(hào)相關(guān)的內(nèi)容器在強(qiáng)化壓力2.7MPa時(shí)的應(yīng)變強(qiáng)化過(guò)程，統(tǒng)計(jì)內(nèi)筒體變形率，數(shù)據(jù)見(jiàn)表6

表6 內(nèi)筒體變形量

4 結(jié)果分析

內(nèi)筒體變形率與拉伸試樣變形率對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表7，分析造成誤差的可能原因有以下幾方面：

表7 變形率對(duì)比

1）拉伸試樣的水平度不足會(huì)導(dǎo)致拉伸試樣的數(shù)據(jù)偏大。由于原材料為卷鋼開(kāi)平，加工出來(lái)的部分試樣有彎曲，會(huì)導(dǎo)致拉伸變形量有一部分是試樣拉直后的位移，其值略大于實(shí)際試樣變形量。

2）筒體的厚度公差會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)化過(guò)程中筒體實(shí)際承受的應(yīng)力偏差。實(shí)際采購(gòu)的板材，由于沒(méi)有標(biāo)明公差，實(shí)際的厚度偏差在±0.3mm，強(qiáng)化壓力是根據(jù)計(jì)算壓力得出的定值，筒體在應(yīng)變強(qiáng)化過(guò)程中承受的應(yīng)力會(huì)隨著壁厚的增加而降低。

3）拉伸試驗(yàn)和應(yīng)變強(qiáng)化時(shí)的環(huán)境溫度不同會(huì)導(dǎo)致材料性能偏差。材料強(qiáng)度會(huì)隨著環(huán)境溫度的升高而降低。拉伸試驗(yàn)時(shí)控制的環(huán)境溫度為20℃。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，環(huán)境溫度升高，材料強(qiáng)度隨之一定程度下降，變形量會(huì)相對(duì)偏大。

5 結(jié)論

通過(guò)提前對(duì)原材料進(jìn)行模擬應(yīng)變強(qiáng)化的拉伸試驗(yàn)，獲得的試樣變形率與生產(chǎn)過(guò)程中內(nèi)容器筒體實(shí)際變形率進(jìn)行對(duì)比，最終誤差范圍在10%以內(nèi)，滿足工程使用要求，證明方法有效，可以提前預(yù)估筒體的變形量。同時(shí)，此方法會(huì)隨著數(shù)據(jù)不斷的積累，不斷提高變形量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。