楊進(jìn)
【摘 要】從基本原理出發(fā),闡述應(yīng)變強(qiáng)化原理,分析奧氏體不銹鋼壓力容器應(yīng)變強(qiáng)化可采取的途徑,分別為常溫強(qiáng)化模式——Avesta模式,低溫強(qiáng)化模式——Ardeform模式。分析可以采取模式的同時(shí)對比集中壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)。對比分析壓力容器的標(biāo)準(zhǔn),能夠合理選擇奧氏體不銹鋼材料的盈利,保證設(shè)備的使用性能。文章重點(diǎn)闡述了歐盟 EN13445 壓?容器標(biāo)準(zhǔn)的奧氏體不銹鋼材料,按照屈服強(qiáng)度選擇,該材料的安全系數(shù)取值很低,實(shí)用性能非常好。
【關(guān)鍵詞】壓力容器;奧氏體不銹鋼;應(yīng)變強(qiáng)化;屈服
奧氏體不銹鋼壓力容器本身的性能良好,具備抗高溫性能、低溫性能,腐蝕性能良好,在實(shí)際的使用當(dāng)中,該材料具備良好的抗拉強(qiáng)度,但是屈服強(qiáng)度方面并不具備優(yōu)勢。在 GB150壓?容器標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中強(qiáng)調(diào)了材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度,在選擇特殊數(shù)值作為安全系數(shù)確定材料的許用應(yīng)力值的方式上,由于奧氏體不銹鋼的許用應(yīng)力值偏低,導(dǎo)致實(shí)際的使用無法全面發(fā)揮材料的承載能力。面對這種情況人們開始深入研究提高該材料屈服的強(qiáng)度方式。
1.奧氏體不銹鋼許用應(yīng)力值強(qiáng)化的原理
根據(jù)奧氏體不銹鋼在實(shí)際使用當(dāng)中的拉伸情況,得出下圖:
其中,縱軸為應(yīng)力值,單位MPA;橫軸為應(yīng)變數(shù)值,單位%。如圖,材料變形的強(qiáng)度超過了材料本身的屈服強(qiáng)度值,達(dá)到σk之后卸載,再次施加荷載力,材料應(yīng)力回到σk之前,整體處于彈性狀態(tài)。σk 等于材料的新屈服強(qiáng)度,也就是σk>σσ2。
對于比較穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼,會(huì)因?yàn)閼?yīng)變強(qiáng)度產(chǎn)生馬氏體,會(huì)增加加工硬化率,因?yàn)閼?yīng)變力存在,硬化率也會(huì)不斷增加,縮頸力反而減小,因此延伸率能夠達(dá)到最佳。馬氏體的存在,讓變體的擇優(yōu)形成,原本應(yīng)力集中的現(xiàn)象變得松弛,形成了相變誘導(dǎo)現(xiàn)象。穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼在室溫的加工下會(huì)形成馬氏體組織,但是這個(gè)過程中存在晶粒細(xì)化、晶格扭曲、位錯(cuò)密度增大的情況,從而產(chǎn)生硬化效應(yīng)。奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化這個(gè)特征的存在讓其能夠廣泛運(yùn)用在建筑施工、橋梁施工領(lǐng)域內(nèi)。在西方國家,歐洲已經(jīng)將奧氏體不銹鋼運(yùn)用在壓力容器領(lǐng)域內(nèi)。
2.奧氏體?銹鋼壓?容器應(yīng)變強(qiáng)化模式的分析
2.1Avesta模式
將奧氏體不銹鋼壓力容器放在常溫下進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化水壓試驗(yàn),會(huì)產(chǎn)生8%的塑性變形能力,最大考驗(yàn)提升10%。能夠提高奧氏體不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度,在該領(lǐng)域內(nèi)也被稱為Cold Stretched Forming。實(shí)際上是使用液氮、液氧、液氫等為壓力容器的介質(zhì),主要在民間使用。瑞典Avesta Sheffield公司在20世紀(jì)中期就開始對其進(jìn)行研究,同時(shí)將其運(yùn)用在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi),同時(shí)申請了諸多專利[1]。Avesta Sheffield公司在經(jīng)過許可之后花費(fèi)了15年時(shí)間研制奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù),1959年開始,1974年瑞典壓力容器技術(shù)委員會(huì)通過該技術(shù),且在次年納入標(biāo)準(zhǔn),即 Cold2stretching D irection———CSD。1977年該技術(shù)被西班牙、英國、葡萄牙等眾多西歐、南非國家接受,甚至包括澳大利亞與捷克斯洛伐克。瑞典推行的該標(biāo)準(zhǔn),使用材料為304、316L。
強(qiáng)化后,屈服強(qiáng)度取值約410MPA,用σk表示。作為一種新材料再次計(jì)算設(shè)計(jì)。其中應(yīng)變強(qiáng)化水壓試驗(yàn)壓力的計(jì)算式為:
2.2Ardeform模式
Arde2Portland公司在研究的過程中,將退火態(tài) 301 奧氏體?銹鋼容器放置在3/196℃ 的液氮中進(jìn)行強(qiáng)化水壓試驗(yàn),產(chǎn)生了10~13%的形變,其中13%為最大數(shù)值,提升了該不銹鋼的抗拉強(qiáng)度,同時(shí)在 427℃、20h的再次處理下該材料的抗拉強(qiáng)度再次被提高,因此該方式也被稱為Ardeform模式,使用介質(zhì)為液氮等。在不斷地研究過程中,該公司的Alper .R .H對該模式進(jìn)行具體的分析研究,改變實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)溫度與時(shí)間,得出不同的結(jié)果。人們針對這個(gè)方面的不同研究,總結(jié)了該模式應(yīng)變強(qiáng)化的特征,高強(qiáng)度、高缺口韌性等等。Ardeform模式制造壓力容器,主要是將無擴(kuò)散型面心立方晶格轉(zhuǎn)化,成為體心立方晶格,奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體之后,在指定的時(shí)間下再增加室溫強(qiáng)度。在這個(gè)過程中影響因素有三個(gè),主要為化學(xué)因素,讓材料具備很好的強(qiáng)度、韌性,方便焊接使用;其次是焊接,會(huì)產(chǎn)生收縮力,應(yīng)變強(qiáng)化的時(shí)候與木材強(qiáng)度保持一致,更主要是讓焊縫部位圓滑保證焊接質(zhì)量,這種方式在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中無法滿足。最后一個(gè)因素是設(shè)計(jì)。但是需要根據(jù)實(shí)際情況,因此變形量如果不大于壓力容器理論計(jì)算的變形量就無需在意。應(yīng)變強(qiáng)化會(huì)讓容器朝著最自然的幾何形態(tài)變化。
2.3兩者對比
從不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化的實(shí)驗(yàn)分析、實(shí)際運(yùn)用來看,Ardeform模式的應(yīng)變強(qiáng)度更大,但是對材料也會(huì)造成明顯的不利影響,成本高且工藝復(fù)雜,該技術(shù)主要使用在航天領(lǐng)域內(nèi)。Avesta模式被廣泛運(yùn)用在歐洲國家,使用已經(jīng)相對成熟[3]。
3.奧氏體?銹鋼材?在我國的運(yùn)用
我國針對這個(gè)方面的標(biāo)準(zhǔn),常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)為 GB150,但是當(dāng)溫度與設(shè)計(jì)不相符合的情況下,會(huì)選擇西方國家選擇的數(shù)值來進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如標(biāo)準(zhǔn)選擇 GB150、JB4732、溫度>100℃的情況下,選擇美國使用的一系列標(biāo)準(zhǔn),但是溫度低于100℃的時(shí)候,奧氏體不銹鋼材料的選擇的許用應(yīng)力值與碳鋼取值無差別。因?yàn)閵W氏體不銹鋼材的屈服強(qiáng)度比較堵,許用應(yīng)力值由屈服強(qiáng)度來決定,也就是說我國奧氏體不銹鋼材料在許用應(yīng)力值方面選取的數(shù)值比較低。實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中,基于Avesta模式的運(yùn)用,在研究上更具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值;但是從設(shè)計(jì)壓力、塑性要求、容器整體結(jié)構(gòu)出發(fā),需要合理考慮具體模式的使用,無論從哪個(gè)角度出發(fā),Ardeform模式的使用更適合航天行業(yè)。
結(jié)語:
使用奧氏體不銹鋼壓力容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù),在具體使用過程中,能節(jié)省大量成本,節(jié)省材料。其中 Avesta模式的使用經(jīng)驗(yàn)非常廣,市場前景也非常廣泛。
參考文獻(xiàn):
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[2]蘇文娟,毛小虎,蘇利群,等. 應(yīng)變強(qiáng)化真空絕熱深冷容器的鎢極氬弧焊焊接工藝研究[J]. 壓力容器,2018,035(010):1-6.
[3]劉蓉,劉世龍,蔣六保,等. S30408奧氏體不銹鋼焊縫應(yīng)變強(qiáng)化后力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 焊接技術(shù),2018,047(003):26-28.
(作者單位:遼寧慶陽特種化工有限公司)