摘要：從板材、焊材及其他材料三個(gè)方面分析了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器材料奧氏體不銹鋼的要求，并對(duì)國(guó)內(nèi)應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)。

關(guān)鍵詞：壓力容器;應(yīng)變強(qiáng)化;奧氏體不銹鋼;材料選擇

0? ? 引言

應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)是在保證壓力容器安全運(yùn)行的前提下，利用內(nèi)壓將奧氏體不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度提高，增加了材料的許用應(yīng)力。而在設(shè)計(jì)和使用中，同等承載內(nèi)壓，采用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的壓力容器壁厚減薄，減少了材料使用，降低了制造成本，容器的自重也大幅降低，在低溫行業(yè)尤其是低溫運(yùn)輸行業(yè)這就大大降低了運(yùn)輸成本，因此該技術(shù)在低溫儲(chǔ)罐、槽車上的應(yīng)用最為廣泛。目前關(guān)于應(yīng)變強(qiáng)化的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13458[1]和EN 13530[2]以及美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME Ⅷ-1[3]附錄44，另外，基于EN 13445[4]的設(shè)計(jì)制造方法，增加了EN 13445-2和EN 13530-2附錄C相關(guān)要求。

1? ? 應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器材料奧氏體不銹鋼

1.1? ? 板材要求

奧氏體不銹鋼是指在常溫下組織結(jié)構(gòu)是奧氏體型的不銹鋼，區(qū)別于馬氏體、鐵素體和雙相不銹鋼。本文所提的奧氏體不銹鋼主要是含鉻18%、鎳9%～11%的鉻鎳不銹鋼。奧氏體不銹鋼是面心立方晶格結(jié)構(gòu)，低溫時(shí)具有良好的塑性和韌性，無脆性轉(zhuǎn)變溫度，所以在低溫液體液氧、液氮、液氬和液化天然氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸中有廣泛應(yīng)用。

本文涉及的奧氏體不銹鋼厚度不超過30 mm，斷后伸長(zhǎng)率不低于35%，且產(chǎn)品設(shè)計(jì)溫度不超過50 ℃、不低于-196 ℃。ASME Ⅷ-1附錄44中也規(guī)定了最高設(shè)計(jì)溫度50 ℃以及最低設(shè)計(jì)金屬溫度（MDMT）不低于-196 ℃。

奧氏體不銹鋼在變形中表現(xiàn)出相當(dāng)明顯的加工硬化特性，同時(shí)保持了材料的特性，隨著變形量的增加，進(jìn)一步變形所需要的應(yīng)力不斷增加。因此，奧氏體不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有碳鋼和低合金鋼的典型流動(dòng)區(qū)域，也就是沒有明顯的屈服點(diǎn)。一般以規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度0.2%（Rp0.2）和1.0%（Rp1.0）來確定許用應(yīng)力。碳鋼和低合金鋼在強(qiáng)度超過屈服點(diǎn)時(shí)，塑性變形而力不增加，變形無法逆轉(zhuǎn)，安全性能下降，故不能用于應(yīng)變強(qiáng)化，碳鋼、低合金鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。只有奧氏體不銹鋼，在強(qiáng)化后規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度0.2%（Rp0.2）和1.0%（Rp1.0）大大提高，而且卸載后材料回彈，不影響材料安全性能。奧氏體不銹鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

表1是EN 13458和EN 13530規(guī)定的可以用于應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器的六種材料。

奧氏體不銹鋼的許用應(yīng)力計(jì)算：

按EN 13445-3中6.5規(guī)定，許用應(yīng)力為以下兩者的較大者：

（1）正常工作荷載工況設(shè)計(jì)應(yīng)力不應(yīng)超過材料技術(shù)規(guī)范中給出的計(jì)算溫度下的1.0%非比例延伸強(qiáng)度除以安全系數(shù)1.5。

（2）Rm/T（設(shè)計(jì)溫度下抗拉強(qiáng)度）適用時(shí)，以下兩者的較小值：

1）計(jì)算溫度下的最小抗拉強(qiáng)度（技術(shù)規(guī)范EN 10028-7中規(guī)定）除以3.0;

2）計(jì)算溫度下1.0%非比例延伸強(qiáng)度除以安全系數(shù)1.2。

表2是美標(biāo)ASME Ⅷ-1強(qiáng)制性附錄44中規(guī)定的可以用于應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器的8種材料。

按ASME Ⅷ-1設(shè)計(jì)的容器，許用應(yīng)力應(yīng)參照ASME第二卷表1A中的值，建立表1A的許用應(yīng)力準(zhǔn)則應(yīng)參照表1-100。

許用應(yīng)力為以下兩者的較大者：

（1）抗拉強(qiáng)度除以3.5;

（2）屈服強(qiáng)度（Rp0.2非比例延伸強(qiáng)度）除以1.5。

歐標(biāo)強(qiáng)化容器計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)應(yīng)力σk是以（Rp1.0+160）N/mm2代替公式中的Rp1.0，計(jì)算結(jié)果壁厚減薄34%～40%，制造成本大大降低，如用于罐車等移動(dòng)式壓力容器，自重降低也很可觀，運(yùn)輸成本也相應(yīng)降低。美標(biāo)由于是以Rp0.2作為屈服強(qiáng)度，許用應(yīng)力相比歐標(biāo)低，計(jì)算厚度偏厚，但如采用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)，厚度也可以降低18%～31%。

應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器的關(guān)鍵在于容器進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化，強(qiáng)化后容器有約6%的永久變形，對(duì)原材料的性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響。由于固溶供貨狀態(tài)的奧氏體不銹鋼（美標(biāo)除316N外）斷后伸長(zhǎng)率不低于35%，所以在經(jīng)過10%的預(yù)拉伸之后，沖擊韌性依然滿足要求。

例如：寶鋼某材料質(zhì)保書值同時(shí)滿足三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，壁厚10 mm，用于應(yīng)變強(qiáng)化產(chǎn)品。下面從化學(xué)成分和機(jī)械性能兩方面通過材料復(fù)驗(yàn)對(duì)該材料性能作出比較，如表3、表4所示。

根據(jù)以上比較，在化學(xué)成分和機(jī)械性能方面，各標(biāo)準(zhǔn)有小區(qū)別，歐標(biāo)抗拉強(qiáng)度設(shè)定上限，不規(guī)定硬度要求，也是經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)以及歐盟各國(guó)認(rèn)可的，從原理上講，硬度和抗拉強(qiáng)度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再加上固溶處理做好，晶粒度控制好，抗拉強(qiáng)度上限和硬度都是可以達(dá)到要求的。

在比較性能同時(shí)滿足EN、ASME兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之后，進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化材料驗(yàn)證，材料經(jīng)10%的預(yù)拉伸之后，殘余應(yīng)變?cè)?.2%，此時(shí)，我們對(duì)拉伸過的材料再次進(jìn)行了拉伸及沖擊試驗(yàn)，此時(shí)的Rp0.2在470 MPa，σk（Rp1.0）在480 MPa，沖擊功（試樣尺寸7.5 mm×10 mm×55 mm）在140 J、152 J、150 J，平均147 J，超過預(yù)期目標(biāo)。

根據(jù)以上對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，用于應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器的奧氏體不銹鋼板材在國(guó)內(nèi)可以生產(chǎn)，如山西太鋼，經(jīng)TUV萊茵AD 2000W0認(rèn)證，熟悉歐洲、美國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，已在產(chǎn)品上做出一些突破，可生產(chǎn)同時(shí)滿足ASME SA240 304、EN 10028-7 1.4301以及GB/T 25411 S30408三標(biāo)的材料，其性能同時(shí)滿足歐美及中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2? ? 焊材要求

焊材強(qiáng)度根據(jù)工藝評(píng)定要求不能低于母材強(qiáng)度，但由于需要進(jìn)行冷拉伸試驗(yàn)，強(qiáng)度也不宜過高，宜采用等強(qiáng)匹配。例如埋弧焊304，焊絲可采用ER308L AWS A5.9/H03Cr21Ni10 GB/T 4237，焊劑采用HJ260 GB/T 5293，焊絲和焊劑的組合需要做工藝評(píng)定來保證焊接接頭質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

歐標(biāo)EN 13445中規(guī)定壓力部件和壓力部件附件所用焊接耗材的交貨技術(shù)條件應(yīng)符合EN 13479：2004和EN 12074：2000要求（注：接受同等的國(guó)家/國(guó)際規(guī)范，這些規(guī)范必須滿足質(zhì)量保證體系要求和消耗品制造、供應(yīng)、分配、試驗(yàn)方法和評(píng)估要求的相同標(biāo)準(zhǔn)）。

ASME第Ⅷ卷第一分冊(cè)規(guī)定用于生產(chǎn)的焊接材料應(yīng)符合Ⅷ-1、第Ⅸ卷和適用的合格焊接工藝規(guī)范的要求。當(dāng)焊接材料符合第Ⅱ卷C部分中的規(guī)范之一時(shí)，可接受適用第Ⅱ卷規(guī)范要求的材料、容器或包裝的標(biāo)記或標(biāo)簽，以代替試驗(yàn)報(bào)告或合格證書。當(dāng)焊接材料不符合第Ⅱ卷規(guī)范之一時(shí)，標(biāo)記或標(biāo)簽應(yīng)與焊接工藝規(guī)范中規(guī)定的焊接材料一致，并可代替試驗(yàn)報(bào)告或合格證書接受。

1.3? ? 應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器其他材料要求

由于應(yīng)變強(qiáng)化主要發(fā)生在筒體和封頭，所以，只針對(duì)板材做出規(guī)定，容器其余部件，如鍛件、管道等，因?yàn)樵O(shè)計(jì)裕量較大，應(yīng)力沒有達(dá)到強(qiáng)化水平，故不做考慮。

2? ? 國(guó)內(nèi)應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器的產(chǎn)量越來越多，如張家港圣達(dá)因、南通中集、荊門宏圖、常州查特等企業(yè)均有生產(chǎn)，但沒有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)支持，都依據(jù)各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來生產(chǎn)。出口產(chǎn)品以ASME Ⅷ-1鋼印產(chǎn)品居多，部分企業(yè)也生產(chǎn)一些ASME+PED的產(chǎn)品，完全滿足歐標(biāo)的產(chǎn)品數(shù)量很少。

焊接廠家認(rèn)證方面，有很多企業(yè)已經(jīng)過TUV AD2000HP0認(rèn)證，熟悉歐洲焊接標(biāo)準(zhǔn)以及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn);更多的企業(yè)經(jīng)過ASME認(rèn)證，取得ASME鋼印產(chǎn)品生產(chǎn)資格;當(dāng)然，最多的還是國(guó)內(nèi)壓力容器生產(chǎn)資質(zhì)，A、C、D類制造資格。可惜的是，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)變強(qiáng)化容器的生產(chǎn)還是按照各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。國(guó)內(nèi)管控較嚴(yán)，每一臺(tái)強(qiáng)化容器都要通過專用系統(tǒng)上傳特檢院備案，全程監(jiān)控記錄，一旦進(jìn)入流程，后續(xù)就無法更改原始數(shù)據(jù)。

至于焊材，大型焊材企業(yè)的產(chǎn)品都是同時(shí)滿足多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過船級(jí)社、TUV、鋼結(jié)構(gòu)等多重認(rèn)證，再加上工藝評(píng)定和產(chǎn)品試板的驗(yàn)證，能保證焊接質(zhì)量，焊材的選用也不是問題。

在編制企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)過程中，企業(yè)首先是參考?xì)W洲、美國(guó)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，在材料、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)中提出相關(guān)要求，這就出現(xiàn)了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高于歐美相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況，并且可能會(huì)附加額外不合理的要求，如工藝評(píng)定試板斷后伸長(zhǎng)率要求等。由于有焊縫材料的介入，材料性能不均勻，再加上每批板材的性能也有差異，斷后伸長(zhǎng)率難以達(dá)到母材要求，這就造成了企業(yè)自己定的標(biāo)準(zhǔn)自己執(zhí)行困難。再加上不同材料的工藝評(píng)定覆蓋問題，增加了工藝評(píng)定數(shù)量，造成了不必要的資源浪費(fèi)。

希望在不久的將來，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)如《鋼制壓力容器》（GB/T 150—1998）、《液化氣體汽車罐車》（GB/T 19905—2017）、《液化氣體鐵路罐車》（GB/T 10478—2017）、《冷凍液化氣體汽車罐車》（NB/T 47058—2017）、《冷凍液化氣體罐式集裝箱》（NB/T 47059—2017）等中能夠增加某個(gè)附錄，將應(yīng)變強(qiáng)化內(nèi)容增補(bǔ)進(jìn)去，以滿足中小企業(yè)的實(shí)際需求，使其不用再花人力、物力去制定相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、進(jìn)行申請(qǐng)?jiān)u審。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)對(duì)材料的要求目前國(guó)內(nèi)沒有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可以參考，只有依據(jù)各企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來滿足生產(chǎn)需求。通過對(duì)歐標(biāo)和美標(biāo)對(duì)材料以及應(yīng)變強(qiáng)化后材料要求的分析，可以認(rèn)定國(guó)內(nèi)的奧氏體不銹鋼板材材料廠完全具備生產(chǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)需求的部分國(guó)標(biāo)材料的能力，并能做到與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，在國(guó)際化大背景下，生產(chǎn)滿足各國(guó)要求的應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器。

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[4] 非受火壓力容器——設(shè)計(jì)：EN 13445-3：2014[S].

收稿日期：2020-04-22

作者簡(jiǎn)介：顧建新（1976—），男，上海人，高級(jí)工程師，研究方向：化工機(jī)械。