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（下面簡稱“低溫罐箱”）的應用越發(fā)廣泛，其輕量化需求也更加迫切，奧氏體不銹鋼的應變強化技術由于可以提高材料的許用應力，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)過應變強化，會在環(huán)向發(fā)生形變，直徑會從一定程度上增大。國內(nèi)外專家學者從材料性能、容器設計、制造檢驗等方面對奧氏體不銹鋼應變強化技術進行研究，認為在強化過程中容器的形狀和尺寸趨于穩(wěn)定可以被認為是充分強化【1】。如何找到容器變形量與強化壓力之間的關系，確定合適的內(nèi)容器直徑，成為應變強化應用在低溫罐箱產(chǎn)品上的一個難題。內(nèi)容器選取直徑過小，則容積不能滿足用戶的要求，選取直徑過大，應變強化后內(nèi)容器直徑增加，不能滿足與外殼套合的要求，則內(nèi)容器報廢。確定合適的內(nèi)容器直徑，需要能夠預測內(nèi)容器在應變強化過程中的變形率。

本文結合了國內(nèi)外的標準和近幾年公司生產(chǎn)的應用應變強化技術的移動壓力容器獲得的強化數(shù)據(jù)，分析其中的規(guī)律，提出預測S30408材料應變強化變形率的方法。

2 奧氏體不銹鋼材料S30408的模擬試驗

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，沒有脆性轉變溫度，其良好的低溫性能使其廣泛的使用在低溫移動壓力容器上。同時其屈強比較低，有良好的韌性和塑性，屈服強度與抗拉強度間具有較大的塑性延伸區(qū)域，即應變強化段【2】。根據(jù)EN13530《低溫容器-大型移動真空絕熱容器》附錄C.7中介紹了奧氏體不銹鋼材料的增強理論，在變形時體現(xiàn)出相當明顯的應變強化表現(xiàn)，同時還能保持材料特性。卸載后，材料會產(chǎn)生塑性變形，再次加載，應力應變會沿卸載路徑進行線性增長，直至應力大于σk后，材料再次進入塑性階段，屈服強度提高，其應力/應變曲線如圖1所示【3】。

圖1 奧氏體不銹鋼應力/應變曲線【3】

Rp0.2/1.0為規(guī)定非比例延伸率（試驗中引伸計標距的非比例延伸與引伸計標距之比的百分率）為0.2%/1.0%時的應力。原國標壓力容器標準中取Rp0.2作為確定許用應力的基數(shù)，即Rp0.2除以相應的安全系數(shù)1.5為材料的許用應力。現(xiàn)在鋼板冶煉技術提高，鋼板質(zhì)量已接近世界領先水平，具備了采用Rp1.0的基礎儲備。GB150是國內(nèi)壓力容器體系的基礎性標準，其中4.4.1中提出，如果在引用的標準中規(guī)定了Rp1.0，可以選用該值確定許用應力【4】。根據(jù)GB/T 24511-2017《承壓設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塑性延伸強度Rp0.2≥220MPa，Rp1.0≥250MPa，抗拉強度Rm≥520MPa，斷后伸長率A≥40%。依照GB150應用S30408材料進行設計的容器就可以用250MPa來確定許用應力進行計算。依照T/CATSI 05001-2018 《移動式真空絕熱深冷壓力容器內(nèi)容器應變強化技術要求》規(guī)定，S30408塑性延伸強度Rp0.2≥220MPa，抗拉強度520MPa ≤Rm≤720MPa，斷后伸長率A≥45%，進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變強化后的可靠性，并將許用應力提高至273MPa【5】。

實際采購到的板材力學性能差異較大，收集我司近幾年采購的S30408的材料質(zhì)保書中信息，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)容器應變強化變形量控制難度加大。

對選定的8mm板厚的S30408材料沿軋制方向制作模擬內(nèi)容器應變強化受力情況的拉伸試樣。試樣總長度450mm，寬度32mm，配合液壓拉伸試驗機的夾具，兩端預留50mm的夾持段，以試樣中心為基準向兩側進行標距劃線，標距尺寸為l0=200mm。拉伸試樣示意見圖2,。采用應力控制法進行拉伸試驗，將應力控制在360MPa和410MPa，試驗溫度控制在環(huán)境溫度20℃。為了盡量接近應變強化時內(nèi)容器承受拉伸力的條件，試驗時要求試驗機應力加載速率不大于1MPa/s，達到拉伸終止應力值后，保載不少于15分鐘后卸載。測量試樣上的標距尺寸l，計算出標距伸長量Δl=l-l0和試樣應變率ε=Δl/l0=(l-l0)/l0。統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。對材料進行復驗，獲得數(shù)據(jù)見表2。

圖2 拉伸試樣示意圖

表1 不同性能S30408拉伸試樣在各應力下的變形量

表2 不同性能S30408拉伸試樣復驗數(shù)據(jù)

匯總表1和表2的數(shù)據(jù)，增補了相關應力的拉伸試驗，繪制了變形量曲線圖見圖3，可以看出，在整體趨勢上，材料承受拉伸載荷的變化規(guī)律與圖1相似，當拉應力不超過材料彈性階段Rp0.2，各代表性點的應變隨著應力的增加呈線性增長規(guī)律。當拉應力在Rp0.2和410MPa之間，各代表性點的應變隨應力的增長幅度迅速加大，仍然呈線性增長趨勢。中間值可以用插值法確定。當拉伸應力在372.6MPa時通過插值法計算的標距伸長量和應變率見表3。

圖3 不同性能S30408拉伸試樣在各應力下變形量曲線

表3 通過插值法計算試樣標距伸長量和應變率

3 內(nèi)容器筒體的應變強化

應變強化容器的壁厚計算是指是以薄殼理論為基礎，采用第一強度理論將筒體環(huán)向應力限制在許用強度范圍內(nèi)。應變強化時筒體環(huán)向應力達到σk，就可認為容器達到了強化目的，此時容器承受的壓力即為強化壓力Pk。工程應用時可以允許一定的誤差，沒有考慮容器在強化過程中的壁厚減薄和直徑增加。在實際的應變強化處理過程中，強化壓力也無法按容器實際厚度進行計算。但分析筒體應變強化所受應力和變形率的關系時，需要按筒體實際厚度來考慮。

參照GB150-2011《壓力容器》對最大允許工作壓力為1.6MPa的低溫罐箱進行設計計算，詳見表4。由于實際應變強化過程中封頭的變形很小，此處不做分析。

表4 應變強化內(nèi)筒體的壁厚計算

根據(jù)表4中的內(nèi)筒體相關參數(shù)，計算其在應變強化時承受的應力，詳見表5。

表5 應變強化時內(nèi)筒體的應力計算

若不考慮圓整值，假設采購7.3mm定制板材對內(nèi)容器進行制造，強化時筒體上的應力為402.7MPa。由以上計算可以看出，筒體壁厚圓整量對應變強化是筒體上的應力影響較大，根據(jù)不同的圓整程度，應變強化時筒體承受的應力范圍在360MPa～410MPa之間。

測量強化過程中變形的方法有：一、應用應變強化控制系統(tǒng)，位移傳感器可以自動測量周長的變化，按一定的時間間隔來記錄壓力和位移，但需要在筒體上布置大量應變片，處理終端通過相應線路收集數(shù)據(jù)，需要現(xiàn)場配套電控感應系統(tǒng)，準備工作會花費大量的時間，對操作人員的技能水平要求高，適合在應變強化技術應用初期監(jiān)測樣罐時使用，不適合批量生產(chǎn)過程；二、用卷尺人工測量周長變形量，需要將卷尺布置在筒體最大變形處，卷尺需經(jīng)過校驗，在初始位移處做好標記，操作簡便，適合批量生產(chǎn)過程，但誤差較大。經(jīng)對比，應用應變強化控制系統(tǒng)和用卷尺人工測量數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)，實際生產(chǎn)過程可接受。兩種測量方式見圖4

圖4 位移傳感器和卷尺測量

跟蹤這3個材檢號相關的內(nèi)容器在強化壓力2.7MPa時的應變強化過程，統(tǒng)計內(nèi)筒體變形率，數(shù)據(jù)見表6

表6 內(nèi)筒體變形量

4 結果分析

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

表7 變形率對比

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

2）筒體的厚度公差會導致強化過程中筒體實際承受的應力偏差。實際采購的板材，由于沒有標明公差，實際的厚度偏差在±0.3mm，強化壓力是根據(jù)計算壓力得出的定值，筒體在應變強化過程中承受的應力會隨著壁厚的增加而降低。

3）拉伸試驗和應變強化時的環(huán)境溫度不同會導致材料性能偏差。材料強度會隨著環(huán)境溫度的升高而降低。拉伸試驗時控制的環(huán)境溫度為20℃。實際生產(chǎn)過程中，環(huán)境溫度升高，材料強度隨之一定程度下降，變形量會相對偏大。

5 結論

通過提前對原材料進行模擬應變強化的拉伸試驗，獲得的試樣變形率與生產(chǎn)過程中內(nèi)容器筒體實際變形率進行對比，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，可以提前預估筒體的變形量。同時，此方法會隨著數(shù)據(jù)不斷的積累，不斷提高變形量預測的準確度。