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奥氏体不锈钢应变强化技术规定

大部分压力容器制造厂应该都需要用到氩气,在氩气区域,我们不难看到低温液体储罐(应变强化容器)PS 这样一个铭牌。我们知道ASME不锈钢螺栓应变强化经常应用,但容器整体应变强化是什么样的呢?

我们通过GB/T 18442.7-2017标准中找到相关名词术语,应变强化主要用于真空低温设备,应变强化容器是指内容器的筒体和封头以及和筒体焊接的相关零部件,使材料通过塑性变形来提升材料的许用应力,从而减薄材料,节约经济。

奥氏体不锈钢低温压力容器常规设计与应变强化设计进行比较,可知应变强化技术可大幅提高奥氏体不锈钢材料的许用应力,减薄筒体壁厚,减轻容器重量。

根据预应变拉伸试验确定S30408奥氏体不锈钢材料应变强化低温压力容器的应变上限值,并建立奥氏体不锈钢材料的ASME和双线性这两种应力应变曲线。对两者进行比较后,以ASME应力应变曲线为计算依据,考虑抗拉强度的影响,确定了S30408奥氏体不锈钢材料制造应变强化低温压力容器时的许用应力及其对应的应变。

随着液氮、液氧、液化天然气等低温液化气体的广泛应用,奥氏体不锈钢低温压力容器的需求量不断增长,奥氏体不锈钢材料的消耗量也越来越大。奥氏体不锈钢的屈强比低,按标准设计时,其许用应力由屈服强度决定,导致奥氏体不锈钢材料的许用应力值偏低,不能充分发挥材料承载能力,造成材料浪费、设备增重。但利用奥氏体不锈钢优良的塑性性能,采用应变强化技术可大幅度提高奥氏体不锈钢的屈服强度,以强化后新的较高的屈服强度为设计基础,与常规设计相比,可显著减薄容器的设计壁厚,节省材料,降低生产成本。且容器经应变强化处理后,安全性并没有降低,由容器强度裕度分析可知,强化后容器仍具有2.5~4倍的强度储备。

奥氏体不锈钢应变强化低温压力容器的技术原理是:在室温下将容器充满液体,缓慢加压至容器的总体应力超过屈服强度,达到强化应力,产生塑性变形后再卸除压力;再次加载时,应力将沿卸载曲线线性增长,超过后才再次进入塑性阶段,这样相当于提高了奥氏体不锈钢的屈服强度,从而提高了其许用应力。

采用奥氏体不锈钢应变强化技术设计低温压力容器的关键是选取合适的许用应力和应变,在比较低温压力容器常规设计与应变强化设计的基础上,通过对S30408奥氏体不锈钢材料进行预应变拉伸试验,并以应力应变本构关系为计算依据,为这种常用的奥氏体不锈钢材料用于制造低温压力容器时,确定合适的许用应力和应变。

S30408奥氏体不锈钢应变强化许用应力奥氏体低温压力容器应变强化技术通过使奥氏体不锈钢产生一定的塑性应变来提高材料的强化应力,在产生塑性应变的过程中,会导致形变诱发马氏体相变,马氏体的形成能提高奥氏体不锈钢的强度,一定程度上也提高了奥氏体不锈钢材料的强化应力,但是马氏体的形成会导致低温压力容器材料的韧性下降,而且对强化应力的提高幅度较小且不能准确量化。因此文中在选取许用应力时,忽略相变的作用,只考虑塑性应变对奥氏体不锈钢强化应力的提高作用。

奥氏体不锈钢应变强化技术充分利用了低温压力容器材料的应变强化特性,根据ASME BPVC Ⅷ.2的规定,当需要考虑应变强化特性时,设计计算应采用应力一应变曲线图。通过应力一应变曲线,可以获得不同强化应力或 对应的应变值。

a. ASME应力应变关系

2007年,美国ASME颁布的新版锅炉低温压力容器规范第Ⅷ卷第2分篇,首次在承压设备标准中引入弹塑性应力分析法,率先在国际上提出了考虑材料塑性应变强化的本构模型,从而降低了低温压力容器的设计壁厚,体现了安全性和经济性的完美结合.   

从ASME材料强化模型可知,由材料的工程屈服强度和抗拉强度就可以得到相应的真实应力一应变关系,但公式复杂且计算量大。

b. 双线性应力应变关系

双线性模型则由弹性直线段和塑性直线段构成,双线性模型由除坐标原点外的点共4个参量确定, 从双线性本构关系可知,由材料的真实屈服强度和真实抗拉强度以及各自对应的真应变,就可以求出真实应力一应变关系,公式比ASME本构关系式简洁,计算量小。 

由此可以看出:

(1)根据S30408奥氏体不锈钢的预应变拉伸试验和相关标准要求,S30408奥氏体不锈钢制造应变强化低温压力容器时的应变应大于5% ,小于10% ;

(2)计算比较得到,对强化应力和应变的计算,用双线性应力一应变曲线比ASME应力一应变曲线更简单,且双线性曲线位于ASME曲线的下方,具有安全可靠的特点,可用于S30408奥氏体不锈钢制造应变强化低温压力容器设计时计算强化应力和应变;

(3)采用S30408奥氏体不锈钢制造应变强化低温压力容器,设计时应考虑抗拉强度的影响,强化许用应力取为:[σ]=min{σk/nk,Rm/nm}。

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