奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术

赵子艳

（哈尔滨电气股份有限公司，秦皇岛 066206）

奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术

赵子艳

（哈尔滨电气股份有限公司，秦皇岛 066206）

奥氏体不锈钢材料本身具有良好的韧性，但它的屈服强度比较低，而应变强化技术能够显著提升奥氏体不锈钢材料的屈服强度，节约材料。奥氏体不锈钢压力容器的应变强化具有两种不同的模式：常温应变强化模式和低温应变强化模式。本文通过对应变强化基本原理的介绍，对奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术进行分析探讨。

奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术

引言

21世纪以来，我国的不锈钢产量始终处于上升阶段。在不锈钢总体产量不断上升的过程中，奥氏体不锈钢在其中所占据的比例也逐渐发展到了总产量的三分之二以上。这种变化导致奥氏体不锈钢压力容器价格不断攀升。而应变强化技术却可以通过对奥氏体不锈钢材料屈服强度的提升来进行材料成本的节约，进而达到奥氏体不锈钢压力容器价格下降的目的。

1奥氏体不锈钢压力容器

1.1奥氏体不锈钢压力容器的结构

在最初研制压力容器的过程中，压力容器是由上、下两个半圆形球体拼接而成的，这两个半圆形球体的两端分别连接着两条接管。这种结构的优点在于，当应变强化过程发生时，压力容器各处的受力情况是相同的，可以保证整个球体处于一个均匀膨胀的状态中，从而不会对压力容器本身造成较大损伤。而应变强化技术本身所具备的特点，就是容易使容器发生曲形变化。因此，当应变强化技术开始作用于奥氏体不锈钢材料时，奥氏体不锈钢压力容器几乎都是由封头和圆柱形的筒体焊接而成。当应变强化过程发生时，奥氏体不锈钢压力容器的封头和圆柱形筒体部分所能承受压力的水平和受力状态各不相同，因此奥氏体不锈钢压力容器中的最大形变一般会发生在筒体的中间部分［1］。

1.2奥氏体不锈钢压力容器的分类

根据应变强化技术的不同方式，可以将奥氏体不锈钢压力容器分为两类：一类是常温应变强化模式，另一类是低温应变强化模式。

（1）常温应变强化模式。顾名思义，常温应变强化模式是在常温状态下对奥氏体不锈钢容器进行水压强化。具体的实施过程是将奥氏体不锈钢压力容器固定在一个鞍座上，然后向容器中注满水，最后将增压泵与奥氏体不锈钢压力容器的一端连接起来。当达到强化压力的标准时进行保压，直到奥氏体不锈钢压力容器发生充分的变形塑形后，再将其卸载下来。1975年，奥氏体不锈钢压力容器的常温应变强化技术被纳入瑞典的应变强化压力容器标准，随后又在1999年按照标准增补的形式被纳入澳大利亚的标准中［2］。

（2）低温应变强化模式。奥氏体不锈钢压力容器的低温应变强化模式，最初是从航空航天领域对深冷容器轻量化的要求中发展进化出来的。这种低温应变强化模式始于20世纪的中后期。应变容器的性能会受到材料的结构设计、自身成分等因素的影响。但是，低温应变强化模式具有一个很大的弊端，即由于进行低温应变强化过程中需要将奥氏体不锈钢压力容器完全浸入液氮环境中，而液氮环境所需要的成本太高。因此，这种环境要求一定程度限制了奥氏体不锈钢压力容器的低温应变强化模式的推广发展。

1.3奥氏体不锈钢压力容器的测控方法

（1）常温应变强化模式中奥氏体不锈钢压力容器的测控方法。奥氏体不锈钢压力容器的常温应变强化模式，一般通过应力控制来实现。根据强化压力计算出具体应变强化压力的数值，再通过多任务自动控制系统进行管理。这种系统不仅降低了对手动控制经验的依赖，还在一定程度上提高了加工效率。

（2）低温应变强化模式中奥氏体不锈钢压力容器的测控方法。对于低温应变强化方法制造出的奥氏体不锈钢压力容器，一般使用控制直径的方法。由于这个过程要考虑弹性恢复问题，因此制造出的模具内径应该是奥氏体不锈钢压力容器的最大直径，即当对奥氏体不锈钢压力容器进行施压时，使变形最明显的部分与模具相接触，然后记下此刻具体的施压数值。随着奥氏体不锈钢压力容器制造工艺的不断发展，二维尺寸监控系统应运而生。这种监控系统不但可以简化制造过程，还可以调节模具的大小，进而制造出一系列不同直径的容器。

2　应变强化技术

2.1应变强化技术的基本原理

从本质上看，奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术就是利用材料本身的良好可塑性，这种技术要通过一定的塑性变形过程来提高材料的屈服强度。这个过程的具体操作就是对奥氏体不锈钢材料施加一个外力的载荷，当奥氏体不锈钢材料的塑性延伸率超过0.2%的时候，再对其继续进行加载，直到奥氏体材料达到应有的强化压力水平。奥氏体不锈钢压力容器在经过应变强化技术处理后，其安全性能仍然能够达到基础的使用水平。从对奥氏体不锈钢压力容器的强化研究中可以看出，奥氏体不锈钢压力容器在经过一定的强化处理后仍然可以维持在2.5～4的裕度水平。由于对奥氏体不锈钢压力容器的应变强化设计和对奥氏体不锈钢压力容器的弹塑性设计十分接近，因此可以将应变强化设计看作是弹性塑性设计的一种特例［3］。

2.2应变强化技术的优点

经过应变强化技术处理的奥氏体不锈钢压力容器主要具有以下三方面优点。

（1）均匀分布的许应用力。在焊接、成形等制造过程中，奥氏体不锈钢材料通常会残留少许压应力。因此，在奥氏体不锈钢材料成形后，一般都需要对材料进行应力退火。当提高奥氏体不锈钢材料的许应用力时，可以达到减轻容器重量的目的，从而提高产品的竞争力和经济性。

（2）得以改善的力学性能。在应变强化过程中，奥氏体不锈钢材料会发生一定的塑性变形。这种受力形式相对较为均衡，因此可以使奥氏体不锈钢容器的整体力学性能得到更好的改善［4］。

（3）得以提高的疲劳性能。应变强化过程本身的特点就是使奥氏体不锈钢材料的屈服强度提高，这种特点具有抵抗疲劳破坏能力的作用，也就是说，应变强化过程可以提高材料的疲劳性能。

2.3应变强化技术的应用

在对奥氏体不锈钢材料进行应变强化处理后，奥氏体不锈钢材料基本可以达到高强度铝合金甚至是钛合金的强度水平。在对奥氏体不锈钢材料进行强化处理后，材料重量大幅减轻，而且奥氏体不锈钢材料本身还具备良好的抵抗强氧化性腐蚀介质的能力。因此，经过应变强化后的奥氏体不锈钢材料成功被应用于卫星发射等装置中。在奥氏体不锈钢应变强化技术的发展基础上，慢慢出现了相变诱导塑性钢，也就是TRIP钢。这种TRIP钢是使汽车制造实现轻量化最理想的材料。目前，这种TRIP钢已经被成功应用于汽车纵梁、保险杆等部件的制造中［5］。

3结论

对奥氏体不锈钢材料进行应变强化处理可以在一定程度上节省材料，减少运输过程和容器制造过程中的能量耗损。其中，应变强化技术中的常温应变强化模式更加容易实现。相对于低温应变强化模式而言，常温应变强化模式具有更广阔的应用前景。

［1］邓阳春，陈钢，杨笑峰，徐彤.奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术［J］.化工机械，2008，（1）：54-59.

［2］郑津洋，高晓哲，寿比南，等.奥氏体不锈钢制深冷容器室温应变强化技术常见问题探讨 ［J］.压力容器，2013，（3）：45-51，62.

［3］韩豫，陈学东，刘全坤，等.基于应变强化技术的奥氏体不锈钢压力容器轻型化设计探讨 ［J］.压力容器，2010，（9）：16-20，37.

［4］陈国旋.奥氏体不锈钢压力容器的应变强化承载能力研究［D］.广州：华南理工大学，2013.

［5］李雅娴.应变强化奥氏体不锈钢低温容器材料和成形工艺研究［D］.杭州：浙江大学，2010.

Strain Hardening of Austenitic Stainless Steel Pressure Vessels

ZHAO Ziyan
（Harbin electric Limited by Share Ltd，Qinhuangdao 066206）

Austenitic stainless steel has good toughness，but its yieldstrengthislow，andthestrainhardeningtechnologycan significantly improve the yield strength of austenitic stainless steel，savingmaterial.Thestrainhardeningofausteniticstainlesssteel pressure vessels has two different modes：normal temperature strain hardening mode and low temperature strain hardening mode.In this paper，basedontheintroductionofthebasicprincipleofthe corresponding variable hardening，the strain hardening technology of austenitic stainless steel pressure vessels is analyzed and discussed.

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