國標(biāo)低溫罐式集裝箱應(yīng)變強(qiáng)化變形率預(yù)測方法

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(yīng)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(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)由于可以提高材料的許用應(yīng)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(yīng)變強(qiáng)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(xué)者從材料性能、容器設(shè)計、制造檢驗等方面對奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行研究，認(rèn)為在強(qiáng)化過程中容器的形狀和尺寸趨于穩(wěn)定可以被認(rèn)為是充分強(qiáng)化【1】。如何找到容器變形量與強(qiáng)化壓力之間的關(guān)系，確定合適的內(nèi)容器直徑，成為應(yīng)變強(qiáng)化應(yīng)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(yīng)變強(qiáng)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(yù)測內(nèi)容器在應(yīng)變強(qiáng)化過程中的變形率。

本文結(jié)合了國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)和近幾年公司生產(chǎn)的應(yīng)用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的移動壓力容器獲得的強(qiáng)化數(shù)據(jù)，分析其中的規(guī)律，提出預(yù)測S30408材料應(yīng)變強(qiáng)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(zhuǎn)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(qiáng)比較低，有良好的韌性和塑性，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度間具有較大的塑性延伸區(qū)域，即應(yīng)變強(qiáng)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(qiáng)理論，在變形時體現(xiàn)出相當(dāng)明顯的應(yīng)變強(qiáng)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(yīng)力應(yīng)變會沿卸載路徑進(jìn)行線性增長，直至應(yīng)力大于σk后，材料再次進(jìn)入塑性階段，屈服強(qiáng)度提高，其應(yīng)力/應(yīng)變曲線如圖1所示【3】。

圖1 奧氏體不銹鋼應(yīng)力/應(yīng)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(biāo)距的非比例延伸與引伸計標(biāo)距之比的百分率）為0.2%/1.0%時的應(yīng)力。原國標(biāo)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中取Rp0.2作為確定許用應(yīng)力的基數(shù)，即Rp0.2除以相應(yīng)的安全系數(shù)1.5為材料的許用應(yīng)力?，F(xiàn)在鋼板冶煉技術(shù)提高，鋼板質(zhì)量已接近世界領(lǐng)先水平，具備了采用Rp1.0的基礎(chǔ)儲備。GB150是國內(nèi)壓力容器體系的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)，其中4.4.1中提出，如果在引用的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了Rp1.0，可以選用該值確定許用應(yīng)力【4】。根據(jù)GB/T 24511-2017《承壓設(shè)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(qiáng)度Rp0.2≥220MPa，Rp1.0≥250MPa，抗拉強(qiáng)度Rm≥520MPa，斷后伸長率A≥40%。依照GB150應(yīng)用S30408材料進(jìn)行設(shè)計的容器就可以用250MPa來確定許用應(yīng)力進(jìn)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(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)要求》規(guī)定，S30408塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2≥220MPa，抗拉強(qiáng)度520MPa ≤Rm≤720MPa，斷后伸長率A≥45%，進(jìn)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(yīng)變強(qiáng)化后的可靠性，并將許用應(yīng)力提高至273MPa【5】。

實際采購到的板材力學(xué)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(yīng)變強(qiáng)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(yīng)變強(qiáng)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(jī)的夾具，兩端預(yù)留50mm的夾持段，以試樣中心為基準(zhǔn)向兩側(cè)進(jìn)行標(biāo)距劃線，標(biāo)距尺寸為l0=200mm。拉伸試樣示意見圖2,。采用應(yīng)力控制法進(jìn)行拉伸試驗，將應(yīng)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(yīng)變強(qiáng)化時內(nèi)容器承受拉伸力的條件，試驗時要求試驗機(jī)應(yīng)力加載速率不大于1MPa/s，達(dá)到拉伸終止應(yīng)力值后，保載不少于15分鐘后卸載。測量試樣上的標(biāo)距尺寸l，計算出標(biāo)距伸長量Δl=l-l0和試樣應(yīng)變率ε=Δl/l0=(l-l0)/l0。統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。對材料進(jìn)行復(fù)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(yīng)力下的變形量

表2 不同性能S30408拉伸試樣復(fù)驗數(shù)據(jù)

匯總表1和表2的數(shù)據(jù)，增補(bǔ)了相關(guān)應(yīng)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(dāng)拉應(yīng)力不超過材料彈性階段Rp0.2，各代表性點的應(yīng)變隨著應(yīng)力的增加呈線性增長規(guī)律。當(dāng)拉應(yīng)力在Rp0.2和410MPa之間，各代表性點的應(yīng)變隨應(yīng)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(dāng)拉伸應(yīng)力在372.6MPa時通過插值法計算的標(biāo)距伸長量和應(yīng)變率見表3。

圖3 不同性能S30408拉伸試樣在各應(yīng)力下變形量曲線

表3 通過插值法計算試樣標(biāo)距伸長量和應(yīng)變率

3 內(nèi)容器筒體的應(yīng)變強(qiáng)化

應(yīng)變強(qiáng)化容器的壁厚計算是指是以薄殼理論為基礎(chǔ)，采用第一強(qiáng)度理論將筒體環(huán)向應(yīng)力限制在許用強(qiáng)度范圍內(nèi)。應(yīng)變強(qiáng)化時筒體環(huán)向應(yīng)力達(dá)到σk，就可認(rèn)為容器達(dá)到了強(qiáng)化目的，此時容器承受的壓力即為強(qiáng)化壓力Pk。工程應(yīng)用時可以允許一定的誤差，沒有考慮容器在強(qiáng)化過程中的壁厚減薄和直徑增加。在實際的應(yīng)變強(qiáng)化處理過程中，強(qiáng)化壓力也無法按容器實際厚度進(jìn)行計算。但分析筒體應(yīng)變強(qiáng)化所受應(yīng)力和變形率的關(guān)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(jìn)行設(shè)計計算，詳見表4。由于實際應(yīng)變強(qiáng)化過程中封頭的變形很小，此處不做分析。

表4 應(yīng)變強(qiáng)化內(nèi)筒體的壁厚計算

根據(jù)表4中的內(nèi)筒體相關(guān)參數(shù)，計算其在應(yīng)變強(qiáng)化時承受的應(yīng)力，詳見表5。

表5 應(yīng)變強(qiáng)化時內(nèi)筒體的應(yīng)力計算

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

測量強(qiáng)化過程中變形的方法有：一、應(yīng)用應(yīng)變強(qiáng)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(yīng)變片，處理終端通過相應(yīng)線路收集數(shù)據(jù)，需要現(xiàn)場配套電控感應(yīng)系統(tǒng)，準(zhǔn)備工作會花費(fèi)大量的時間，對操作人員的技能水平要求高，適合在應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)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(biāo)記，操作簡便，適合批量生產(chǎn)過程，但誤差較大。經(jīng)對比，應(yīng)用應(yīng)變強(qiáng)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(guān)的內(nèi)容器在強(qiáng)化壓力2.7MPa時的應(yīng)變強(qiáng)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(jié)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致強(qiáng)化過程中筒體實際承受的應(yīng)力偏差。實際采購的板材，由于沒有標(biāo)明公差，實際的厚度偏差在±0.3mm，強(qiáng)化壓力是根據(jù)計算壓力得出的定值，筒體在應(yīng)變強(qiáng)化過程中承受的應(yīng)力會隨著壁厚的增加而降低。

3）拉伸試驗和應(yīng)變強(qiáng)化時的環(huán)境溫度不同會導(dǎo)致材料性能偏差。材料強(qiáng)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(qiáng)度隨之一定程度下降，變形量會相對偏大。

5 結(jié)論

通過提前對原材料進(jìn)行模擬應(yīng)變強(qiáng)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(jìn)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(yù)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(yù)測的準(zhǔn)確度。