（化工过程机械专业论文）应变强化奥氏体不锈钢低温容器研究.pdf

摘要 随着低温技术水平的提高，奥氏体不锈钢低温容器的应用日益广泛。奥氏体 不锈钢具有屈强比低、价格昂贵等特点，研究奥氏体不锈钢的强化技术，对于提 高低温容器的技术水平，实现奥氏体不锈钢低温容器的轻型化设计和制造具有重 要意义。 本文在查阅大量国内外文献的基础上，应用应变强化原理，研究了奥氏体不 锈钢低温容器的强化技术，主要工作和结论有： ( 1 ) 应变强化容器试验研究。对两台模型容器进行了应变强化试验，测试 不同内压载荷下模型容器典型区域的应变值，得出应变随载荷变化的规律。 ( 2 ) 应变强化过程的非线性数值模拟。同时考虑材料非线性和几何非线性 的影响，建立应变强化过程的非线性数值分析模型。对两台模型容器的应变强化 过程进行了数值计算，得到了应变强化过程中应力应变随载荷变化的规律。计算 结果与试验结果较为吻合，从而验证了分析模型的合理性。 ( 3 ) 应变强化对材料力学性能影响规律的研究。两台模型容器完成应变强 化处理后，在主要焊缝处切取试块，进行力学性能试验，研究应变强化后焊接接 头的力学性能。研究表明：强化后奥氏体不锈钢的屈服强度明显提高，而且仍然 具有良好的弯监和低温冲击性能。 关键词：应变强化低温容器非线性数值模拟奥氏体不锈钢 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fl o w - t e m p e r a t u r et e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o n so f c r y o g e n i cv e s s e l sf r o ma n s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l sa r em o r ea n dm o r ew i d e s i n c ea u s t e n i t i es t a i n l e s ss t e e lh a sal o wy i e l dr a t i oa n dh i g l lp r i c e ，i ti s n e c e s s a r yt os t u d ys t r a i nh a r d e n i n go fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l s ，w h i c hc a ni m p r o v e t h et e c h n o l o g i cl e v e la n da c t u a l i z et h el i g h td e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fc r y o g e n i c v e s s e l s b a s e do nt h el i t e r a t u r er e v i e wi na n do u to fc h i n aa n dt h ep r i n c i p i l eo fs t r a i n h a r d e n i n g ，t h et e c h n o l o g yo fs t r a i nh a r d e n i n gi ss t u d i e di n t h i sp a p e r t h em a i n r e s e a r c hw o r ka n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so ns t r a i nh a r d e n i n gv e s s e l t w os t r a i nh a r d e n i n g e x p e r i m e n t so fm o d e lv e s s e l sa r ep r o c e s s e d a n dt h el o a d - s t r a i nc t r v ei sg a i n e db y s t r a i nt e s t i n gu n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r e si nt y p i c a lr e g i o n ( 2 ) n o n l i n e a rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs w a i nh a r d e n i n gp r o c e s s t h en o n l i n e a r n u m e r i c a la n a l y s i sm o d e l so fs t r a i n - h a r d e n i n gp r o c e s sa r ee s t a b l i s h e db yc o n s i d e r i n g e f f e c t so fm a t e r i a ln o n l i n e a ra n dg e o m e t r yn o n l i n e a r a n dt w os t r a i n h a r d e n i n g p r o c e s s e so fm o d e lv e s s l sa r en u m e r i c a ls i m u l a t e d a l s ot h el a wo ft h es t r e s sa n d s t r a i nc h a n g i n gw i t ht h el o a di ns t r a i nh a r d e n i n gp r o c e s si so b t a i n e dw h i c hc o i n c i d e 、v i t i lt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t st h u sv e r i f i e st h er a t i o n a l i t yo ft h en u m e r i c a l n o n l i n e a ra n a l y s i s ( 3 ) r e s e a r c ho ft h ee f f e c t so fs t r a i nh a r d e n i n go nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h e m e c h a n i c a lt e s t i n gs a m p l e sa r ec u tf r o mt h em a i nw e l do ft w om o d e lv e s s e l sa f t e r s t r e n g t h e n i n g a n dt h e i rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r eo b t a i n e db yt e s t i n g t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ey i e l ds t r e n g t ho fa n s t e n i t i es t a i n l e s ss t e e li si m p r o v e dr e m a r k a b l y , a n d g o o df l e x u r a la n dl o w - t e m p e r a t u r ei m p a c tp r o p e r t i e sa r er e t a i n e d k e y w o r d s ：s t r a i nh a r d e n i n g ；c r y o g e n i cv e s s e l ；n o n l i n e a r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； a n s t c n i t i cs t a i n l e s ss t e e l i i 浙江大学硕士学位论文 ，o一初始屈服函数； 以一 应力偏量第三不变量 q一第一主应力 玛一第三主应力 符号说明 塑性应变增量分量； 模型容器筒体中部径向位移， r a m ； 屈服强度，h 伊a ； 抗拉强度，m p a ； 断后伸长率，； 工程应变； 真实应变； 均匀伸长率，； 设计压力，m p a ； 简体材料许用应力，m p a ； 焊缝系数； 碟形封头过渡圆弧半径，m m ； 最大开孔直径，m m ； 4 一襄? 强范围内压力作用面 以 一 应力偏量第二不变量 c 一 与材料相关的常数； c r 2一第二主应力； q一塑性势； ，模型容器碟形封头顶点 轴向位移，m m 模型容器简体中部最大 0 0 环向应变，； d 产生1 0 塑性变形的规 1 1o 一 定非比例延伸强度，m p a ； 吒强化屈服应力，m p a ； 彳一冲击功，j ； 盯 一工程应力； 仃 一真实应力； s 一计算厚度，m m 见一壳体外径，m m 一安全系数； 碟形封头球冠内半径 m m ： 一 碟形封头形状系数； 一茎鬻排一炸 4 一有效补强范围内壳体、接。 管、补强金属截面积； b 一 壳体上有效补强宽度；d i 一 壳体内径，n 眦； 一 开孔处壳体名义厚度，l m ； c i一 壳体厚度附加量，m m 一接管外伸有效高度，蚴； 。 有效高度内接管名义厚度， 。 m m ： c一 接管内伸有效高度，m m ； v i 谚一接管内径，m m ； 乞一接管厚度附加量，咖： 。 有效补强范围内壳体承 “钿 一载面积： 蟛“如4 4 p ， 浙江大学硕士学位论文 如一翥y 强范围内接管承载面 【盯】l一 接管材料许用应力，m p a ； p k一强化压力，m p a ； 4 2一补强金属面积； 【仃】2一 补强金属许用应力，m p a ； ， 一后继屈服函数； 浙江大学硕士学位论文 1 文献综述 低温技术是研究1 2 0 k 以下低温的获得及应用的技术科学。它主要包括低 温的获得、低温的保持( 低温绝热) 、气体的液化分离、低温液体的贮运等几个 方面，而每个方面又包括一系列的基础理论及应用技术问题。而所有低温的产生、 低温的应用与研究，都离不开低温液体的贮运，使得低温液体的贮存与运输系统 成为低温工程中一个必不可少的关键部分。 随着国民经济的快速发展和低温技术的普及，液氮、液氧、液氩、液氢、液 氦、液化天然气等低温液体的应用日趋广泛，各行业对贮存和输送低温液体的低 温容器的需求不断增长，尤其在工农业、国防科研和医疗方面更为明显。从而为 低温容器带来了前所未有的发展【2 。4 1 。 1 1 低温容器的结构 用来贮存和运输低温液体的设备均称为低温容器，是杜瓦容器、贮液器、贮 槽( 槽船) 的统称。低温容器按贮存介质可分成液氮容器、液氧容器、液氢容器、 液氦容器、液氟容器、液化天然气容器等1 1 。表1 - 1 列出了部分液化气体常压时 的沸点1 5 】。 表1 - 1 部分液化气体的液态常压沸点 产品名称沸点 产品名称沸点j 。c 液氨 一3 3 5 液甲烷 1 6 3 液氮1 9 5 8液乙烷8 8 3 液氧 一1 8 3 液乙烯 1 0 3 ，8 液氩 1 8 6 液丙烯- 4 7 7 液氢 2 5 2 8 液乙炔 - 8 4 液氟一1 8 7液硫化氢 一6 l 液氦 2 6 8 ，8 液二氧化碳 。7 8 5 低温容器按绝热类型可分成两大类：一类是非真空绝热型低温容器，主要是 大型的液氧、液氮和液化天然气的贮运容器；另一类是真空绝热型低温容器，主 要是中、小型的液氧、液氮、液氢、液氦等的贮运容器。真空绝热型低温容器又 分为：高真空绝热低温容器，这类容器体积较小，适用于液氧、液氮和液氩的 贮运，也常用于短期试验；真空粉末( 或纤维) 绝热低温容器，这类容器适用 于较大量的液氧、液氮和液氨的贮运；高真空多层( 或多屏) 绝热低温容器， 浙江大学硕士学位论文 这类容器主要作为液氢和液氦的贮运，也可作为液氮的长期贮存( 如液氮生物容 器) 。真空绝热低温容器均采用双层壁结构，两壁之间即为真空绝热夹层，内装 绝热材料或装入保护屏，并抽真空 6 1 。 低温容器按用途又可分为固定式和移动式两种。固定式低温容器用于低温液 体的贮存，安装在生产低温液体的地方、使用地点和供液站。移动式低温容器用 于低温液体的运输，有陆运、水运、空运几种形式，分别称为槽车、槽船、运输 贮罐等。 1 1 1 液氧、液氮和液氩容器 氧、氮、氩的沸点很接近( 见表1 - 1 ) ，故液氧、液氮、液氩容器可不作改 变而相互换用( 换用时容器内部需经清洗) 。常有如下几种结构：杜瓦瓶、固定 式贮槽和运输式贮槽。 1 1 1 1 杜瓦瓶 杜瓦瓶是一种小型真空低温容器，用于少 量液氧、液氮的贮运，典型结构如图1 1 所示。 它由双层球胆组成，在内胆与外壳之间抽成高 真空。内颈管作为注充和取出低温液体之用， 也是内胆的支撑之一。为防止晃动，内外壳体 之间设有绝热弹性垫。为了维持绝热空间的真 空度，在内胆的下半部还设有吸附剂室，内装 活性炭或分子筛等吸附剂。为提高该类低温容 器的绝热性能，常采用高真空多层绝热结构和 低热导率的玻璃钢管作颈管。在材料方面，多 采用铝合金或不锈钢作为内胆代替铜内胆，碳 钢作外胆。焊接工艺多采用氩弧焊代替银焊或 锡焊【7 】。 1 1 1 2 固定式贮槽 l 一盖；2 一内颈管；3 一内胆：4 一 外壳；5 一拉手；6 - - 支撑垫；7 一 铝壳：8 - - 吸附剂 卜弹簧；l 卜 抽气管；1 1 抽气管护罩 图l 一11 5 l 杜瓦容器 固定式液氮( 氧、氩) 贮槽的容积从数百升至数千立方米，一般安置在空分 装置附近或氧、氮供给中心，用来贮存或对外供应液氧、液氮、液氩等。小型的 2 浙江大学硕士学位论文 贮槽常做成圆柱形，大型的做成球形。固定式贮槽通常采用真空粉末绝热或堆积 绝热。 1 1 1 3 运输式贮槽 液氧、液氮、液氩运输式贮槽中，船运和空运贮槽与固定式贮槽差别不大， 只有陆上运输式贮槽因受运输工具的限制，一般做成圆筒型。公路运输式贮槽的 容积通常为5 2 0 m 3 ，采用真空粉末绝热。公路运输式贮槽的型式按容积大小而 定，小型的可直接装在汽车的车槽内，有的则制成专门的拖车。 1 1 2 液氢、液氦容器 液氢、液氦的沸点很低，汽化潜热也很小，因此，贮运液氢、液氦的设备要 具有优异的绝热性能。贮存和运输液氢除要求有良好的绝热性能外，还应考虑正 仲氢的转化热、氢易燃易爆及氢脆问题。 1 1 2 1 具有液氮保护屏的液氢、液氦容器 在液氢、液氦容器的内容器外面设立一个液氮预冷容器，这样可以使内容器 的外壁温度从3 0 0 k 降至7 7 k ，从而使辐射热流减少到原来的1 1 5 0 1 2 0 0 ，降 低了容器的日蒸发损失。图1 2 示出液氮保护屏的低温贮罐结构示意图。产品液 体( h e 或h 2 ) 置于内容器，液氮装于一个中间容器中，两个都置于真空夹套之 中。 带液氮保护的液氢、液氦容器的容量通常 比较小( 5 0 l 以下) ，也可以做成大型的贮槽， 如5 0 0 l 、8 4 0 l 和2 0 0 0 l 的液氢贮槽( 日蒸发 率分别为o 2 6 、0 8 和1 ) 嘲以及4 0 0 0 l 、 4 5 0 0 l 的液氦贮槽。大容量的液氦贮槽可达 1 2 1 n ，( 日蒸发率为1 0 4 ) ，液氮日消耗量为 外壳体内容器液氮槽 液氮屏高真空 真空绝热 图l 一2 具有液氮保护屏的低温贮槽 4 5 5 l ，同时也可以在液氮保护屏的基础上再附加多层绝热结构。 表1 2 t 9 1 示出了一些小型液氮保护屏液氦容器的性能。虽然液氮保护的液氢、 液氦容器具有绝热效果优异、预冷量小、稳定时间短等一系列优点，但结构复杂 笨重，而且需要辅助冷却介质液氮。因此，这种容器逐渐被多层绝热，特别是被 多屏绝热容器替代。 浙江大学硕士学位论文 表i - 2 液氮保护屏的液氦容器的技术性能 容积l外形尺寸m m日蒸发率 液氦液氮外径总高液氦液氮儿 满载时的重量瓜g 1 01 2 1 5 4 3 2 8 5 02 0 4 01 7 5 34 5 5 6 2 53 3 3 55 2 59 4 01 2 1 82 2 5 47 9 8 6 5 0 4 2 6 0 6 3 51 1 2 0 0 9 1 02 7 5 41 3 0 1 6 6 1 0 04 8 6 56 3 51 4 5 00 5 o 6 51 5 52 0 8 2 2 6 1 1 2 2 气体屏及传导屏容器 虽然液氢、液氦的沸点低、气化潜热小，但蒸发的冷蒸气复热到室温时，所 吸收的热量却相对较大，见表1 3 。因此在该类容器中，常用回收冷蒸气“冷量” 的气体屏或传导屏的绝热结构。 表l - 3 几种气体的显热与潜热之比及绝热效果与传导屏数的关系 正常蒸发的减少率 气体种类显热腊热 传导屏的屏数 0151 0 氦 6 3 81 05 8 1 7 5 2 1 02 5 3 氢 8 61 01 94 04 85 6 氮 1 11 01 11 41 51 7 氧 0 91 o1 11 31 41 5 氩 o 71 o1 11 21 31 4 利用冷蒸气显热常采用以下两种方式：一种是如图1 3 所示的加气体屏，冷 蒸气通过蛇管冷却保护屏，保护屏仍采用高真空多层绝热；另一种方式见图1 - 4 ， 它是一个5 0 l 的液氦容器，在上下颈管之间有一个塞子，加液时打开塞子，贮存 时用塞子使冷蒸气先通过主屏，再进入塞子上部，从颈管排出。 气体屏容器的绝热性能相较于液氮保护屏容器差一些，但其重量却大大减 轻。这种结构适用于容量小于i m 3 的液氢、液氦容器。 传导屏容器是在容器颈管上安装翅片，分别与各层传导屏相连，屏与屏之间 仍装有多层绝热材料。通过绝热材料的一部分径向热流被金属屏所阻挡，而通过 每一个屏的纵向热流传到颈管上，被冷蒸气带走。这种绝热结构称为多屏绝热， 屏数越多，绝热性能越好。但屏数过多，不仅绝热性能提高不明显，而且结构变 得复杂，工艺困难。一般液氢容器常用1 0 屏，液氦容器常用2 0 屏。多屏绝热液 氢、液氦容器具有重量轻、成本低、抽真空容易、热容量小、蒸发量低等优点。 4 浙江大学硕士学位论文 l 一液体进出管；2 一内胆；3 一真空夹层；4 气体管；5 保护屏；卜多层绝热；7 一外 壳 图1 - 3 气体屏的液氦贮存容器 i i 2 3 固定式及运输式贮槽 卜一上颈管：2 一下颈管；3 外壳体；4 一多 层绝热；5 一副屏；6 主屏：7 一内容器；8 一冷却蛇管；9 一多层内支撑 图i - 45 0 l 液氦容器 液氢、液氦贮槽与液氧、液氮贮槽相仿，但绝热性能要求高，一般多采用高 真空多层绝热结构。大型液氦贮槽有采用液氮保护屏或多屏绝热结构，也有把几 种绝热方法结合使用的。 在运输式贮槽中，公路液氦拖车容积可达5 0 m 3 ，液氦半拖车的全容积有6 3 m 3 和4 0 5 m 3 ，液氢槽船容积可达1 0 0 0 m 3 ，铁路液氢槽车的容量一般为1 0 7 1 2 5 m 3 。 1 1 3 液化天然气贮运设备 天然气的贮运一般有两种方式：压缩天然气型式( c n g ) 与液化天然气型式 ( l n g ) 。l n g 型式的储运有着其它输送方式无法比拟的优点：可以减少风险性 管线建设；使远洋天然气贸易成为可能；是解决海洋、荒漠地区的天然气开发与 回收的有效方法；液化前的净化处理使其成为洁净燃料【1 0 ，l 。 l n g 的储存温度很低，再加之天然气易燃易爆的特点，对其储存设备和运 输设备提出了安全、可靠、高效的严格要求。 1 1 3 1l n g 储罐( 储槽) 按容量大小，l n g 储罐分为：小型储罐，大型储罐和特大型储槽。小型储 罐容量5 1 0 0 m 3 ，常用于民用燃气汽化站、l n g 汽车加注站等场合。大型储罐 5 l 2 3 4 5 6 7 8 9 浙江大学硕士学位论文 容量1 0 0 4 0 0 0 0 m 3 ，常用于l n g 生产装置、调峰型液化装置等。特大型储槽容 量4 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 m 3 ，常用于l n g 进出口码头。 l n g 储罐的绝热结构通常有三类：真空粉末绝热，常用于小型贮罐；正压 堆积绝热，广泛用于大中型贮罐及贮槽；高真空多层绝热，用于小型贮罐【1 2 1 。 1 1 3 2l n g 运输设备 l n g 运输设备主要有槽船、槽车和罐箱。天然气在生产地被液化后，通过 l n g 槽船运送到进口国的l n g 接收终端。液化气体运输船的储液方式有三种： 常温压力式、低温常压式及低温压力式，也可称为全压式、全冷式及半冷半压式 1 3 1 。l n g 槽船一般有三种：独立式球型储罐船( m o s s ) 、s p b 型储罐船和薄膜 型储罐船( g t t ) ，如图1 5 所示。 ( a ) 球掣储罐船( m o s s ) ( b ) s p b 型储罐船 8 p 8 ( c ) 薄膜型储罐船( g t t )( d ) l n g 船储罐的类型 图1 - 5l n g 运输船 工业槽车运输l n g 已有3 0 余年的安全历史，通常是将l n g 从调峰型液化 厂运往l n g 卫星贮槽用作汽化或当地分配，或者从l n g 进口码头运往卫星贮槽 或工业用户。绝热型式常采用真空粉末( 或纤维) 绝热和高真空多层绝热。 l n g 罐箱结构与槽车储槽基本相似，外部增加了框架，因其具有使用灵活 性而受到青睐。l n g 槽车外形如图i - 6 所示，l n g 罐箱如图1 7 所示。 6 浙江大学硕士学位论文 图l - 6 专用l n g 低温液体运输车图l - 7 专用l n g 低温液体罐式集装箱 1 2 低温容器的绝热类型 伴随低温液体贮运的发展，低温容器的绝热技术目趋完善。要保持低温液体 的贮运以及低温制冷的温度等，都必须对低温环境采取绝热措施，只有在绝热条 件下才能够保持低温。低温绝热的目的在于将通过对流、传导和辐射等各种传热 方式传递给低温装置的热量减少到尽可能低的程度，减少气化损失，为长时间及 远距离运送低温液体创造条件。 低温绝热分为非真空绝热与真空绝热两大类。非真空绝热，即普通绝热或堆 积绝热，指在低温容器的外表面堆积“警m 一匣* t 或包扎一定厚度的绝热材料的绝热方 。ll 。i ， 式。真空绝热是指将绝热空间抽至不 x ：p + ii ；l 同真空度的绝热方式。真空绝热又分 “”“”6 “”篙。 为高真空绝热、真空粉末绝热和真空 。1掣无目| 5 钙蚓 翥主鬟磊量票凳主? 二鼍9 卜凳喜嘉蓁8 f 逗垂巍；“隧戮；温绝热的基本形式，图1 一为各种绝 f ； ；：i 捌始眦； 热方式的表观平均热导率的比较。圈i - 8 低温绝热的基本形式 t o 一5i 0 - 4 t o - 3j , 0 - 21 0 - il 表观热导率 吖( k ) 】 图i - 9 各种绝热方式的表观热导率 7 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 普通堆积绝热 普通堆积绝热是低温容器中应用最早的绝热型式，这是一种沿用高温保温的 绝热型式，即选用导热系数小的绝热材料装填在需要绝热的部位，绝热材料的空 隙中充满大气压力的空气或其他低温气体( n 2 、h 2 、h e 等) 。这种绝热型式的结 构简单、造价低廉，但绝热性能较差，故普遍用于绝热要求不高的场合。现在， 普冷装置、天然气液化装置、空气分离装置及液氧温度以上的各种低温设备都广 泛采用这种绝热方法。 矿玻陶碳硅膨膨气泡泡泡微 棉葬葬簇茔鬟鬟篓囊蘩鋈器 维维 石翥嚣磊璃胶 图1 一1 0 普通堆积绝热材料及其分类 普通绝热材料是由各种不同材质构成的质轻、热导率小的材料，含有大量气 体。绝热材料可分为纤维状、泡沫状和粉末状三种。图1 1 0 给出了常用绝热材 料的分类。这些材料的导热系数随温度降低和容重减少近似呈线性关系减少。因 此，其绝热效果取决于绝热层的厚度。另外，堆积绝热材料的导热系数随吸湿率 的变化明显。最常用的堆积绝热材料有：珠光砂( 又名膨胀珍珠岩) 、矿渣棉、 碳酸镁、脲醛泡沫塑料、聚苯乙烯、超细玻璃棉及石棉等。 ( 2 ) 高真空绝热 高真空绝热是将绝热空间抽成1 0 4 1o - 3 p a 的真空度，从而消除绝热空间内 的气体对流传热和绝大部分的气体热传导。实际上，高真空绝热是由热壁与冷壁 构成一个纯粹的真空空间，在这个空间中，大部分热量以辐射方式从低温容器外 壳的热壁穿过环形绝热空间传递给内容器的冷壁，也有一小部分热量通过绝热空 间中残余气体的热传导进入内容器。1 8 9 0 年，英国科学家杜瓦首先采用高真空 绝热，因此应用高真空绝熟的低温容器也称杜瓦瓶。 在这类绝热中，影响绝热性能的因素主要有两点：一是夹层的真空度，残余 气体的导热随着真空度的提高而减小，当真空度大于1 3 3 1 0 。p a 时，高真空绝 热达到最大效果。二是辐射传热的大小，在高真空绝热的低温容器中，辐射传热 是造成漏热的主要原因。减小辐射传热最有效的办法是降低绝热空间壁面的发射 8 浙江大学硕士学位论文 率，以及降低热壁温度。因此，常采用低发射率材料，并对发射表面进行抛光和 清洁处理。 高真空绝熟由于其结构简单、制造方便、成本低，常用于小型的液氧、液氮 容器。但高真空的获得和保持比较困难，因此不适用于大型设备，而且越来越多 地被真空多层绝热所替代。 ( 3 ) 真空粉末和纤维绝热 真空粉末或纤维绝热是在1 9 1 0 年以后出现的，在绝热空间填充多孔性绝热 材料，再将绝热空间抽至一定的真空度。研究分析表明，在绝热空间填充多孔粉 末或纤维，只要在低真空的情况下，就可以使气体分子的平均自由程大于粉末粒 子( 或纤维) 之间的距离，从而消除气体的对流传热。而残余气体的热传导，也 因为气压降低而显著下降。另外，多孔性材料对热流的反射与吸收削弱了辐射传 热，特别是添加一定数量的阻光材料( 铜粉或铝粉) 后，更有利于减少辐射传热。 真空粉末或纤维绝热性能优于高真空绝热一个数量级，而且真空度要求不 高，一般为1 o 1 p a 。适用于大中型低温贮槽。常用的绝热材料有珠光砂、气凝 胶、硅胶及矿物纤维。 ( 4 ) 高真空多层绝热 高真空多层绝热于1 9 5 1 年由瑞典的彼得逊首次研制成功。它是由许多具有 高反射能力的辐射屏与低热导率的间隔物的交替层构成，绝热空间抽至低于 1 0 。3 p a 的负压，是效率最高的一种绝热形式，有“超级绝热”之称。自2 0 世纪 5 0 年代以来，由于空间计划和超导技术的要求，真空多层绝热在低温技术中得 到了广泛应用。 在真空多层绝热中，主要有三种传热方式：辐射传热( 约占2 5 ) 、层间固 体导热( 约占5 ) 、残余气体导热( g o 占7 0 ) 【1 4 1 5 1 。影响多层绝热性能的主 要因素有：绝热材料的类型，层间真空度，多层反射屏的层数及密度，多层绝热 物承受的机械载荷等 1 6 - 1 8 。 可用作多层绝热反射屏的金属有铝、铜、金、镍、不锈钢和锡等。但实际上 当使用温度低于4 0 0 4 5 0 时，通常应用轻而便宜的铝箔制作反射屏。用作间 隔物的有玻璃纤维纸或布、尼龙网和植物纤维纸等。通常有三种组合方式：第一 种组合是以铝箔作为反射屏，以玻璃纤维制品、尼龙网、丝绸、纸等作为间隔物； 第二种组合是以双面镀铝的涤纶薄膜作为反射屏，间隔物材料与第一种组合相 9 浙江大学硕士学位论文 同；第三种组合是不用间隔物的单面镀铝涤纶薄膜，或双面镀铝的涤纶薄膜，因 为薄膜本身的热导率低，可以起到间隔物的作用。 多层绝热具有绝热性能优异、重量轻、热容量小、耐久性好、成本适当等优 点，广泛应用于中小型的低温贮液器和绝热要求高的低温装置中。 1 3 应变强化奥氏体不锈钢低温容器 低温韧性是低温容器选材的一个重要指标。绝大多数体心立方晶格的金属材 料随着温度的下降，其韧性都会有所降低，当达到脆性转变温度时，韧性突然降 低，材料进入脆性状态。一般面心立方晶格的金属及合金，低温下不易发脆，在 温度降低时韧性变化很小f 1 9 t2 0 1 。奥氏体不锈钢属于面心立方晶体，不存在脆性转 变温度，具有优良的低温性能，广泛用于低温容器尤其是深冷容器的制造。研究 表明【2 m 3 1 ，奥氏体不锈钢不仅具有较高的强度和韧性，而且还具有显著的应变强 化特性。其应力应变关系曲线中没有像低碳钢那样的屈服平台，而是以产生o 2 的塑性变形时的应力作为屈服强度，在屈服强度以后还拥有相当长的一段应变强 化段。然而，传统的低温容器设计方法则是基于弹性设计准则，将最大应力限定 在弹性范围内，只利用了材料的弹性承载能力。而这对于具有较高抗拉强度和极 高塑性指标，但屈强比较低的奥氏体不锈钢而言，并没有充分发挥奥氏体不锈钢 的塑性承载能力，造成材料浪费、设备增重。为了充分发挥奥氏体不锈钢材料的 塑性承载潜力，国外提出了一种奥氏体不锈钢低温容器的强化方法，将奥氏体不 锈钢的应变强化特征引入低温容器的设计制造过程中。 这类应变强化奥氏体不锈钢低温容器所依据的原理是：当奥氏体不锈钢承受 一个大于屈服强度r 。的拉伸应力吼时，卸载后将会产生永久的塑性变形；当 再次加载时，应力应变将沿卸载曲线保持弹性 增长，直至应力大于吼时材料才重新进入塑 性阶段( 如图1 - 1 1 ) ，即相当于提高了奥氏体 不锈钢的屈服强度。实验表明，奥氏体不锈钢 在变形量小于1 0 的情况下，其塑性指标没 有明显下降，延伸率仍超过4 0 ，远大于碳 素钢或低台金钢所具有2 0 3 0 的塑性指 1 0 图1 - 1 l 奥氏体不锈钢应力应变曲线 浙江大学硕士学位论文 标2 4 ，2 卯。将吒选定为新的屈服强度对容器进行强度设计，由此设计出的容器壁 厚在相同设计压力下将比原屈服强度下设计出的容器壁厚明显减薄。减轻了设备 重量，降低了生产成本。 按照上述原理设计出的奥氏体不锈钢低温容器必须经过一定的强化处理才 能达到提高奥氏体不锈钢屈服强度的目的。其强化的方法是采用室温下的超压强 化处理，将容器加压至强化压力以，保压一段时间后卸载，产生一定的塑性变 形，使筒体远离结构不连续区的应力水平达到或高于以，以此来达到提高奥氏 体不锈钢屈服强度的目的。 目前，这类应变强化奥氏体不锈钢低温容器主要用于真空粉末( 或纤维) 绝 热低温液体储罐的内容器的制造。在国内还没有相关的国家标准和行业标准，也 极少有单位拥有设计制造该类低温容器的实际经验。还存在着很多问题有待研 究，如应变强化处理的工艺、强化过程中应力应变的分布及变化规律等。因此， 研究奥氏体不锈钢的强化技术，对于提高低温容器的技术水平，实现奥氏体不锈 钢低温容器的轻型化设计和制造具有重要意义。 1 4 本文主要研究内容 本文以“十一五”国家科技支撑计划2 0 0 6 b a k 0 2 8 0 2 “大型高参数高危险性 成套装置长周期运行安全保障关键技术研究与工程示范”为依托，围绕奥氏体不 锈钢低温容器在应变强化处理过程中的强化特性，主要开展了以下几方面的研究 工作： ( 1 ) 应变强化过程的非线性数值模拟。通过对奥氏体不锈钢低温容器应变 强化过程的理论分析，同时考虑材料非线性和几何非线性的影响，建立应变强化 过程的非线性数值分析模型。并对两台模型容器的应变强化过程进行数值计算。 ( 2 ) 应变强化容器试验研究。对两台模型容器进行应变强化试验，测试不 同压力载荷下的应变值，得出应变载荷关系曲线，与数值模拟进行对比分析。 ( 3 ) 焊接接头力学性能研究。两台模型容器完成强化处理后，在主要焊缝 处，切取试块，进行力学性能试验，研究强化后焊接接头的力学性能。 浙江大学硕士学位论文 2 应变强化过程的非线性数值模拟 应变强化奥氏体不锈钢低温容器在应变强化过程中，容器发生大的塑性变 形，结构受力复杂。传统的线弹性分析不能揭示容器各部件在应变强化过程中的 应力分布状况，也不能准确计算结构过渡区域的应力集中程度。 随着有限元理论的日趋成熟，特别是商业有限元软件的发展，促进了有限元 分析设计在工程中的广泛应用。有限元分析理论完善、建模快速、计算精度高、 设计周期短，且对于数据的改变反应快速。本章将采用有限元方法模拟应变强化 奥氏体不锈钢低温容器的强化过程，分析容器在强化过程中关键区域应力应变的 变化规律。 2 1 应变强化过程中的非线性 2 1 1 材料非线性 奥氏体不锈钢低温容器在应变强化处理过程中，随着内压载荷的升高，容器 结构不连续区域首先产生屈服，紧接着容器的整体结构也开始进入屈服阶段。随 着强化过程的继续进行，内压载荷持续上升至强化压力，容器进入塑性强化阶段。 从容器局部区域产生塑性屈服开始，容器结构中应力和应变的关系已不能再用线 弹性的物理方程描述，必须采用非线性的弹塑性本构方程，即属于材料非线性问 题。 材料非线性问题可以分为两类。一类是不依赖于时间的弹塑性问题，其特点 是当载荷作用以后，材料变形立即发生并且不随时间而变化。另一类是依赖于时 间的祜( 弹、塑) 性问题，其特点是当载荷作用以后，材料不仅立即发生变形， 而且变形随时间而继续变化【2 6 2 7 。 研究由材料本身的弹塑性本构关系引起的材料非线性问题时，涉及到三个重 要的准则：屈服准则、流动准则和强化准则。 ( 1 ) 屈服准则【2 8 1 1 2 浙江大学硕士学位论文 屈服准则又称塑性条件或屈服条件，是描述不同应力状态下变形体某点进入 塑性状态并使变形继续进行所必须满足的条件。复杂应力状态下屈服准则可采用 屈服函数表达如下： 广( 以，以) = c ( 2 一1 ) 常用的两个屈服准则是t r e s c a 屈服准则和m i s e s 屈服准则。t r e s c a 屈服准则 认为当最大剪应力达到一定数值对，材料开始屈服，其屈服面在三维主应力空间 内为以q = 吼= 吒为轴线的正六棱柱面。m i s e s 屈服准则认为材料在复杂应力状 态下，当八面体切应力达到一定数值时，材料开始进入塑性状态，其屈服面为外 切于t r e s c a 屈服面的圆柱面( 如图2 1 ) 。实验表明，m i s e s 屈服条件更接近于试 验结果。有限元分析中也通常采用m i s e s 屈服准则。 陀5 弹性 p o ( a ) 平面上的屈服轨迹 ( b ) 吒= 0 平面上的屈服轨迹 图2 - 1 屈服轨迹 ( 2 ) 流动准则【2 6 l 流动准则用来规定材料进入塑性变形后的塑性应变增量在各个方向上的分 量与应力分量及应力增量之间的关系。m i s e s 流动准则假设塑性应变增量可从塑 性势q 导出，即 d s ：d a 芸( 2 - 2 ) 口。口 对于稳定的应变硬化材料( 随着载荷增大，如果材料的应力增量d r y 和应变增量 d 占所做的功为正功，即d 盯d e 0 ，此类材料称为稳定材料) ，q 通常取和后继 屈服函数f 相同的形式，称之为和屈服函数相关联的塑性势。 ( 3 ) 强化准则【2 9 ，3 0 l 对于理想塑性材料，达到塑性状态以后，屈服条件不变，即认为载荷继续增 加时，应力不再增加，屈服面的形状大小和位置都不会发生改变。若是硬化材料 浙江大学硕士学位论文 则情况不同，前述的屈服准则只能表示初始屈服，而后继的屈服规律则需采用强 化准则来描述。 对于硬化材料，与图2 - 2 所示的不同硬化特征相对应，强化准则可分为等向 强化准则、随动强化准则和混合强化准则。 等向强化准则认为材料进入塑性变形以后，后继屈服面在各方向均匀地向外 扩张，但其形状、中心及其在应力空间中方位均保持不变，主要适合于单调加载 情况。随动强化准则规定材料进入塑性以后，后继屈服面在应力空间作一刚体移 动，但其形状、大小和方位保持不变。而混合强化准则是为了适应材料一般硬化 特性的要求，同时考虑等向强化和随动强化两种准则，将塑性应变增量分为两部 分。一部分随屈服面扩张，另一部分随屈服面移动。图2 3 示出各种强化准则示 意图。 盯2 l 一一 2 5 q r s ( r 为圆筒半 径，s 为圆筒壁厚) 。 此外，考虑到实际应变强化处理过程中，外部 加压系统对接管端部的反作用力很小，因此在建立 实体模型时，将接管端部处理为封闭形式，以方便 随后载荷的施加。为方便网格划分，预先将模型划 分成不同的区域。两台模型容器的实体模型如图 图2 - 6 模型容器的实体模型 2 6 所示。 2 2 3 网格划分 1 7 浙江大学硕士学位论文 为了获得较高的计算精度，模拟时采用高阶三维实体单元s o l i d 9 5 。s o l i d 9 5 是带边中节点的3 。d 六面体单元，具有2 0 个节点，每个节点有3 个自由度，可 以用来模拟不规则的边界形状。同时，s o l i d 9 5 具有模拟材料塑性、应力刚化、 大应变和大变形的能力，适合于本文研究的奥氏体不锈钢低温容器应变强化过程 的非线性问题。 为得到紧密而规正的网格，采用映射网格划分和扫略网格划分相结合的方式 对实体模型进行网格化。筒体和碟形封头的远离结构不连续区域，采用中等密度 的网格划分；对于碟形封头过渡段、筒体和封头之间的总体结构不连续区域，尤 其是接管根部焊缝附近的局部结构不连续区域，对网格进行局部加密，以模拟这 些部位的不连续应力和应力集中。 模型容器的有限元网格见图2 7 。n o 1 模型容器网格模型共有节点4 1 1 8 0 个，单元7 4 4 5 个；n o 2 模型容器网格模型共有节点4 1 1 5 7 个，单元7 4 2 7 个。 图2 7 模型容器的有限元网格 2 2 4 边界条件 位移边界条件 为限制模型的轴向平动，取研究对象底面的轴向位移为零。考虑到容器结构 及载荷的对称性及其变形的特点，取研究对象纵向边界面的周向位移为零。 力边界条件 应变强化处理时，模型容器卧式放置于木制鞍座上。由于容器直径不大，容 器内液柱静水压力与设计压力和强化压力相比，可忽略不计；容器各部位由支座 1 8 浙江大学硕士学位论文 反力引起的应力与由内压载荷引起的应力相比，也可以忽略。这样，容器主要承 受试压泵所施加的内压载荷。故有限元模型的力边界条件为内表面作用均布的压 力载荷。有限元模型的具体边界条件如图2 8 所示。 2 2 5 求解方法 奥氏体不锈钢低温容器的应变强化处理过程由加压、保压和卸压三个部分组 成。加压过程中为了保证容器有充裕的时间产生塑性变形，对加压速率进行了严 格的控制，而保压过程又是一相对静止的阶段。因此在对应交强化过程进行非线 性数值模拟时，可以忽略加 压速率对结构响应的影响， 将实际过程看成是类静态问 题，采用稳定的静态求解。 由于奥氏体不锈钢材料 本身优良的塑性性能，简体 中部和接管根部等部位在应 变强化过程中都产生了较大 塑性变形，因此在求解过程 中，必须考虑几何非线性对 结构响应的影响，即大应变 图2 - 8 位移约束与内压载荷 效应。 在弹性阶段，可以使用较快的加载速度，采用稀疏直接求解器( s p a r s ed i r e c t s o l v e r ) 求解，以加快收敛。在塑性阶段，控制加载速度，分成多个载荷子步缓 慢进行加载，使每个载荷子步内的最大塑性应变增量小于5 ；同时，采用全牛 顿迭代法( f u l l n e w t o n - r a p h o n ) ，利用预条件共轭梯度求解器( p c gs o l v e r ) 进 行求解，以减少迭代次数，提高求解速度。 另外，由于在分析所经历的应变范围内，材料的应力应变曲线是光滑的， 故可以应用预测方法，基于前一个时间步的求解来预估下一个时间步的求解情 况，这样可以加快收敛，较大地减少塑性分析中所需的平衡迭代次数。 2 3 数值模拟结果分析 1 9 浙江大学硕士学位论文 2 3 im i s e s 等效应力 图2 - 9 n o 1 模型容器强化压力下m i s e s 等效应力 图2 - 1 0n o 2 模型窖嚣强化压力下m i s e s 等效应力 浙江大学硕士学位论文 强化压力下，两台模型容器m i s e s 等效应力分别如图2 - 9 、图2 1 0 所示。 据图2 - 9 、图2 1 0 可知，在强化压力下，两台模型容器简体和碟形封头球冠区 远离结构不连续部位的等效应力分布都比较均匀。其中n o 1 模型容器筒体和封 头远离结构不连续区的等效应力分别为3 8 5 m p a 和2 5 6 m p a ，n o 2 模型容器简体 和封头结构不连续区的等效应力分别为3 8 5 m p a 和2 4 1 m p a 。筒体总体薄膜应力 大约是碟形封头球冠部分的总体薄膜应力的1 5 l 倍和1 6 0 倍。 各接管根部焊缝附近区域都存在明显的应力集中现象，其中筒体接管最大应 力出现在根部外侧焊缝附近，封头接管最大应力出现在根部内侧焊缝附近。结构 整体的最大等效应力均出现在简体接管根部外侧焊缝区附近，其中n o 1 容器最 大等效应力为4 7 4m p a ，n o 2 容器最大等效应力为4 5 8 m p a 。 表2 2 列出了两台模型容器典型部位的m i s 等效应力。表中，a 、f 为各 接管根部的局部结构不连续区，b 为碟形封头球冠远离结构不连续区域，c 为碟 形封头球冠区与过渡圆弧段之间的总体结构不连续区，d 为碟形封头的过渡圆弧 段，f 为简体与碟形封头相连接的总体结构不连续处，g 为筒体远离结构不连续 区。容器典型部位a - - g 详见图2 1 l 所示。 表2 - 2 强化压力下模型容器典型部位的m i s 船等效应力m p a 典型部位abc i def g n o 12 6 8 2 5 62 7 2 l 2 8 13 0 64 7 43 8 5 n o 22 6 0 2 4 12 6 2 l 2 7 l3 0 24 5 8 3 8 5 从表2 - 2 中结果可以看出，虽然封头接管根部区域存在一定的应力集中，但 较之筒体