奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术

1、第35卷第1期化工机械#徐彤1中国待种设备检验研究院）邓阳春陈钢杨笑峰（华东理工大学）（湖北省特种设备安全检验检測研究院）介绍了应变强化基本原理并分析奧氏体不锈钢压力容器应变菠化两种模式一 温应变强 化Avcsui模式和低温应变强化Anidbm模式。同时分析比较几种压力容器标准关于奥氏体不锈钢材 料的许用应力选取其中欧盟ENI3445S力容器标准奥氏体不锈钢屈服强度按。-选取.材料安全系数 取值较低.非常实用。压力容器奥氏体不锈钢应变强化屈月艮强度1Q050.4本文得列一五官家科技支撑计划（Na 2006BAK02B02）资助.邓阳春.53.1967年10月生.在读博士研究生高级工程师。湖北省

2、筱汉市.430077。 1A0254-6094 （2008） 01 -0054-06 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/wxw. 第35卷第1期化工机械55 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/wxw. 第35卷第1期化工机械#奥氏体不锈钢材料具有很好的髙温性能、低 温性能和抗腐蚀性能而且抗拉强度很髙但屈服 强度

3、却较低。按CB150压力容器标准.以材料屈 服强度和抗拉强度为基准分别除以相应的安全 系数，取其小值来确定材料许用应力值的方法往 往导致奥氏体不锈钢材料许用应力值偏低不能 充分发挥材料承载能力。为此研究人员通过应 变强化实现了提髙奥氏体不锈钢材料的屈服强 度本文将对该技术作以评述。1如图1所示.材料变形超过材料屈服强度.达 到。L后卸载，当重新施加载荷材料应力到达。L 之前,处于弹性状态k相当于材料的新屈服强 度显然5 Rq2。图1奥氏体不锈钢单向拉伸图对于非稳定奥氏体不锈钢，因应变产生马氏 体便加工硬化率因应变的增加而逐渐增大缩颈 被推迟故延伸率可达最大值。同时.马氏体变体 的择优形成使应力

4、集中被松驰呈现了相变诱导 现象。对于稳定奥氏体不锈钢在室温下加工不 会形成马氏体组织但其晶粒细化、晶格扭曲和位 错密度增大也会产生硬化效应。奥氏体不锈钢应变强化这一特性广泛用于 桥梁、建筑领域欧洲部分国家巳用于压力容器领 域。奥氏体不锈钢压力容器应变强化常用两种模 式:Avestii模式和Andefonn模式。2A-ve sti将奥氏体不锈钢压力容器在常温进行应变强 化水压试验，产生8%左右（最大10%）塑性变 形，可提高奥氏体不锈钢材料的屈服强度和抗拉 强度通常称该方法为Avcsta模式（Cold Stretched Rning）。该压力容器使用介质一般为液氮、液 氧和液氢等主要民用。瑞典A

5、 vesta Sheffield公 司从1959年开始一直从事压力容器奥氏体不锈 钢应变强化工作并在很多国家申请了专利0A vesta Sheffield公司1959年在瑞典通过特别 许可在经过了 15年采用奥氏体不锈钢应变强化技术制造压力容器后于1974年瑞典压力容器技 术委员会通过压力容器奥氏体不锈钢应变强化技 术1975年纳入压力容器专门标准一变强化 压力容器标准J (Co Id-stretching DirectionCS)o 1977年.瑞典、芬兰、挪威、德国、澳大利 亚、荷兰、英国、西班牙、葡萄牙、捷克斯洛伐克及 南非等国巳接受压力容器奥氏体不锈钢应变强化 技术。瑞典应变强化压力容

6、器标准C4.使用材料 相当于304和316L等，最大厚度30mm,最高使 用温度400Co退火态材料。为21(MPa左右， 延伸率大干35%。强化后，屈服强度取Ok为 41 (MPa左右作为新材料.再按常规方法进行设 计。应变强化水压试验压力由下式确定：1 Z o打瑞典C4标准指出，单向拉伸试样，最大 10%应变足够保证该材料新的屈服强度o k值。 平面应力按Mises屈服准则计算，相应的应变按 表1的比例关系计算。 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/

7、wxw. 第35卷第1期化工机械# 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/wxw. 第35卷第1期化工机械#表1应力、应变比例关系类型-莫应力o莫应变5(F555e圆筒容器L 150 58*IQ 870-Q 871球容器1 *IQ 5(1 5 11单向拉伸试样10 011a 5 Q 51注：* 可按-Q 5卩取 d.cF = Jl/2/ fo | -o 2j: + to 2 -a + to 3 -a /.e = j2/9f (E t - 2)2 + ( 2

8、 -c + (E 3 -e J2 / 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/wxw. 第35卷第1期化工机械# 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/wxw. 第35卷第1期化工机械57瑞典C标准指出.为保证材料新的屈服强 度Ok值，对于圆筒环向最大应变为& 7%:球罐 最大应变为5. 0%o瑞典标准规定最大应变为 1

9、Q 0%0实际圆筒最大应变为3%5%.主要原 因：a实际材料。，比标准值偏大；h实际板厚偏 差及计算圆整后有余量；c封头、接管等有强化作 用。另一个值得重视的问题是，1991年版的瑞典 CSD标准不再需要保证材料新的屈服强度 值貝需按应变强化。k计算所需压力进行水压试 验即可。摒弃了 1975年版根据计算,需保证 最小应变的要求。JonsonJ 1,1指出应变强化需保证材料组织 稳定不因应变产生马氏体。常用稳定和亚稳定 奥氏体在少量应变条件下，不会产生马氏体。 304L和316经过30035(TC、2 000h时效试验表 明.应变强化处理材料与未应变强化处理材料一 样屈服强度值和抗拉强度值变化

10、较小说明可提 高应变强化的使用温度。应变强化处理材料后. 550650变性能仍很好疲劳强度提高。低 于10%应变强化处理材料.在弱氧化性介质如 比S04中腐蚀性与未应变强化处理材料一样:应 力腐蚀结果也一样。另外304L、316钢的残余应 力由于应变强化减少或消除这一点巳被应力腐 蚀试验证实。Hessling G14指出应变强化可节省材料.随 温度升高，节省材料量降低。BrautigM151指出.压力容器母材和焊条采 用稳定奥氏体不锈钢材料304LN.当应变强化塑 性应变量为20%时(包括强化后在液氮下使用), 母材、焊缝和热影响区均未产生马氏体组织。321 为亚稳定奥氏体、20%应变明显产生

11、马氏体:在液 氨低温使用一年未完成马氏体转变；在209、 250次循环可加速马氏体转变，需考虑1969, 循环对马氏体转变的影响。20%应变.对穩定奥 氏体和亚稳定奥氏体材料冲击韧性均有影响;对 于不产生马氏体稳定奥氏体材料冲击韧性的影响 可能是由于晶体结构扭曲造成的。包括稳定奥氏 体材料.20%应变导致材料冲击韧性降低比低温 影响更大；20%应变后穩定奥氏体和亚穗定奥氏 体材料在20、196、269制，其冲击韧性均能 满足AD规范和ANE规范等:实际应变强化压 力容器应变只有8%10% 在低温液体中有足 够的冲击韧性。AinbK.se S16 1969年开始进行应变强化技术 研究.1969年

12、首次制定规范ME/1/69-134应变强 化压力容器(用于低温)，1999年纳入标准 AS1210附录20材料采用3O4、3I6L等：应变限 制在5%.局部最大10% .比瑞典标准保守。限制 5%,主要为了满足BO/TCH （1970）的要求。应 变强化方法具有3个优点:a释放残余应力：h在 很多情况下改变形状提高抗屈服能力：c提高疲 劳性能。欧盟低温压力容器标准 取13458附录C171 采用应变强化技术，推荐了几种材料也可使用其 它稳定奥氏体和亚穩定奥氏体材料，但需满足相 应的技术要求。材料最大厚度30mm,最高便用 温度509.延伸率大于35%0退火态材料应变强 化后倔服强度叭比5 撮多

13、增加200V1Pa左右。 作为新材料再按常规方法进行设计。应变强化 所需水压试验压力为设计压力的L 5倍,保证在 使用过程中容器处于弹性状态。退火态容器强化 时变形量较大:材料已强化的容器（指加工过程 无意中强化或板材轧制的有意强化）水压变形 量较小。退火态容器最大容许10%应变在较长 时间保持载荷情况下可容许增加1%2%应 变.实际上一般圆筒为3%5%应变。这样应 变强化后材料仍能保持较高的延伸率和冲击韧 性。RanaMD介绍了 BD/TC220 2000关于低 温奥氏体不锈钢容器也接受应变强化方法.与 EN13458基本一致。3Aide lb in1961年,Aide-Portland公司

14、将退火态301奥 氏体不锈钢容器在196C （液氮）保温.进行应 变强化水压试验，产生10%左右（最大13%）塑 性变形提髙了 301钢的屈服强度和抗拉强度.有 的再经过427C. 20h时效处理进一步提髙301 钢的屈服强度和抗拉强度通常称该方法为 A ndefonn 模式（Ciyogenic Strctch Foin ing） 0 该奥 氏体不锈钢压力容器用于航天领域使用介质为 液氮、液氧和液氢等。Arde-Portland公司的 Alper R H 10 对 Aide* ibim模式性能进行较为详细的实验研究。同一尺 寸的球（301钢）.在196过应变强化.不经 过时效处理，但在室温放置

15、2h以上.在196C 爆破时屈服应力比应变强化应力有少量的升高 说明室温下也有一定时效作用：经过4279、20h 时效处理，屈服应力比应变强化应力有很大的升 高并随不同应变强化应力而不同：但两者爆破时 应力较接近。退火态的球罐，在196爆破时, 屈服应力相当于材料在该温度下的屈服应力这 也是产生应变强化的起始应力；爆破时应力较低, 但是考虑材料减薄,按真应力计算爆破时应力与 经过应变强化球的应力较一致。在常温下进行爆 破实验未经过时效处理的球屈服应力取决于球 原先应变强化应力；经过时效处理的球屈服应力 较高，爆破应力也较高。同时，采用光滑试样进行 拉伸实验（单向应力）.在产196C.随应变强化

16、应 力增大室温拉伸屈服强度和抗拉强度均增加:经 过时效处理的试样比未经时效处理的试样有较髙 的屈服强度和抗拉强度。为了研究双向应力采 用带缺口试样进行拉伸实验，在X 196,随应变 强化应力增大时效试样的屈服应力变化不大:未 经时效处理试样的屈服应力增大:未经时效处理 试样的屈服应力比原先强化时的应力增大进一 步说明室温有强化效应。在y i96 ca行拉伸试 验缺口试样与光滑试样的抗拉强度比值未经时 效试样随原先强化时的应力增大而增大:然而 经时效试样随原先强化时的应力增大而减小。 也就是随原先强化时的应力增大缺口墩感性增 加。对试验总结得出以下结论：a可采用低温强 化提高强度制造压力容器；h

17、未经时效的应变强 化不锈钢，在歹196P有较高的缺口韧性；c经时 效的应变强化不锈钢.在歹196C和室温有较高 的强度；d能在产196C产生应变强化需要一定 的应力。Ande-Portland公司的 Henderson S W 指 出：应变强化后再经过时效可提髙强度:应变强化 提髙材料抗蠕变性能和缺口强度:未经时效的应 变强化不锈钢，髙温性能也较好。在屈服应力以 下在强氧化剂环境抗腐蚀性能与退火态压力容 器一致。总结应变强化主要优点:髙强度;高蠕变 强度;高缺口韧性:低温427。（2时效不产生扭曲； 提髙可靠性筒体变形12%14%.球变形7% 8% 可检验射线未发现的缺陷:减少应力集中；对 焊

18、缝有利,使焊缝与母材一致;提高抗腐蚀性能。Arde-Portland公司的 Artliur C 指出，Aide- 模式制造压力容器主要是由于无扩散型面心 立方晶格转化为体心立方晶格奥氏体转化为马氏 体并经过时效进一步提髙其室温强度。其成功 应用在于3个重要因素:a化学成分.使材料具有 强度和韧性最好的组合便于焊接：h焊接将产生 1%的收缩，应变强化时与母材强度一致.更为重 要的是使焊缝部位圆滑过渡这些按传统的方法不 可能实现；c设计.压力容器变形量取理论计算的 变形量（前面巳提到这一点完全没必要压力容器 变形量只需要不大于压力容器理论计算的变形量 即可）。另外应变强化使容器向最自然的几何形 状

19、变化如封头形状向球形变化。4表2比较两种奥氏体不锈钢应变强化模式。 相对来说,ArdefoDn模式应变强化程度更大.对材 料性能造成的不利影响也相对较大，其成本较高. 工艺更复杂由于主要用于航天领域）,报道较 少。A vesta法巳被许多欧洲国家接受，EN13458 附录C巳采用.有较多使用经验。 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/wxw. 第35卷第1期化工机械# 1994-2009 China Academic Journal Electronic

20、 Publishing House. All rights reserved. http:/wxw. 第35卷第1期化工机械#表2奥氏体不锈钢压力容器应变强化模式比较项目Ardefom模式（美国）A vesta模式（瑞典）工艺过穆a一般强化前高温淬火处理容器：h液氮低温（-196乜）；c应变强化量小于13%.实际为10%左右；d应变强化时水压为1. 5您；e般再经过4279、20h时效处理进一步强化a般强化前不用高温淬火处理容器：h室温；c应变事化量小于10%.实际为3% 5%: 2 +40(比.2高20%,取值较小整体结构无塑性变形o+2()0此 5：高 100%)整体结构产生明显塑性变形

21、1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www. #化工机械2008年 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www. #化工机械2008年表4列出了几种奥氏体不锈钢材料的So、。k值。Jonson JZ给出了从常温到400QU 下同一种奥氏体不锈钢在不同压力容器标准中的许用应力值，如图2所示。根据不同材料, EN 13

22、445比ANE VDH许用应力值大20% 35%:在200,可节省材料2%20%。 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www. #化工机械2008年 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www. #化工机械2008年表4几种奥氏体不锈钢屈服强度值o0 100 ：)0度500a.316tift应变处理0050M50

23、00503 2 2 1 100 100300500度Tb.3i()M应变处理o o o o o O5 0 5 0 53 2 2 1 1 edsK燈辰烹00 100300500C.EN10028-7 1.4401eds忘使匪肚50005000502 2 11 edsG 宦殴“O30500()0 100300(1.EN10028-7 1.4462O2050OO5EN 13458#压力容器室温应变强化 使用的奧氏体不锈钢材料退火态材料(最小值)应变强化舀材料 屈服强度名称牌号o 0 2 /MPaO i /MPaO k/NlEaX5CWII8101. 430121()25()410X2C1NH9-11

24、1. 4306200240400X2C1N118-101. 4311270310470X6CiNil8-101. 4541200240400X6CiNil8-101. 455020024040()X5CN 19-091. 4315270310470 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www. #化工机械2008年 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All righ

25、ts reserved. http:/www. #化工机械2008年图2不同标准下同一奥氏体不锈钢最大许用应力值 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www. 第35卷第1期化工机械#66. 1采用奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术 能较大幅度地节省材料。其中,A vesta模式巳有 一定的使用经验容易实现有较好的应用前景。6. 2欧盟EN 13445压力容器标准奥氏体不锈钢 屈服强度按。I. “选取材料安全系数取值较低能 节省材料使用范围更广制造上无特殊

26、要求非 常实用。1 Jonson J. Cokistrclchcd Austenitic Stainless Steel Pressure Vessels Second htemational Conference on Pres- buiv Vcbl Tcchiiobgy Pail II Malcihtlb. Fiibiiualbii and hpectbn 1973 1157 11652 Cold-Strctchmg D ircctbns 1991. vedish Pressure Vessel Standandizatbn3 Malstmn U. Design Criteria hwiv

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32、) 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.第35卷第1期化工机械# 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.第35卷第1期化工机械#Strain Strengthening Technobgy of PressureVessels of Austenitic Stain less SteelDEG Yangchun1 , CHEN Gang1, YANG Xiaofeng , XU long3(East