奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术

廖文权

（南宁广发重工集团有限公司，广西 南宁 530001）

奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术

廖文权

（南宁广发重工集团有限公司，广西 南宁 530001）

奥氏体不锈钢材料的强度较低，运用应变强化技术，可以提升材料的屈服强度，在一定程度上减少材料的消耗。目前，在奥氏体不锈钢压力容器的应变强化中存在着两种不同的强化模式：一是常温应变强化模式Avesta；二是低温应变强化模式Ardeform。文章对奥氏体不锈钢压力应变强化的基本原理进行了分析，并对压力容器的应变强化技术进行了讨论。

奥氏体不锈钢；压力容器；应变强化技术；屈服强度；材料消耗；承压设备

承压设备在能源行业中处于核心地位，其稳定可靠运行影响着石油、核电等产业的发展，而在承压设备的设计构造中，压力容器的应变强化技术发挥着非常重要的作用。奥氏体不锈钢本身具备良好的综合性能，一般作为极端环境下压力容器的结构材料，不过考虑到其本身的较低的屈服强度，需要运用应变强化技术来进行强化。

1 奥氏体不锈钢概述

奥氏体不锈钢属于一种特殊的不锈钢，其在常温下具有奥氏体的特征，本身不存在磁性，强度相对较低，但是韧性和塑性较好，如果在其中加入S、Se等元素，则会具备良好的切削性。如果在奥氏体不锈钢中加入Cu、Mo等元素，可以提升其耐酸性介质的腐蚀能力，尤其是高硅的奥氏体不锈钢，对于浓硝酸同样有着良好的耐蚀性。而凭借着良好的综合性能，奥氏体不锈钢在越来越多的行业和领域得到了广泛的应用。

2 奥氏体不锈钢应变强化原理

由于本身构造的特殊性，奥氏体不锈钢的应力应变行为与普通钢材有着很大的不同，不存在相应的屈服平台，因此屈服强度以及强拉强度之间的应变硬化段相对较差，在室温条件下延伸率可以达到40%以上。而在传统压力容器设计中，采用的是基于弹性设计准则的方法，对危险截面的应力范围进行限定，以此来提升压力容器的承压上限，在具体的操作中，一般是增加压力容器的壁厚，降低应力，不过这种方式会加大对于材料的消耗。奥氏体不锈钢本身的价格较为昂贵，因此如果继续沿用传统的设计方法，必然无法满足实际需求。

在这种情况下，设计人员一般会通过试加载以及卸载的方式，实现对于奥氏体不锈钢材料的永久性塑性变形，确保材料本身的屈曲强度能够达到预期的设计要求，而在压力容器制造完成后，结合常温水处理进行强化，可以进一步提升奥氏体不锈钢的屈服强度。通过这样的方式，能够在保证压力容器性能和使用安全的前提下，减少20%～50%的材料用量。奥氏体不锈钢的应变强化特性使得其在桥梁、建筑等领域得到了广泛应用，而在压力容器方面的应用同样取得了一定的成果，具体来讲，体现在两种不同的应变强化模式，即Avesta模式和Ardeform模式。

3 奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术

3.1 Avesta模式

Avesta模式的基本原理，是将奥氏体不锈钢压力容器在常温环境下进行应变强化水压试验，引发出8%～10%的塑性变形，以此来提升奥氏体不锈钢材料的抗拉强度和屈服强度，由于其本身可以在常温下进行，因此被称为常温应变强化或者Avesta模式。这种强化模式下制作出的压力容器一般以民用为主，可以储存液氧、液氮等介质。

以瑞典应变强化压力容器标准CSD为例，在Avesta模式下，奥氏体不锈钢材料的用量在304～316L之间，最大壁厚为30mm，最大运行温度为400℃。在延伸率不低于35%的情况下，退火态材料σ0.2在210MPa左右。以应变强化技术进行强化后，屈服强度的取值约为410MPa，然后可以依照常规的设计方法进行设计。应变强化水压试验中，试验的压力数值可以根据相关公式计算得到：

在相关标准中还指出，对试样进行单向拉伸，最大10%的应变基本可以满足材料新的屈服强度，而平面应力则可以依照Mises屈服准则进行计算，应变的比例关系如表1所示：

表1 应力与应变的比例关系

在CSD标准中，为了确保材料新的屈服强度σk的取值可靠，对求容器的最大应变为5%，对圆筒容器的环向最大应变为8.7%，而标准规定的最大应变为10。在实际压力容器的制作中，圆筒容器的最大应变一般在3%～5%，导致这种情况的原因是多方面的：一是材料本身的σk对比标准值偏大；二是在压力容器的制作环节，存在着壁板厚度的偏差，计算圆整后有一定的余量；三是封头与接管等的存在起到了一定的强化作用。在技术发展的带动下，1991年，瑞典CSD标准新修订版中不再需要确认材料新的屈服强度值，仅仅只需要根据应变强化σk，对水压试验所需的压力进行计算即可。

3.2 Ardeform模式

Ardeform模式指将退火态301奥氏体不锈钢压力容器放置在－196℃的环境下，进行相应的应变强化水压试验，会产生10%～13%的塑性变形，能够有效提升301钢的屈服强度与抗拉强度，如果必要，可以在427℃的高温环境下对材料进行20h的时效处理，可以更进一步地对材料的强度进行提升。这种模式强化的奥氏体不锈钢材料一般用于比较特殊的领域，如航空航天领域，其使用介质同样是液氮、液氧和液氢等。

Arde-Portland公司对于该模式有着较为深入的研究，将同样尺寸的钢球放置在－196℃的环境下，单纯进行应变强化后而没有经过其他处理，于室温环境下放置2h以上，在－196℃的超低温下爆破，相比较应变强化应力，屈服应力有所上升，虽然上升的幅度极小，但是至少也证明了室温下同样存在一定的时效作用。而在427℃的高温环境下对材料进行20h的时效处理后，屈服应力的提升相当显著，而且会随着应变强化应力而发生相应的变化。对于退火态的球容器，在－196℃爆破时，产生的屈服应力既是引发应变强化的初始应力，同时也是材料在相应温度下的屈服应力。而在爆破时，应力本身并不高，不过考虑材料减薄，依照真应力计算，爆破时产生的应力应该与应变强化球的应力保持一致。如果在常温下进行爆破试验，在没有经过时效处理的情况下，球容器的屈服应力应该从其原本的应变强化应力进行分析；而在经过时效处理后，球容器的屈服应力和爆破应力均比较高。选择光滑试样进行单向拉伸实验，在－196℃的条件下，应变强化应力逐渐增大，室温拉伸屈服强度以及抗拉强度也会逐渐增加，与没有经过时效处理的试样相比，经过时效处理的试验拥有更高的屈服和抗拉强度。为了对双向应力进行研究，这里在试样上制作出缺口，然后进行拉伸实验，结果表明，当应变强化应力增加时，时效试样的屈服应力并没有发生很大的变化，而没有经过时效处理的试样屈服强度有所增加，也表明了室温同样具有一定的强化效应。

在－196℃的条件下进行拉伸试验，在没有经过时效处理时，光滑试样与缺口试样的抗拉强度比值会随着强化时应力的增大而减小，反之，如果经过了时效处理，比值会随着应力的增大而增大。对其进行分析，可以得到三个比较关键的结论：一是可以通过低温强化的方法来提升奥氏体不锈钢材料的强度，制造出满足实际要求的压力容器；二是在没有经过时效处理的情况下，对奥氏体不锈钢进行应变强化，在－196℃的条件下存在较高的缺口韧性；三是对于经过时效处理的奥氏体不锈钢，经应变强化后，无论是在室温还是在－196℃的环境下，都具有较高的强度。

3.3 模式对比

将对两种强化模式进行对比，Avesta模式可以在室温下进行，强化前不需要对容器进行高温淬火处理，而且应变强化在3%～5%，对于材料韧性等并没有很大的影响，强化程度相当有限，一般用于民用领域压力容器的应变强化；Ardeform模式需要在－196℃的液氮低温环境下进行，应变强化前需要对容器进行高温淬火处理，应变强化量实际在10%左右，在强化处理后通常需要经过427℃、20h的时效处理，提升强化的效果。Ardeform模式对于材料的韧性等影响较大，强化效果更加明显，一般用于航天领域。

不过，两种模式也存在着一定的相同点：一是从原理上都利用了材料的应变强化效应；二是在强化后，将材料作为一种全新的材料考虑，分析其新性能和屈服应力；三是强化后，整体结构会出现较为明显的塑性变形情况，而在对容器进行设计时，不需要考虑几何变形可能带来的影响，可以依照变性前的几何尺寸，结合通常压力容器的设计方法进行。

4 结语

总而言之，奥氏体不锈钢材料作为一种综合性能良好的材料，在许多领域都有着广泛的应用，不过其本身较低的强度也在一定程度上限制了材料性能的充分发挥，盲目地增加材料用量只会导致成本的增加。在这种情况下，可以在奥氏体不锈钢压力容器的设计中引入应变强化技术，提升材料的屈服强度和抗拉强度，有效节约材料的用量，应该得到足够的重视和更加深入的研究创新，推动应变强化技术效果的持续提高。

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（责任编辑：黄银芳）

TQ051

1009-2374（2017）12-0034-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.018

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