国标低温罐式集装箱应变强化变形率预测方法

鞠晓锋

（南通中集能源装备有限公司 南通 226003)

1 引言

随着低温罐式集装箱（下面简称“低温罐箱”）的应用越发广泛，其轻量化需求也更加迫切，奥氏体不锈钢的应变强化技术由于可以提高材料的许用应力，降低容器壁厚而被广泛采用。低温罐箱由框架和罐体组成，框架需要满足GB/T 1413-2008 《系列1集装箱分类、尺寸和额定质量》的尺寸要求，罐体由内容器和外壳组成。外壳受框架尺寸限制，内容器和外壳装配形成的夹层中填有高真空多层绝热材料，需要保留一定的空间。内容器经过应变强化，会在环向发生形变，直径会从一定程度上增大。国内外专家学者从材料性能、容器设计、制造检验等方面对奥氏体不锈钢应变强化技术进行研究，认为在强化过程中容器的形状和尺寸趋于稳定可以被认为是充分强化【1】。如何找到容器变形量与强化压力之间的关系，确定合适的内容器直径，成为应变强化应用在低温罐箱产品上的一个难题。内容器选取直径过小，则容积不能满足用户的要求，选取直径过大，应变强化后内容器直径增加，不能满足与外壳套合的要求，则内容器报废。确定合适的内容器直径，需要能够预测内容器在应变强化过程中的变形率。

本文结合了国内外的标准和近几年公司生产的应用应变强化技术的移动压力容器获得的强化数据，分析其中的规律，提出预测S30408材料应变强化变形率的方法。

2 奥氏体不锈钢材料S30408的模拟试验

奥氏体不锈钢材料S30408的室温组织为稳定的面心立方晶体，没有脆性转变温度，其良好的低温性能使其广泛的使用在低温移动压力容器上。同时其屈强比较低，有良好的韧性和塑性，屈服强度与抗拉强度间具有较大的塑性延伸区域，即应变强化段【2】。根据EN13530《低温容器-大型移动真空绝热容器》附录C.7中介绍了奥氏体不锈钢材料的增强理论，在变形时体现出相当明显的应变强化表现，同时还能保持材料特性。卸载后，材料会产生塑性变形，再次加载，应力应变会沿卸载路径进行线性增长，直至应力大于σk后，材料再次进入塑性阶段，屈服强度提高，其应力/应变曲线如图1所示【3】。

图1 奥氏体不锈钢应力/应变曲线【3】

Rp0.2/1.0为规定非比例延伸率（试验中引伸计标距的非比例延伸与引伸计标距之比的百分率）为0.2%/1.0%时的应力。原国标压力容器标准中取Rp0.2作为确定许用应力的基数，即Rp0.2除以相应的安全系数1.5为材料的许用应力。现在钢板冶炼技术提高，钢板质量已接近世界领先水平，具备了采用Rp1.0的基础储备。GB150是国内压力容器体系的基础性标准，其中4.4.1中提出，如果在引用的标准中规定了Rp1.0，可以选用该值确定许用应力【4】。根据GB/T 24511-2017《承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带》规定，奥氏体不锈钢材料S30408塑性延伸强度Rp0.2≥220MPa，Rp1.0≥250MPa，抗拉强度Rm≥520MPa，断后伸长率A≥40%。依照GB150应用S30408材料进行设计的容器就可以用250MPa来确定许用应力进行计算。依照T/CATSI 05001-2018 《移动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求》规定，S30408塑性延伸强度Rp0.2≥220MPa，抗拉强度520MPa ≤Rm≤720MPa，断后伸长率A≥45%，进一步提高了材料的塑性和韧性要求，提高了奥氏体不锈钢材料应变强化后的可靠性，并将许用应力提高至273MPa【5】。

实际采购到的板材力学性能差异较大，收集我司近几年采购的S30408的材料质保书中信息，Rp0.2在260MPa～330MPa之间，Rp1.0在300MPa～365MPa之间。材料性能的不确定使内容器应变强化变形量控制难度加大。

对选定的8mm板厚的S30408材料沿轧制方向制作模拟内容器应变强化受力情况的拉伸试样。试样总长度450mm，宽度32mm，配合液压拉伸试验机的夹具，两端预留50mm的夹持段，以试样中心为基准向两侧进行标距划线，标距尺寸为l0=200mm。拉伸试样示意见图2,。采用应力控制法进行拉伸试验，将应力控制在360MPa和410MPa，试验温度控制在环境温度20℃。为了尽量接近应变强化时内容器承受拉伸力的条件，试验时要求试验机应力加载速率不大于1MPa/s，达到拉伸终止应力值后，保载不少于15分钟后卸载。测量试样上的标距尺寸l，计算出标距伸长量Δl=l-l0和试样应变率ε=Δl/l0=(l-l0)/l0。统计数据见表1。对材料进行复验，获得数据见表2。

图2 拉伸试样示意图

表1 不同性能S30408拉伸试样在各应力下的变形量

表2 不同性能S30408拉伸试样复验数据

汇总表1和表2的数据，增补了相关应力的拉伸试验，绘制了变形量曲线图见图3，可以看出，在整体趋势上，材料承受拉伸载荷的变化规律与图1相似，当拉应力不超过材料弹性阶段Rp0.2，各代表性点的应变随着应力的增加呈线性增长规律。当拉应力在Rp0.2和410MPa之间，各代表性点的应变随应力的增长幅度迅速加大，仍然呈线性增长趋势。中间值可以用插值法确定。当拉伸应力在372.6MPa时通过插值法计算的标距伸长量和应变率见表3。

图3 不同性能S30408拉伸试样在各应力下变形量曲线

表3 通过插值法计算试样标距伸长量和应变率

3 内容器筒体的应变强化

应变强化容器的壁厚计算是指是以薄壳理论为基础，采用第一强度理论将筒体环向应力限制在许用强度范围内。应变强化时筒体环向应力达到σk，就可认为容器达到了强化目的，此时容器承受的压力即为强化压力Pk。工程应用时可以允许一定的误差，没有考虑容器在强化过程中的壁厚减薄和直径增加。在实际的应变强化处理过程中，强化压力也无法按容器实际厚度进行计算。但分析筒体应变强化所受应力和变形率的关系时，需要按筒体实际厚度来考虑。

参照GB150-2011《压力容器》对最大允许工作压力为1.6MPa的低温罐箱进行设计计算，详见表4。由于实际应变强化过程中封头的变形很小，此处不做分析。

表4 应变强化内筒体的壁厚计算

根据表4中的内筒体相关参数，计算其在应变强化时承受的应力，详见表5。

表5 应变强化时内筒体的应力计算

若不考虑圆整值，假设采购7.3mm定制板材对内容器进行制造，强化时筒体上的应力为402.7MPa。由以上计算可以看出，筒体壁厚圆整量对应变强化是筒体上的应力影响较大，根据不同的圆整程度，应变强化时筒体承受的应力范围在360MPa～410MPa之间。

测量强化过程中变形的方法有：一、应用应变强化控制系统，位移传感器可以自动测量周长的变化，按一定的时间间隔来记录压力和位移，但需要在筒体上布置大量应变片，处理终端通过相应线路收集数据，需要现场配套电控感应系统，准备工作会花费大量的时间，对操作人员的技能水平要求高，适合在应变强化技术应用初期监测样罐时使用，不适合批量生产过程；二、用卷尺人工测量周长变形量，需要将卷尺布置在筒体最大变形处，卷尺需经过校验，在初始位移处做好标记，操作简便，适合批量生产过程，但误差较大。经对比，应用应变强化控制系统和用卷尺人工测量数据误差在5%以内，实际生产过程可接受。两种测量方式见图4

图4 位移传感器和卷尺测量

跟踪这3个材检号相关的内容器在强化压力2.7MPa时的应变强化过程，统计内筒体变形率，数据见表6

表6 内筒体变形量

4 结果分析

内筒体变形率与拉伸试样变形率对比数据见表7，分析造成误差的可能原因有以下几方面：

表7 变形率对比

1）拉伸试样的水平度不足会导致拉伸试样的数据偏大。由于原材料为卷钢开平，加工出来的部分试样有弯曲，会导致拉伸变形量有一部分是试样拉直后的位移，其值略大于实际试样变形量。

2）筒体的厚度公差会导致强化过程中筒体实际承受的应力偏差。实际采购的板材，由于没有标明公差，实际的厚度偏差在±0.3mm，强化压力是根据计算压力得出的定值，筒体在应变强化过程中承受的应力会随着壁厚的增加而降低。

3）拉伸试验和应变强化时的环境温度不同会导致材料性能偏差。材料强度会随着环境温度的升高而降低。拉伸试验时控制的环境温度为20℃。实际生产过程中，环境温度升高，材料强度随之一定程度下降，变形量会相对偏大。

5 结论

通过提前对原材料进行模拟应变强化的拉伸试验，获得的试样变形率与生产过程中内容器筒体实际变形率进行对比，最终误差范围在10%以内，满足工程使用要求，证明方法有效，可以提前预估筒体的变形量。同时，此方法会随着数据不断的积累，不断提高变形量预测的准确度。