奥氏体不锈钢深冷容器室温应变强化技术
郑津洋，郭阿宾，缪存坚，马利，吴琳琳 (浙江大学 化工机械研究所，浙江 杭州 310027)
摘要：随着低温液化气体的日益广泛应用，深冷容器的需求量不断增加。在安全的前提下，实现深冷容器的轻量化，对于节能降耗具有重要意义。采用室温应变强化技术可以提高奥氏体不锈钢的屈服强度，显著减薄奥氏体不锈钢制深冷容器的壁厚，减轻重量。中国、美国、德国、澳大利亚等已将该技术用于制造奥氏体不锈钢深冷容器。本文在简要介绍室温应变强化技术发展历史、标准和优点的基础上，着重分析讨论了该技术推广应用中遇到的常见问题。
关键词： 奥氏体不锈钢；深冷容器；轻量化；室温应变强化技术
Cold Stretching Technique for Austenitic Stainless Steel
Cryogenic Pressure Vessels
ZHENG Jin-yang, GUO A-bin, MIAO Cun-jian, MA Li, WU Lin-lin (Institute of Process Equipment, Zhejiang University, Hangzhou 310027)
Abstract: As the widespread application of cryogenic liquefied gas, the number of cryogenic vessels needed is increasing. On the premise of safety, realizing light-weight of cryogenic vessels has significance to energy conservation and emission reduction. Yield strength of austenitic stainless steel can be enhanced and the wall thickness and weight of austenitic stainless steel cryogenic vessels can be reduced by using cold stretching technique. Nowadays, this technique has been used to manufacture austenitic stainless steel cryogenic vessels in China, America, Germany, Australia and so on. The authors answered the frequently asked questions after giving a brief introduction of the history, standards and advantages of cold stretching technique.
Key words: austenitic stainless steel; cryogenic vessels; light-weight; cold stretching technique
1 引言
近年来，随着我国国民经济的迅速发展和低温技术应用的日益普及，液氮、液氧、液氢、液氩、液氦、液化天然气等低温液化气体的应用日趋广泛，奥氏体不锈钢深冷容器的需求量不断增长。
奥氏体不锈钢的屈强比低，按GB150[1]等我国现有压力容器标准设计，其许用应力由屈服强度决定，安全裕量过大，不能充分发挥其承载能力，造成材料浪费、设备增重。提高奥氏体不锈钢的屈服强度，是提高其许用应力、实现奥氏体不锈钢深冷容器轻量化的关键。
在室温下把奥氏体不锈钢拉伸到塑性变形，然后卸载，当再次加载时，材料的屈服强度将提高而塑性下降。室温应变强化技术就是利用这一原理，在室温下用洁净水对奥氏体不锈
钢深冷容器内容器进行超压处理，使其产生一定量的塑性变形，通过提高奥氏体不锈钢屈服强度而提高许用应力。中国、美国、德国、澳大利亚等国家已用该技术制造奥氏体不锈钢深冷容器内容器，实现了深冷容器的轻量化，达到了节能降耗的目的[2]。
本文在简要介绍室温应变强化技术发展历史、标准和优点的基础上，着重回答了该技术推广应用中遇到的常见问题。
2 室温应变强化技术发展历史
室温应变强化技术最早出现在20世纪中叶的欧洲，距今已有50多年的历史。表1简要给出了室温应变强化技术的发展历史[3-12]。
表1 室温应变强化技术发展历史
3 室温应变强化技术标准
室温应变强化技术已被纳入Cold-Stretching Directions 1991、AS 1210-Supp2-1999、EN 13458-2: 2002附录C、EN 13530-2: 2002附录C、ASME BPVC VIII-I Code Case 2596、ISO20421-1: 2006附录D和ISO21009-1: 2008附录C等标准。下面简要介绍欧盟、美国和ISO有关室温应变强化技术的标准。 3.1 欧盟标准
EN 13458-2: 2002附录C 和EN 13530-2: 2002附录C分别适用于壁厚不大于30mm、设计温度不大于50℃的固定式和移动式奥氏体不锈钢深冷容器内容器的室温应变强化，对材料、设计、制造、检测和试验等作了规定。
（1）材料 标准中给出的材料有1.4301、1.4306、1.4311、1.4541、1.4550、1.4315等奥氏体不锈钢。当工作温度不低于-196℃时，上述材料可以直接用于应变强化；对于未列入标准的材料或者工作温度低于-196℃的上述材料，使用前应先加工焊接试件，进行拉伸强化处理，然后分别制备母材和焊接接头拉伸、冲击试样，并在常温(20℃)和最低工作温度下进
行拉伸试验和冲击试验，以验证力学性能（包括屈服强度、断后伸长率和夏比V型缺口冲击功）是否满足要求。
（2）设计 给出了内压圆筒体、碟形封头等以薄膜应力为主的结构壁厚计算公式。承受外压时，仍应采用常规设计方法。
（3）强化工艺 对升压程序、测试内容、强化结束判据和记录内容进行了规定。 （4）焊接 容器强化后若再焊接，则需要进行二次强化，但以下情况除外：仅承受低载荷的附件（如绝热支撑）的点焊、直径不超过容器内径10%（最大不超过100mm）的接管焊接。 3.2 美国标准
ASME BPVC VIII-I Code Case 2596适用于壁厚不大于30mm、最低设计金属温度大于等于-196℃且小于等于50℃的球壳和由单一直径的圆筒与碟形封头构成的圆柱壳，其主要内容与EN 13458-2: 2002附录C相似。
（1）材料 允许使用304、304L、304N、316、316L、316N和316LN等奥氏体不锈钢，并给出了许用应力。
（2）设计 仍采用ASME BPVC VIII-I中的壁厚计算公式，但应采用Code Case 2596 中的许用应力。
（3）强化工艺 与欧盟标准规定的强化工艺一致。
（4）焊接 容器强化后若再焊接，则需要进行二次强化，但不包括长度小于6mm的点焊及附件焊缝。 3.3 国际标准
除增加304、304L、304N、316、316L、316N和316LN等美国标准中常用的奥氏体不锈钢牌号外，ISO 20421-1: 2006附录D和ISO 21009-1: 2008附录C分别与欧盟标准EN 13530-2: 2002附录C和EN 13458-2: 2002附录C 相同。
4 室温应变强化技术的优点
（1） 节省材料 按照GB150、EN13458-2:2002附录C和ASME BPVC VIII-1 Code Case 2596确定的典型奥氏体不锈钢在常温下的许用应力见表2。与GB150相比，采用室温应变强化技术后，材料的许用应力提高率为83.1%～128.5%，即在壁厚由拉伸应力决定的情况下，奥氏体不锈钢深冷容器内容器的壁厚可以减薄一半左右，显著减轻重量。
表2 常温下应变强化设计和常规设计的许用应力比较
注：1）欧盟标准中仅规定了材料的强化应力Rk（即强化后的屈服强度），表中的许用应力按Rk/ns计算，其中ns为相对于Rk的安全系数，取1.5；2）材料的牌号参照GB/T 20878-2007[13]、GB/T 4237-2007[14]和GB 24511-2009[15]，欧盟和美国材料与国标中所列材料同等级；3）“--”表示相应标准中未列出同等级的材料。
（2）节能减排 在深冷容器制造过程中，容器壁厚的显著减薄，可以减少焊接和成型时的能量消耗。据国际铝业协会的报告统计，汽车燃料约60％消耗于汽车自重，汽车质量每减轻10％，可降低油耗10％～15％[16]。研究数据显示，汽车质量每减少100 kg，百公里油耗可降低0.3~0.6 L，即相当于减排0.49~1.38千克CO2[17]。因此，对于移动式奥氏体不锈钢深冷容器，采用室温应变强化技术还可以节省油耗，降低运行成本和二氧化碳排放量。
（3）降低重容比 重容比是衡量压力容器轻量化的重要指标，也是移动式压力容器能效的重要指标。采用室温应变强化技术后，内容器的重量显著减轻，容积约增加2%～10%，重容比可以降低50%左右[18]。
表3给出了奥氏体不锈钢深冷容器内容器的一个设计实例。该内容器的筒体和封头材料均为304，主要设计参数为：设计压力3.5MPa、强化压力5.25MP、容积12m3、设计温度为-196℃
。采用室温应变强化技术后，内容器的重量减轻了48.4%，容积增加了4.54%，重容比降低了50.6%，显著提高了产品的竞争力。
表3 奥氏体不锈钢深冷容器内容器应变强化设计实例
5 分析讨论
5.1 室温应变强化技术的安全性
50多年的发展表明，只要在设计、制造中采取措施，正常使用，应变强化深冷容器的安全性是可以保证的。
（1）奥氏体不锈钢的塑性、低温性能优良，经适当室温应变强化处理后，在低温下仍能保持良好的力学性能。断后伸长率不低于40%的奥氏体不锈钢试验研究表明：应变强化压力下奥氏体不锈钢的塑性变形量在9%以内时，常温下母材断后伸长率仍超过25%，-196℃时的焊接接头的夏比V型缺口冲击功仍能满足31J的要求[19]。
（2）腐蚀试验研究表明，在10%的应变范围内，应变强化对奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能影响很小。实验表明，在氧化性（浓度为65%的HNO3）和非氧化性的腐蚀溶液（2%H2SO4+3%Na SO4）中，室温应变强化几乎未对奥氏体不锈钢的耐均匀腐蚀和晶间腐蚀性能产生不利影响；在酸性和中性氯化物溶液中，室温应变强化也几乎未对奥氏体不锈钢的点蚀敏感性产生影响[5,20]。
（3）爆破试验研究表明（见表4），强化后容器常温下的安全裕度（爆破压力与设计压力比值）在2.09-2.49之间。考虑到材料的低温增强，在低温（-196℃）下的奥氏体不锈钢抗拉强度可达常温下抗拉强度的2倍以上。因此，在低温下工作时，容器的安全裕度达到4.18-4.98[21,22]。
（4）迄今为止，国内外已按AS1210-Supp2-1999、EN13458-2附录C、EN13530-2附录C、ASME BPVC VIII-1 Code Case 2596等室温应变强化相关标准设计制造了近万台奥氏体不锈钢应变强化深冷容器，尚无事故报道。
表4 按不同设计方法得到的安全裕度比较
5.2 中国室温应变强化技术的发展现状
经过近八年时间的努力，中国已在攻克深冷容器非线性设计、应变强化工艺、强化参数
控制等工程化技术关键的基础上，开发成功应变强化多任务自动控制系统，研制成功奥氏体不锈钢应变强化深冷容器，显著减薄容器内胆壁厚，节能省材，实现了深冷容器的轻量化。研究成果的整体技术已达到国际先进水平，显著提高了中国深冷容器产品的国际竞争力。 5.3 室温应变强化是一种新制造技术
室温应变强化没有改变深冷容器的结构和绝热方式，和焊接、热处理等一样，是一种制造技术，是深冷容器制造过程中的一个工艺环节。美国、欧盟等标准均以附录、案例形式对其适用范围、材料、设计、制造（包括焊接、无损检测、应变强化程序和记录）和标识进行规定。
5.4 应变强化需要特殊的加压系统
室温应变强化过程中，加压速率和保压阶段的压力稳定性均对容器的塑性变形有显著影响。为了使容器得到充分变形，需要严格控制加压速率和强化压力。通常用于液压试验的加压系统，往往没有加压速率和压力自动控制功能，不适用于应变强化。 5.5 室温应变强化工艺验证
科学、合理的应变强化工艺是容器应变强化质量保证的关键之一。考虑到室温应变强化技术在中国尚处于推广应用初期，有待于积累数据和经验。制造单位应制订室温应变强化作业指导书，并对强化工艺进行试验验证。其程序为：应变强化容器试制→充水加压至强化压力→保压并按一定时间间隔测量每个筒节环向应变最大部位的周长和周向应变→周向应变率小于规定值后卸压→在指定部位切取焊缝试验试块→加工试样→测量常温（20℃）和低温（-196℃）下焊接接头的力学性能。焊缝试验试块切取位置至少应包括纵向焊接接头、带垫板环向焊接接头、不带垫板环向焊接接头和封头对接焊接接头。 5.6 室温应变强化过程的监督检验
经过应变强化处理后，奥氏体不锈钢内容器的直径会增大、壁厚会减薄。其增大和减薄程度与多种因素有关。设计图样中只给出应变强化前的直径、壁厚、长度等尺寸。如果按此去要求经强化处理后的容器，就会得出不合格的结论。因此，建议监督检验员监督应变强化过程，重点监督：（1）应变强化前容器的结构和尺寸是否与图样要求一致；（2）应变强化是否严格执行经评审合格的应变强化工艺；（3）筒节最大环向应变是否在规定的范围内。 5.7 应变强化容器的容积
室温应变强化后，容器的容积会增大（见表3）。在确定容器的充装量时，应适当考虑容器容积的变化。 5.8 应变强化容器的铭牌
除TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》[23]规定的内容外，铭牌上还应注明强化压力、强化前容器的直径和壁厚、执行的标准等内容。
参考文献
[1] GB150-1998, 钢制压力容器[S].
[2] 郑津洋, 缪存坚, 寿比南. 轻型化——压力容器的发展方向[J]. 压力容器，2009,26(9):42-48.
[3] JS Peterkin. Cold Stretched Austenitic Stainless Steel Pressure Vessels[C]. Symposium on Stress Analysis for
Mechanical Design 1981: Preprints of Papers 1981.96-98.
[4] 邓阳春, 陈钢, 杨笑峰, 徐彤. 奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术[J]. 化工机械, 2008,35(1):54-59. [5] Johan Ingvar, Johansson. Austenitic Stainless Steel Pressure Vessels [P]. US 3456831 A, 1969. [6] Cold-Stretching Directions 1991. Swedish Pressure Vessel Standardization[S].
[7] AS1210-Supp2-1999, Pressure Vessels-Cold-stretched Austenitic Stainless Steel Vessels[S].
[8] EN 13458-2:2002, Cryogenic Vessels-Static Vacuum Insulated Vessels-Part 2: Design, Fabrication,
Inspection and Testing[S].
[9] EN 13530-2:2002, Cryogenic Vessels-Large Transportable Vacuum Insulated Vessels-Part2: Design,
Fabrication, Inspection and Testing[S].
[10] ISO 20421-1:2006. Cryogenic vessels-Large transportable vacuum-insulated vessels-Part 1: Design,
fabrication, inspection and testing[S].
[11] ASME BPVC VIII-I Code Case 2596: 2008, Coldstretching of Austenitic Stainless Steel Pressure Vessels[S]. [12] ISO 21009-1:2008. Cryogenic vessels-Static vacuum-insulated vessels-Part 1: Design, fabrication, inspection
and tests[S].
[13] GB/T 20878-2007, 不锈钢耐热钢牌号及化学成分[S]. [14] GB/T 4237-2007, 不锈钢热轧钢板和钢带[S]. [15] GB 24511-2009, 承压设备用不锈钢钢板及钢带[S].
[16] 蔡其刚. 铝合金在汽车车体上的应用现状及发展趋势探讨[J]. 广西轻工业, 2009,25(1):28-29. [17] http://www.bitauto.com/zhuanti/news/jianpai/.
[18] 李雅娴. 应变强化奥氏体不锈钢低温容器材料和成形工艺研究[D]. 杭州：浙江大学硕士学位论文，
2009.
[19] 周高斌. 应变强化奥氏体不锈钢低温容器研究[D]. 杭州：浙江大学硕士学位论文, 2007. [20] Jan Jonson, Avesta Jernverks AB. Coldstretched Austenitic Stainless Steel Pressure Vessels. Second
International Conference on Pressure Vessel Technology, Part II Materials, Fabrication and Inspection. 1973, 1157—1165.
[21] 马利, 郑津洋, 寿比南等. 奥氏体不锈钢制压力容器强度裕度研究[J].压力容器,2008,25(1):1-5,23. [22] Li MA, Jin-yang ZHENG, Cun-jian MIAO, etc. Nonlinear Analysis of Pressure Strengthening For Austenitic
Stainless Steel Pressure Vessels[C]. Chicago: 2008 ASME Pressure Vessels and Piping Conference. [23] TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》[S].