奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术分析

奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术分析

王羽萱

江苏省特种设备安全监督检验研究院泰州分院

江苏泰州   225500

摘要：随着我国能源工业的发展以及能源工程在规模和数量上的扩大，对石油生产与开采过程中所使用的压力容器提出了更高的要求。奥氏体不锈钢压力容器作为装载和运输石油的重要容器，也在设计更新与产品迭代过程中逐渐朝轻型化方向发展，应变强化技术可以利用容器材料的塑性性来提高材料的屈服强度，从而制造出更加轻便的压力容器。基于此，本文针对奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术进行深入探讨与分析，旨在更好地促进我国压力容器制造业持续、稳定地发展。

关键词：奥氏体；不锈钢压力容器；应变强化

从21世纪开始，我国的不锈钢生产一直处在不断增长的过程中。随着我国整体不锈钢的生产规模的增加，奥氏体不锈钢的比重逐步扩大，已达到总量的2/3。需求的增加使得奥氏体不锈钢压力容器的价格不断上涨，无形中也增加了石油生产企业的造价成本，而应变强化技术的出现通过提升其屈服强度来达到节约材料的目的，从而使得奥氏体不锈钢压力容器的价格恢复到一个正常水平。因此，本文就针对奥氏体不锈钢压力容器中的应变强化技术进行分析。

一、奥氏体不锈钢压力容器概述

在常规的奥氏体钢结构中，采用了基于其弹性特性的方法来确定其最大断面的最大应力值，并考虑了其屈服强度的差异；造成了加压箱的厚度变得更大。根据有关试验结果，发现奥氏体不锈钢自身并无显著的屈服，但将其视为为0.2%，从而使其在拉、压之间产生一个更大的硬化区，从而使其具有强的变形强化特性。因此，将这种特性应用于奥氏体不锈钢压力容器的设计与生产，是一种新型的应力增强技术，即奥氏体不锈钢的应力增强。

（一）奥氏体不锈钢压力容器结构

在开发压力容器时，采用上下两个半球状的球形结构，在两个半球的末端各有一根管子。该设计的优势是：在进行应力强化时，压力容器内各个部位的应力基本一致，能够确保整体地胀大，不会对自身产生严重的损害。然而，由于变形强化技术自身的特性，使得其易于产生弯曲变形。所以，在奥氏体不锈钢的应力强化技术中，基本上采用了采用密封头部与圆筒进行连接的方法。在进行应力强化时，奥氏体不锈钢密封罐的头部和圆筒部位可经受不同程度的应力和应力。因而，奥氏体不锈钢压力容器的变形最大可能出现在管内中部。

（二）奥氏体不锈钢压力容器分类

（1）常温应变强化模式。采用常温水对奥氏体不锈钢容器进行了常温水压强化，其技术过程如下：奥氏体不锈钢压力容器采用马鞍式支架，向压力容器内注水，奥氏体不锈钢压力容器一端连接增压泵，在保压过程中，必须确保强化压力在正常范围内，当奥氏体不锈钢容器发生塑性变形后，再取出。1975年，瑞典应力加强的压力容器规范将常温强化技术纳入了奥氏体不锈钢压力容器，并在1999年被纳入澳大利亚标准。

（2）低温应变强化模式。奥氏体不锈钢压力容器低温应变增强模型源于航空工业对低温容器的要求。这种低温应力增强模型在20世纪中后期出现。应变容器的结构设计、自身成分等因素对其机械性能有影响。然而，这种模式的缺点在于，在进行应力强化时，必须将奥氏体不锈钢压力容器浸泡在液态氮中，而在液态氮的作用下，这种方法的造价非常昂贵。所以，在一定的条件下，奥氏体不锈钢的应力强化模式在某种意义上受到了制约。

（三）奥氏体不锈钢压力容器测控方法

(1）奥氏体不锈钢压力容器在常温应变强化测控时，通常采用应力控制的方法，其应变压力的实际数值由强化压力所计算得到，并采用多任务自动控制系统对其进行管理，此方法不仅提高了计算效率，还能有效避免人工操作带来的误差性。

(2）奥氏体不锈钢压力容器在低温应变强化测控时，通常采用控制容器内径的方法。但由于此种方法需要将弹性恢复这一因素考虑其中，因此在对奥氏体不锈钢压力容器进行施压过程中，连接模具与变形最为明显的位置，记录此时的施压数值即为奥氏体不锈钢容器的最大直径。近年来，二维尺寸监控技术的应用标志着奥氏体不锈钢压力容器进入一个全新的发展时代，二维尺寸监控技术不仅能够根据容器内径的大小匹配与之相对应的模具，还能有效降低容器生产过程中的复杂化程度，全面提升生产制造效率。

二、应变强化技术在奥氏体不锈钢压力容器中的应用

（一）应变强化技术的基本原理

奥氏体不锈钢压力容器应力强化是利用自身优良的塑性，并在此基础上进行了一系列的塑性加工，从而达到了提高其屈服性能的目的。该技术的特殊工作原理是将一种负载作用于奥氏体不锈钢材料，在奥氏体不锈钢材料的拉伸强度大于0.2%后持续加压，直至其强度达到预期的强度。采用应力强化技术对奥氏体不锈钢压力容器进行了加固，其安全性可满足基本要求。通过对奥氏体不锈钢压力容器的强化试验，发现在适当的强化条件下，能够保持在2.5~4之间的余量。在应力强化的基础上，对奥氏体不锈钢的应力加强与其弹塑性的研究结果进行了比较，认为其为一种特殊的结构形式。

（二）应变强化技术的特点

在对奥氏体不锈钢的强化技术中，采用应力强化技术将其分为五个步骤：（1）将高压力容器装满液体，放置15分钟，将气泡体积减小，排气，然后进行密闭。（2）考虑到集装箱断面可能出现的变形，对形状变量最大部位的全长进行了测定，采用了应力强化技术进行了周长的计算。（3）持续增加所述压力容器的所述承压，直到所述加压，所述加压数值被维持在所述恒定范围内，所述容器的所述循环变形速度低于0.1%/h。重复进行二次测试，直到变形速度维持在0.1%/小时以内为止。（4）在压力容器应变强化实验过程中，应根据实际情况，在试验阶段进行水压试验和焊接强化。

采用应力强化技术后，奥氏体不锈钢压力容器的优势有三个：（1）许应作用力的均一分配。奥氏体不锈钢在焊接、成形等生产技术中往往存在少量的残余压应力。所以。奥氏体不锈钢在成型后通常要进行热处理。通过增加许应作用力，使其能有效地降低容器的质量，强化其市场竞争力和经济效益。（2）机械性质得到改进。奥氏体不锈钢在应变强化时会产生一定的塑性。由于其应力分布比较均匀，因而能够提高整个奥氏体不锈钢的综合力学特性。（3）疲劳特性得到改善。应力强化技术自身的特征在于强化奥氏体非晶合金的屈服强度，从而强化了其对疲劳失效的抵抗力，即通过变形强化技术来改善其疲劳特性。

（三）应变强化技术的具体应用

通过对奥氏体不锈钢进行应力强化，其硬度可以与高强度铝合金乃至钛合金相媲美。经过强化后，其材质不仅可以大大降低其质量，还可以有效地抵御强氧化介质。由此，将奥氏体不锈钢进行了应变强化，并在卫星发射等设备上得到了应用。随着奥氏体合金的发展，逐步形成了 TRIP钢。TRIP钢是汽车生产中最好的减重材质。该材料在汽车纵梁、保险杆等零件的生产中得到了广泛的运用。

结语：综上所述，奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术已较为成熟，也逐渐成为我国压力容器轻型化发展的一项重要技术。采用应变强化技术，保证了产品的可靠性，并对容器的结构进行了优化，使其壁厚大为减小。随着产品的迭代与更新，未来在压力容器设计时应进一步加强应力强化、焊接处理和材料特性，以充分利用应变强化技术。

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