奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术

摘要：奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术，是石油、化工、核电等行业压力设备制造关键技术之一。本文从奥式体不锈钢压力容器应变强化原理、Avesta模式与Ardeform模式异同点、主要技术参数三个方面进行概述，最后概述我国相关研究进展。

关键词：应变强化技术；奥氏体不锈钢；压力容器

发展绿色经济、低碳经济是我国政府对人民、对世界的庄严承诺。科学技术是第一生产力，是发展绿色经济、低碳经济的必经之路。承压设备关系石油、核电、煤化工等行业的长远发展，压力容器强化应变技术是承压设备核心技术之一。奥式体不锈钢是一种具有奥氏体组织构造与性能的钢材，具有耐腐蚀、耐极端温度、综合机械性性能良好等特性，是制造适用于极端环境下压力容器的重要材料。在能源危机日益凸显的当下，特种设备需要不断扩大，奥式体不锈钢压力容器应变强化技术仍具有巨大的应用前景，该技术一直是压力容器设备制造领域研究热点，本文就此进行概述。

1.奥式体不锈钢压力容器应变强化原理

奥式体不锈钢因其特殊的构造，应力应变行为不同于普通钢材，无屈服平台，屈服强度和强拉强度之间应变硬化段较长，室温延伸率≥40%。传统的压力容器是基于弹性设计准则设计的，通过限定危险截面应力范围，以增强容器可承压上限，常通过增加厚度、降低应力设计达到以上目的，需消耗大量的钢材，考虑到奥式体不锈钢昂贵的价格，传统压力容器设计原则显然无法满足需要[1]。为适应需求，设计人员常通过试加载、卸载，以永久性塑性变形奥式体不锈钢材料，使材料屈曲强度满足设计需求，制造容器后，再通过常温水处理强化，提高奥式体不锈钢屈服强度，一般采用此法设计，可减少20%～50%的钢材用量。该技术许用应力公式为： ，其中分母即为塑性变形过程[2]。

2.奥式体不锈钢压力容器应变强化技术模式

该技术起源于瑞典Avesta Sheffield公司，于1959年成功推出第一个成品，被称为Avesta模式，被纳入压力容器标准，并得到广泛推行，美国为发展航空工艺，逐渐建立了Ardeform模式，但尚未被相关行业协会选作标准。

2.1 Avesta模式

Avesta模式基本原理为，将奥氏体不锈钢压力容器于常温下行应变水压强化行塑性变形，最终提高材料屈服强度、抗拉强度，一般以液态氮、氧、氢为介质，可产生8%左右塑性变形，被广泛应用于民用。该模式耗材304～316L，厚度MAX30mm，温度MAX400℃，退火材料 0.2达到210MPa左右，强化后屈服强度 k=410MPa。该标准主要涉及圆筒容器、球容器、单向拉伸试样三个类型，详细阐述了三种类型应变强化过程中的应力、应变比例关系。

2.2 Ardeform模式

该模式被广泛应用于航天空域相关产品制造，一般特殊于-196℃液氮下保温进行应力强化水压试验，获得10%左右塑性变形，再进行20h左右的427℃热处理，提高材料屈服强度、抗拉强度。AP创始公司进行详细的实验验证，证实该模式可使材料不仅热处理也具有一定的时效作用，经热处理后，应变强化应力显著上升，但不会增加爆破时应力，而常温爆破应力取决于原有材料的应变强化应力，经时效处理后爆破应力显著提高；同时室温下时效处理，还有助于提高材料的屈服强度、抗拉强度。最后得出以下结论：①低温强化可提高强度，制造压力容器，无需热处理；②时效处理可增加材料强度，未经处理材料在-196℃下缺口韧性较高；③-196℃下，施加应力可进行应变强化。

2.3两种模式异同点

2.3.1不同点：①Avesta模式，工艺过程，无需高温淬火处理，室温下强化，应变强化量<10%，实际3%～5%，水压1.5P设，强化程度有限，对材料韧性影响较小；②Ardeform模式，强化前需高温淬火处理，液氮低温（-196℃），应变强化量<13%，实际10%左右，一般还需427℃、20h时效处理，强化程度大、对材料韧性影响较大。

2.3.2相同点：①均具有较强的强化效应；②强化后材料可作为一种新材料，需计算新的屈服应力；③结构参数塑性变形，设计可按照原有尺寸进行设计，几乎可视作新材料。

3.奥式体不锈钢压力容器应变强化技术主要参数

3.1 屈服强度

奥式体不锈钢常温下可行预拉伸，产生位错聚集、密度增殖效应，宏观上提高了材料屈服强度，当然形变诱发的马氏体、形变孪晶可能严重影响屈服强度。一般来说，1%的塑性变形，可增加20MPa左右屈服强度，5MPa左右抗拉强度，减少1%的延性，增加5HV左右硬度值。

3.2 蠕变

蠕变极限（10万小时内1%蠕变应力）是材料使用寿命重要指标，以Avest832MV奥氏体不锈钢为例，在0%变形力下，550℃蠕变极限为8kg/mm2，650℃上升至2.3kg/mm2，在3%变形力下，550℃蠕变极限为13kg/mm2，650℃蠕变极限为6.2℃。

4.奥式体不锈钢压力容器应变强化技术局限性与我国研究现状

奥式体不锈钢压力容器应变强化技术已有相应标准，但标准并不全面，仅有少部分研究报告，强化工艺推行难度大，不同制造厂强化工艺存在较大差异，以低温、高温处理严重影响强化技术的推广。国内相关研究，并不系统，仅对某一工艺环节进行探讨，如姜公锋等单独探讨棘轮安定曲线在不锈钢压力容器应变强化技术中的应用，缺乏大规模、系统性的实验研究，在当前我国经济大背景下，很难孕育出符合我国需要的强化技术标准。

参考文献：

[1]汪志福，孔韦海.奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术探讨[J].化学工程与装备，2013，12：106-107.

[2]陈挺，王步美，徐涛，等.奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术的发展及国外标准比较[J].机械工程材料，2012，36（3）：1-3.

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