奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术探析

奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术探析

李赵 付红栓

上海市特种设备监督检验技术研究院 上海 200062

摘 要：在能源工业的不断发展，奥氏体不锈钢压力容器在石油、化工行业的储存、生产、运输中发挥着重要作用。由于奥氏体不锈钢强度差，导致传统的压力容器普遍存在容器壁厚、质量高、重容比大等问题，随着科技的发展，利用应变强化技术可以提升奥氏体不锈钢的强度，为奥氏体不锈钢压力容器的轻型化发展提供重要助力。

关键词：奥氏体不锈钢；压力容器；应变强化技术；探析；

自进入21世纪以来，我国各个行业都进入了高速发展阶段，其中能源工业的发展态势蓬勃向上。随着能源市场的需求量变大，对压力容器的使用和需求随之增多，同时以节约资源为出发点，将压力容器向轻型化发展成为压力容器设计的新方向。近些年来，奥氏体不锈钢被广泛的应用各个领域，由于其韧性大、可塑性高、耐蚀性强等优点，是石油石化工业压力容器首选的材料，与此同时奥氏体不锈钢本身屈服强度低，使生产出来的压力容器存在着壁厚、质量重、重容比大等缺点。由于应变强化技术可以有效的提高奥氏体不锈钢的屈服强度，改善壁厚、质重、重容比大等问题，对实现奥氏体不锈钢压力容器轻型化设计有着重要意义。

一、奥氏体不锈钢应变强化技术原理

在传统的奥氏体不锈钢压力容器设计中，主要是以奥氏体不锈钢的弹性为设计准则，即将最大的截面应力控制在材料的屈服极限范围内，受到奥氏体不锈钢的屈服强度差影响，导致压力容器的壁厚较厚。通过相关实验数据显示，奥氏体不锈钢本身没有明显的屈服强度，而是把0.2%的拉伸强度认定为屈服强度，这样一来，拉伸强度和屈服强度间形成了较长的硬化段，这也是奥氏体不锈钢具有强应变硬化特征的重要原因。为此，在奥氏体不锈钢压力容器设计制造的过程中利用这一特征成为一项新的技术——奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术。其原理是：利用外力作用使奥氏体不锈钢材料的变形量超过0.2%变形量后，继续加载到σ_k卸载外力，此时一部分材料发生永久性变形，当再次加载外力时，σ_k成为了新的屈服强度，有图1可知，新的屈服强度明显高于之前0.2%的屈服强度，进而实现了屈服强度提高^[1]。

图1.奥氏体不锈钢应力-应变曲线图

二、应变强化后奥氏体不锈钢使用性能

（一）屈服强度

通过反复的应变强化试验后，其试验结果显示，利用应变强化技术强化后的奥氏体不锈钢无论是在常温下还说高温中，都具有较高的屈服强度。同时相关试验数据说明，温度从20℃升到400℃的过程中，无论是强化前后的奥氏体不锈钢，都会导致屈服强度和抗拉强度有较小幅度的下降，同时，不同变形量的强化处理对其下降的幅度影响也不大。再有无论是否进行应变强化，经过高温持久是时效处理后，奥氏体不锈钢力学性能的变化微乎甚微，可忽略不计。

（二）蠕变

通过蠕变性能试验证明，应变强化优越性的最佳控温范围在550-650℃，，在这段温度范围内，奥氏体不锈钢经过强化后其蠕变性能极限有效提高2.7倍，持久的时间极限提升1.7倍^[2]。

（三）疲劳

通过相关的疲劳试验结果显示，奥氏体不锈钢的疲劳极限与其屈服强度有关，随其屈服强度的升高而升高。通过不同形变量强化的奥氏体不锈钢的疲劳试验可知，通过应变强化处理可以有效的提升奥氏体不锈钢的疲劳性能。

（四）均匀腐蚀

利用强化后的奥氏体不锈钢进行相关的均匀腐蚀试验，试验结果显示，在腐蚀环境中，奥氏体不锈钢的耐蚀性并不会因应变强化发生不良影响。实际上，在不活泼的状态下，对强化前后的奥氏体不锈钢的抗腐蚀性，并没有发生改变。但是在活泼的状态下，强化后的奥氏体不锈钢的腐蚀敏感程度明显升高，因此，强化后的奥氏体不锈钢压力容器不适合在活化环境中使用。在中性环境中，形变量在10%之内的应变强化后，奥氏体不锈钢的点蚀敏感度并未发生明显变化。

（五）应力腐蚀

在相关的奥氏体不锈钢应变强化后应力腐蚀试验中，相关的结果表明当形变量在0.2%-10%之间时，奥氏体不锈钢的应变强化处理对其耐应力腐蚀性能并没有较大影响，甚至在一定范围内，奥氏体不锈钢的耐应力腐蚀性能会因应变强化而有所提升。

三、奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术流程

上个世纪五十年代，瑞士已经开始了针对应变强化技术在奥氏体不锈钢压力容器设计中发挥的作用进行研究，随着第一台改进型奥氏体不锈钢压力容器1959年诞生后，便开启了奥氏体不锈钢压力容器向轻型化设计的新方向，于此同时，应变强化技术的不断提升，与之相关的标准也逐渐建立。

通常在奥氏体不锈钢压力容器制造完成后，利用应变强化技术对其进行强化，其主要流程是：

1.将制造完成的奥氏体不锈钢压力容器内注满液体。在封闭压力容器之前，首先要确保压力容器内的所有空气排出，包括溶解在液体中的空气，因此，通常在密封前等待15-20分钟，其次要确保密封前容器内已加满液体。

2.测量奥氏体不锈钢压力容器变形最大横截面的环向周长，是强化操作过程中计算应变速率重要数据。

3.将奥氏体不锈钢压力容器内的压力升高到应变强化压力，并保压，直到应变速率降低到0.1%/h以内，与此同时要注意的是保压时间要高于1小时。

4.通过反复操作3，进行应变速率的校验，当保压过程最后半小时内，应变速率一直低于0.1%/h便可。同时，对于直径低于20m的压力容器，可以将相对应的保压时间缩减一半，例如，保压时间从1小时缩减到30分钟，应变速率一直保持在0.1%/h从最后 30分钟缩减到最后15分钟^[3]。

5.在奥氏体压力容器投入使用前要进行水压测试，可以用强化处理代理初始水压测试，如果压力容器因泄露等问题需要进行焊补时，补焊后应重新做应变强化处理。

结束语：随着应变强化技术对奥氏体不锈钢性能的提高和改善，应变强化后的奥氏体不锈钢压力容器在石油化工行业的广泛应用，同时，应变强化技术也开启了压力容器轻型化设计的发展，在石油化工行业中有着重要的意义。

参考文献：

[1] 王亚辉, 王学生, 王定标, 等. 常温奥氏体不锈钢容器的超压强化处理研究[J]. 郑州工业大学学报, 2019,(03): 92-94.

[2] 邓阳春, 陈钢, 杨笑峰,等. 奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术[J]. 化工机械, 2020, (11):05-06.

[3] 韩豫, 陈学东, 刘全坤,等. 基于应变强化技术的奥氏体不锈钢压力容器轻型化设计探讨[J]. 压力容器, 2020，(09):16-16.