深冷压力容器应变强化过程数值分析

深冷压力容器应变强化过程数值分析

何思岐1，景胤龙2

1. 中国石油抚顺石化公司 烯烃厂， 辽宁 抚顺 113008 ；  2. 中国石油抚顺石化公司 石油一厂， 辽宁 抚顺 113008

摘      要：本文通过对满足T/CATSI05001-2018《移动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求》及GB/T18442.7-2017《固定式真空绝热深冷压力容器 第7部分：内容器应变强化技术规定》要求的样品容器进行应变强化工艺数值仿真，以掌握采用应变强化工艺造成筒体的塑性变形的部位及变形量的规律。

关  键  词：应变强化；应变；应力；有限元；强度

1分析

根据T/CATSI05001-2018《移动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求》，采用应变强化技术制造深冷压力容器前，制造企业应当先试制样品容器，对样品容器进行应变强化工艺验证。以保证整个工艺过程的板材得到合格的强化。强化工艺过程中包括加压、保压和卸载，以及重新加载到耐压试验压力、设计压力。

2设计参数

样品容器设计参数见表 1，简图见图1.

表1  样品容器设计参数

图1样品容器简图

3 非线性力学分析模型

在应变强化压力加载过程中，样品容器壳体材料大部分区域进入塑性阶段，相关部分产生了明显的塑性变形。因此分析时必须考虑材料的非线性特性。

3.1 实体模型

样品容器的实体模型如图2所示

图2 样品容器实体模型

3.2 材料本构模型

考虑到实际应变强化过程中，样品容器材料大部分进入塑性阶段，分析时必须考虑材料的非线性特性，因此本报告中选用适用于大变形分析的多线性等向强化模型，并采用材料的真实应力-应变曲线，如图3所示。

图3 样品容器材料真实应力-应变曲线

3.3 网格划分

有限元网格采用高阶三维实体单元Solid186，该单元是含中节点的3-D六面体单元。它能够模拟不规则形状的单元而精度没有损失，在准确的弹塑性计算过程中保持较高的精度。同时，Solid186单元具有塑性、蠕变、应力强化、大变形和大应变等能力，适合于本文所涉及的样品容器应变。

网格采用扫略和单元尺寸控制相结合的方式对几何模型进行了网格化，

3.3 有限元模型边界条件加载

按照GB/T18442.7-2017《固定式真空绝热深冷压力容器 第7部分：内容器应变强化技术规定》附录C中的要求，罐体不设约束性条件。筒体内壁施加压力，加压过程为，升压至设计压力-升压至强化压力-卸载压力-再次升压至设计压力-卸载压力。

4 应力应变计算结果

4.1 强化压力下的结果

根据有限元模型模拟计算，得到经过加压、保压直至变形稳定的强化压力下样品容器的应力应变状态。强化压力下，样品容器整体的VonMises等效应力、等效弹塑性应变和等效弹性应变分别见

表2强化压力下容器各处的最大Von Mises应力和最大等效弹塑性应变

根据表2，对强化压力下样品容器的应力应变进行分析。筒体远离结构不连续处的最大等效弹塑性应变为3.74%，且每个筒节的最大环向变形均发生在中间偏筒节与筒节的焊缝部位，实施应变强化工艺时可在此处对筒体周长进行测量。在整个强化过程中，弹塑性分析结果收敛，容器不会出现强度破坏的失效现象。

4.2 强化压力卸载后的结果

样品容器在强化压力下产生了永久的塑性变形，在整体上有效地提高了各结构材料的屈服强度。压力卸载时，各结构应力逐渐减低，当压力为零时，筒体部位应力接近于零，而局部区域存在残余应力。筒体的最大塑性应变为3.6%。

5 结论

采用有限元力学分析模型对样品容器进行应变强化过程的非线性分析，得到结果如下：

1）强化压力下，筒体最大Von Mises等效应力为316MPa，最大等效弹塑性应变为3.74%,最大等效塑性应变为3.58%，最大等效弹性应变为0.16%，筒节的最大环向变形均发生在中间偏筒节与筒节的焊缝部位，实施应变强化工艺时可在此处对筒体周长进行测量。

2）强化压力卸载后，容器筒体应力接近为零，筒体的最大塑性应变为3.58%。

3）加载到耐压试验压力时，筒体最大Von Mises等效应力为278MPa，该过程中容器没有产生新的塑性变形，耐压试验压力下筒体最大等效弹性应变为0.14%。

4）加载到设计压力时，筒体最大Von Mises等效应力为196MPa，该过程中容器没有产生新的塑性变形，设计压力下筒体最大等效弹性应变为0.10%。强化过程基本满足要求

5）有限元力学分析模型对样品容器进行应变强化过程的非线性分析结果与最终试验结果偏差较小，对强化试验有一定的预估和指导作用。

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.

［3］T/CATSI05001-2018,《移动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求》

［4］GB/T18442.7-2017, 《固定式真空绝热深冷压力容器 第7部分：内容器应变强化技术规定》[S] .