基于应变强化技术的低温储罐轻量化设计

冯小松，钱才富，陈志伟，陈学东，杨铁成

(1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029;2.合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031)

0 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、液化天然气等低温气体的应用日益广泛，奥氏体不锈钢深冷容器的需求量不断增加［1］，其安全性和经济性一直备受关注。为了节约材料、减轻重量，降低制造、运输和安装过程的能耗，实现安全与经济并重、安全与资源节约并重的低碳制造理念，轻型化设计已经成为奥氏体不锈钢深冷容器的主导发展方向［2－3］。

实现轻型化设计的主要途径之一就是采用奥氏体不锈钢应变强化技术，即利用其优良的延伸性能，通过应变强化处理方法显著提高其屈服强度。文中针对相同设计参数的某低温储罐，采用常规设计、分析设计和极限分析三种不同的方法进行强度设计，并进行对比分析。

1 低温液化气体储罐的常规设计

该低温液化气体储罐总高12.164 m，外夹套外径2.2 m，厚度7.9 mm，材料 Q235 －B;内筒体外径1.785 m，材料1.4301(欧盟钢材牌号);内筒体和夹套由中间8个拉筋、上下共8个拉板连接。对其内筒体分别采用中国 GB 150［4］与德国AD 2000［5］进行常规设计，前者未考虑应变强化效应的影响，后者则考虑应变强化效应。设计参数如表1所示，计算结果如表2所示。

表1 某低温液化气体储罐设计参数

根据GB/T 25198—2010《压力容器封头》的相关规定，考虑加工减薄量并向上圆整后得筒体和封头的名义厚度［4－6］。两种设计方法的最终结果对比如表3所示。表3中的结果表明，考虑应变强化可以显著减小壁厚，从而降低制造成本。

表2 常规设计计算结果

表3 常规设计最终结果

2 304不锈钢的应变强化试验

为进行极限载分析，文中通过应变强化试验与金属拉伸试验确定304不锈钢在应变强化前后的力学性能，试验试样见图1［7］。

先进行304不锈钢的应变强化试验。在工程实际中，304不锈钢制低温液化气储罐室温应变强化后所测量的周长最大允许塑性应变不超过6%，因此，这里对试样也进行6%的应变强化，即将试样加载到6%的应变后卸载，应力—应变关系曲线见图2。

图1 拉伸试样尺寸

然后对发生应变强化后的试样进行拉伸试验，确定强化后的屈服强度，拉伸试验得到的应力—应变关系曲线见图2。

材料强化前的化学成分见表4，强化前后的屈服强度试验结果见表5。可见，强化后材料的屈服强度显著提高。

图2 应变强化前后304不锈钢的应力应变曲线

表4 304不锈钢的化学成分%

表5 应变强化前后304不锈钢的屈服强度

3 低温储罐的有限元数值模拟

3.1 有限元模型的建立

采用ANSYS进行有限元分析。由于结构均具有薄壳几何特征，故采用Shell 181单元进行建模、网格划分和应力分析。分析设计时给定应变强化前的材料属性，极限分析时采用强化后的应变曲线定义多线性等向强化材料模型。

低温储罐的内外筒连接几何模型与有限元网格模型如图3，4所示。

3.2 载荷与边界条件

考虑到该低温储罐的实际工况，将支腿底板施加全约束，内筒施加1.7 MPa内压，外筒施加－0.1 MPa的外压。

极限分析时，设置1000个载荷子步缓慢加载，打开大变形算法以及节点位移自由度预测，以提高求解效率［8］。

图3 内外筒连接几何模型

图4 有限元网格模型

4 结果分析与讨论

应变强化使304不锈钢的设计应力强度提高，根据JB 4732—1995(2005年确认)中相关规定确定设计应力强度值，即取 min(Rm/2.6，Rp0.2/1.5/1.5)，最后得到强化前设计应力强度为137 MPa，强化后为259 MPa。

由于低温储罐的内筒体为薄壁容器，分析设计时强度控制指标往往是总体薄膜应力SⅠ，因此这里只考核SⅠ，即要求SⅠ≤137 MPa或SⅠ≤259 MPa，由此反算出刚好满足校核要求的内筒柱壳和封头厚度，结果见表6。可以看出，应变强化使内筒柱壳减薄了45.5%，封头减薄了33.3%。

表6 按分析设计法得到的强化前后厚度计算结果

图5，6示出了应变强化前后，由极限分析得到的塑性流动区最大位移点的载荷—位移曲线，利用偏于保守的双切线法确定该低温储罐的极限载荷［10］，并取安全系数1.5来确定极限承载能力。结果显示，未强化的极限载荷为1.47 MPa，极限承载能力0.98 MPa;强化后的极限载荷3.51 MPa，极限承载能力2.34 MPa。应变强化后极限承载能力提高了139%。

5 结语

图5 应变强化前极限载荷分析

图6 应变强化后极限载荷分析

在实测得到304不锈钢应变强化曲线的基础上，建立有限元分析模型，采用常规设计、分析设计和极限分析三种不同的方法对相同设计参数的304不锈钢制低温储罐内筒进行强度设计，考核应变强化效果。发现考虑应变强化后，按常规设计内筒柱壳厚度可降低50%，按分析设计可降低45%，而按极限分析，承载能力可提高139%。

［1］郑津洋，郭阿宾，缪存坚，等.奥氏体不锈钢深冷容器室温应变强化技术［J］.压力容器，2010，27(8):28－32.

［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］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，2010，27(9):16 －20.

［4］GB 150—2010，固定式压力容器［S］.

［5］AD 2000，德国压力容器标准［S］.

［6］GB/T 25198—2010，压力容器封头［S］.

［7］GB/T 228—2002，金属材料室温拉伸试验方法［S］.

［8］王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［9］JB/T 4732—1995(2005年确认)，钢制压力容器——分析设计标准［S］.

［10］余伟炜，高炳军.ANSYS在机械与化工装备中的应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2007.