压力容器应变强化产品对材料的要求探讨

摘要：从板材、焊材及其他材料三个方面分析了现有标准对应变强化压力容器材料奥氏体不锈钢的要求，并对国内应变强化压力容器现状进行了简要总结。

关键词：压力容器;应变强化;奥氏体不锈钢;材料选择

0    引言

应变强化技术是在保证压力容器安全运行的前提下，利用内压将奥氏体不锈钢材料的屈服强度提高，增加了材料的许用应力。而在设计和使用中，同等承载内压，采用应变强化技术的压力容器壁厚减薄，减少了材料使用，降低了制造成本，容器的自重也大幅降低，在低温行业尤其是低温运输行业这就大大降低了运输成本，因此该技术在低温储罐、槽车上的应用最为广泛。目前关于应变强化的国际标准有欧洲标准EN 13458[1]和EN 13530[2]以及美国标准ASME Ⅷ-1[3]附录44，另外，基于EN 13445[4]的设计制造方法，增加了EN 13445-2和EN 13530-2附录C相关要求。

1    应变强化压力容器材料奥氏体不锈钢

1.1    板材要求

奥氏体不锈钢是指在常温下组织结构是奥氏体型的不锈钢，区别于马氏体、铁素体和双相不锈钢。本文所提的奥氏体不锈钢主要是含铬18%、镍9%～11%的铬镍不锈钢。奥氏体不锈钢是面心立方晶格结构，低温时具有良好的塑性和韧性，无脆性转变温度，所以在低温液体液氧、液氮、液氩和液化天然气的储存和运输中有广泛应用。

本文涉及的奥氏体不锈钢厚度不超过30 mm，断后伸长率不低于35%，且产品设计温度不超过50 ℃、不低于-196 ℃。ASME Ⅷ-1附录44中也规定了最高设计温度50 ℃以及最低设计金属温度（MDMT）不低于-196 ℃。

奥氏体不锈钢在变形中表现出相当明显的加工硬化特性，同时保持了材料的特性，随着变形量的增加，进一步变形所需要的应力不断增加。因此，奥氏体不锈钢的应力-应变曲线没有碳钢和低合金钢的典型流动区域，也就是没有明显的屈服点。一般以规定非比例延伸強度0.2%（Rp0.2）和1.0%（Rp1.0）来确定许用应力。碳钢和低合金钢在强度超过屈服点时，塑性变形而力不增加，变形无法逆转，安全性能下降，故不能用于应变强化，碳钢、低合金钢应力-应变曲线如图1所示。只有奥氏体不锈钢，在强化后规定非比例延伸强度0.2%（Rp0.2）和1.0%（Rp1.0）大大提高，而且卸载后材料回弹，不影响材料安全性能。奥氏体不锈钢应力-应变曲线如图2所示。

表1是EN 13458和EN 13530规定的可以用于应变强化压力容器的六种材料。

奥氏体不锈钢的许用应力计算：

按EN 13445-3中6.5规定，许用应力为以下两者的较大者：

（1）正常工作荷载工况设计应力不应超过材料技术规范中给出的计算温度下的1.0%非比例延伸强度除以安全系数1.5。

（2）Rm/T（设计温度下抗拉强度）适用时，以下两者的较小值：

1）计算温度下的最小抗拉强度（技术规范EN 10028-7中规定）除以3.0;

2）计算温度下1.0%非比例延伸强度除以安全系数1.2。

表2是美标ASME Ⅷ-1强制性附录44中规定的可以用于应变强化压力容器的8种材料。

按ASME Ⅷ-1设计的容器，许用应力应参照ASME第二卷表1A中的值，建立表1A的许用应力准则应参照表1-100。

许用应力为以下两者的较大者：

（1）抗拉强度除以3.5;

（2）屈服强度（Rp0.2非比例延伸强度）除以1.5。

欧标强化容器计算时设计应力σk是以（Rp1.0+160）N/mm2代替公式中的Rp1.0，计算结果壁厚减薄34%～40%，制造成本大大降低，如用于罐车等移动式压力容器，自重降低也很可观，运输成本也相应降低。美标由于是以Rp0.2作为屈服强度，许用应力相比欧标低，计算厚度偏厚，但如采用应变强化技术，厚度也可以降低18%～31%。

应变强化压力容器的关键在于容器进行应变强化，强化后容器有约6%的永久变形，对原材料的性能会产生很大的影响。由于固溶供货状态的奥氏体不锈钢（美标除316N外）断后伸长率不低于35%，所以在经过10%的预拉伸之后，冲击韧性依然满足要求。

例如：宝钢某材料质保书值同时满足三个标准，壁厚10 mm，用于应变强化产品。下面从化学成分和机械性能两方面通过材料复验对该材料性能作出比较，如表3、表4所示。

根据以上比较，在化学成分和机械性能方面，各标准有小区别，欧标抗拉强度设定上限，不规定硬度要求，也是经过实践检验以及欧盟各国认可的，从原理上讲，硬度和抗拉强度有一定的对应关系，再加上固溶处理做好，晶粒度控制好，抗拉强度上限和硬度都是可以达到要求的。

在比较性能同时满足EN、ASME两个标准之后，进行应变强化材料验证，材料经10%的预拉伸之后，残余应变在6.2%，此时，我们对拉伸过的材料再次进行了拉伸及冲击试验，此时的Rp0.2在470 MPa，σk（Rp1.0）在480 MPa，冲击功（试样尺寸7.5 mm×10 mm×55 mm）在140 J、152 J、150 J，平均147 J，超过预期目标。

根据以上对比可以发现，用于应变强化压力容器的奥氏体不锈钢板材在国内可以生产，如山西太钢，经TUV莱茵AD 2000W0认证，熟悉欧洲、美国相关标准，已在产品上做出一些突破，可生产同时满足ASME SA240 304、EN 10028-7 1.4301以及GB/T 25411 S30408三标的材料，其性能同时满足欧美及中国标准要求。

1.2    焊材要求

焊材强度根据工艺评定要求不能低于母材强度，但由于需要进行冷拉伸试验，强度也不宜过高，宜采用等强匹配。例如埋弧焊304，焊丝可采用ER308L AWS A5.9/H03Cr21Ni10 GB/T 4237，焊剂采用HJ260 GB/T 5293，焊丝和焊剂的组合需要做工艺评定来保证焊接接头质量满足设计要求。

欧标EN 13445中规定压力部件和压力部件附件所用焊接耗材的交货技术条件应符合EN 13479：2004和EN 12074：2000要求（注：接受同等的国家/国际规范，这些规范必须满足质量保证体系要求和消耗品制造、供应、分配、试验方法和评估要求的相同标准）。

ASME第Ⅷ卷第一分册规定用于生产的焊接材料应符合Ⅷ-1、第Ⅸ卷和适用的合格焊接工艺规范的要求。当焊接材料符合第Ⅱ卷C部分中的规范之一时，可接受适用第Ⅱ卷规范要求的材料、容器或包装的标记或标签，以代替试验报告或合格证书。当焊接材料不符合第Ⅱ卷规范之一时，标记或标签应与焊接工艺规范中规定的焊接材料一致，并可代替试验报告或合格证书接受。

1.3    应变强化压力容器其他材料要求

由于应变强化主要发生在筒体和封头，所以，只针对板材做出规定，容器其余部件，如锻件、管道等，因为设计裕量较大，应力没有达到强化水平，故不做考虑。

2    国内应变强化压力容器现状

目前，国内应变强化压力容器的产量越来越多，如张家港圣达因、南通中集、荆门宏图、常州查特等企业均有生产，但没有相应的国家标准支持，都依据各自的企业标准来生产。出口产品以ASME Ⅷ-1鋼印产品居多，部分企业也生产一些ASME+PED的产品，完全满足欧标的产品数量很少。

焊接厂家认证方面，有很多企业已经过TUV AD2000HP0认证，熟悉欧洲焊接标准以及产品标准;更多的企业经过ASME认证，取得ASME钢印产品生产资格;当然，最多的还是国内压力容器生产资质，A、C、D类制造资格。可惜的是，目前国内应变强化容器的生产还是按照各自的企业标准执行。国内管控较严，每一台强化容器都要通过专用系统上传特检院备案，全程监控记录，一旦进入流程，后续就无法更改原始数据。

至于焊材，大型焊材企业的产品都是同时满足多个标准，经过船级社、TUV、钢结构等多重认证，再加上工艺评定和产品试板的验证，能保证焊接质量，焊材的选用也不是问题。

在编制企业标准过程中，企业首先是参考欧洲、美国的相应标准，在材料、设计、制造、检验中提出相关要求，这就出现了企业标准高于欧美相关标准的情况，并且可能会附加额外不合理的要求，如工艺评定试板断后伸长率要求等。由于有焊缝材料的介入，材料性能不均匀，再加上每批板材的性能也有差异，断后伸长率难以达到母材要求，这就造成了企业自己定的标准自己执行困难。再加上不同材料的工艺评定覆盖问题，增加了工艺评定数量，造成了不必要的资源浪费。

希望在不久的将来，国内标准如《钢制压力容器》（GB/T 150—1998）、《液化气体汽车罐车》（GB/T 19905—2017）、《液化气体铁路罐车》（GB/T 10478—2017）、《冷冻液化气体汽车罐车》（NB/T 47058—2017）、《冷冻液化气体罐式集装箱》（NB/T 47059—2017）等中能够增加某个附录，将应变强化内容增补进去，以满足中小企业的实际需求，使其不用再花人力、物力去制定相关企业标准、进行申请评审。

3    结语

应变强化技术对材料的要求目前国内没有国家标准或行业标准可以参考，只有依据各企业标准来满足生产需求。通过对欧标和美标对材料以及应变强化后材料要求的分析，可以认定国内的奥氏体不锈钢板材材料厂完全具备生产符合标准需求的部分国标材料的能力，并能做到与国际标准接轨，在国际化大背景下，生产满足各国要求的应变强化压力容器。

[参考文献]

[1] 低温容器——大型真空绝热固定式容器：EN 13458-2：2012 附录C[S].

[2] 低温容器——大型真空绝热移动式容器：EN 13530-2：2002 附录C[S].

[3] ASME美国机械工程师协会锅炉压力容器规范第八卷第一分册2019版[Z].

[4] 非受火压力容器——设计：EN 13445-3：2014[S].

收稿日期：2020-04-22

作者简介：顾建新（1976—），男，上海人，高级工程师，研究方向：化工机械。