基于應變強化技術的低溫儲罐輕量化設計

馮小松，錢才富，陳志偉，陳學東，楊鐵成

(1.北京化工大學機電工程學院，北京 100029;2.合肥通用機械研究院，安徽合肥 230031)

0 引言

近年來，隨著我國國民經濟的迅速發展和低溫技術應用的日益普及，液氮、液氧、液氫、液氬、液氦、液化天然氣等低溫氣體的應用日益廣泛，奧氏體不銹鋼深冷容器的需求量不斷增加［1］，其安全性和經濟性一直備受關注。為了節約材料、減輕重量，降低制造、運輸和安裝過程的能耗，實現安全與經濟并重、安全與資源節約并重的低碳制造理念，輕型化設計已經成為奧氏體不銹鋼深冷容器的主導發展方向［2－3］。

實現輕型化設計的主要途徑之一就是采用奧氏體不銹鋼應變強化技術，即利用其優良的延伸性能，通過應變強化處理方法顯著提高其屈服強度。文中針對相同設計參數的某低溫儲罐，采用常規設計、分析設計和極限分析三種不同的方法進行強度設計，并進行對比分析。

1 低溫液化氣體儲罐的常規設計

該低溫液化氣體儲罐總高12.164 m，外夾套外徑2.2 m，厚度7.9 mm，材料 Q235 －B;內筒體外徑1.785 m，材料1.4301(歐盟鋼材牌號);內筒體和夾套由中間8個拉筋、上下共8個拉板連接。對其內筒體分別采用中國 GB 150［4］與德國AD 2000［5］進行常規設計，前者未考慮應變強化效應的影響，后者則考慮應變強化效應。設計參數如表1所示，計算結果如表2所示。

表1 某低溫液化氣體儲罐設計參數

根據GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》的相關規定，考慮加工減薄量并向上圓整后得筒體和封頭的名義厚度［4－6］。兩種設計方法的最終結果對比如表3所示。表3中的結果表明，考慮應變強化可以顯著減小壁厚，從而降低制造成本。

表2 常規設計計算結果

表3 常規設計最終結果

2 304不銹鋼的應變強化試驗

為進行極限載分析，文中通過應變強化試驗與金屬拉伸試驗確定304不銹鋼在應變強化前后的力學性能，試驗試樣見圖1［7］。

先進行304不銹鋼的應變強化試驗。在工程實際中，304不銹鋼制低溫液化氣儲罐室溫應變強化后所測量的周長最大允許塑性應變不超過6%，因此，這里對試樣也進行6%的應變強化，即將試樣加載到6%的應變后卸載，應力—應變關系曲線見圖2。

圖1 拉伸試樣尺寸

然后對發生應變強化后的試樣進行拉伸試驗，確定強化后的屈服強度，拉伸試驗得到的應力—應變關系曲線見圖2。

材料強化前的化學成分見表4，強化前后的屈服強度試驗結果見表5。可見，強化后材料的屈服強度顯著提高。

圖2 應變強化前后304不銹鋼的應力應變曲線

表4 304不銹鋼的化學成分%

表5 應變強化前后304不銹鋼的屈服強度

3 低溫儲罐的有限元數值模擬

3.1 有限元模型的建立

采用ANSYS進行有限元分析。由于結構均具有薄殼幾何特征，故采用Shell 181單元進行建模、網格劃分和應力分析。分析設計時給定應變強化前的材料屬性，極限分析時采用強化后的應變曲線定義多線性等向強化材料模型。

低溫儲罐的內外筒連接幾何模型與有限元網格模型如圖3，4所示。

3.2 載荷與邊界條件

考慮到該低溫儲罐的實際工況，將支腿底板施加全約束，內筒施加1.7 MPa內壓，外筒施加－0.1 MPa的外壓。

極限分析時，設置1000個載荷子步緩慢加載，打開大變形算法以及節點位移自由度預測，以提高求解效率［8］。

圖3 內外筒連接幾何模型

圖4 有限元網格模型

4 結果分析與討論

應變強化使304不銹鋼的設計應力強度提高，根據JB 4732—1995(2005年確認)中相關規定確定設計應力強度值，即取 min(Rm/2.6，Rp0.2/1.5/1.5)，最后得到強化前設計應力強度為137 MPa，強化后為259 MPa。

由于低溫儲罐的內筒體為薄壁容器，分析設計時強度控制指標往往是總體薄膜應力SⅠ，因此這里只考核SⅠ，即要求SⅠ≤137 MPa或SⅠ≤259 MPa，由此反算出剛好滿足校核要求的內筒柱殼和封頭厚度，結果見表6。可以看出，應變強化使內筒柱殼減薄了45.5%，封頭減薄了33.3%。

表6 按分析設計法得到的強化前后厚度計算結果

圖5，6示出了應變強化前后，由極限分析得到的塑性流動區最大位移點的載荷—位移曲線，利用偏于保守的雙切線法確定該低溫儲罐的極限載荷［10］，并取安全系數1.5來確定極限承載能力。結果顯示，未強化的極限載荷為1.47 MPa，極限承載能力0.98 MPa;強化后的極限載荷3.51 MPa，極限承載能力2.34 MPa。應變強化后極限承載能力提高了139%。

5 結語

圖5 應變強化前極限載荷分析

圖6 應變強化后極限載荷分析

在實測得到304不銹鋼應變強化曲線的基礎上，建立有限元分析模型，采用常規設計、分析設計和極限分析三種不同的方法對相同設計參數的304不銹鋼制低溫儲罐內筒進行強度設計，考核應變強化效果。發現考慮應變強化后，按常規設計內筒柱殼厚度可降低50%，按分析設計可降低45%，而按極限分析，承載能力可提高139%。

［1］鄭津洋，郭阿賓，繆存堅，等.奧氏體不銹鋼深冷容器室溫應變強化技術［J］.壓力容器，2010，27(8):28－32.

［2］鄭津洋，繆存堅，壽比南.輕型化——壓力容器的發展方向［J］.壓力容器，2009，26(9):42－48.

［3］韓豫，陳學東，劉全坤，等.基于應變強化技術的奧氏體不銹鋼壓力容器輕型化設計探討［J］.壓力容器，2010，27(9):16 －20.

［4］GB 150—2010，固定式壓力容器［S］.

［5］AD 2000，德國壓力容器標準［S］.

［6］GB/T 25198—2010，壓力容器封頭［S］.

［7］GB/T 228—2002，金屬材料室溫拉伸試驗方法［S］.

［8］王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數值方法［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［9］JB/T 4732—1995(2005年確認)，鋼制壓力容器——分析設計標準［S］.

［10］余偉煒，高炳軍.ANSYS在機械與化工裝備中的應用［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.