设计(研究)指导书9.27

奥氏体不锈钢应变强化容器的设计设计指导书1 项目的背景随着国民经济的快速发展和低温技术的广泛普及，低温容器在化工、机械、生物、医药等行业得到了广泛的应用。

不同于常温容器，低温容器用钢要求材料在具有一定强度的同时，还要具有足够的塑性和韧性。

在低温钢中，奥氏体不锈钢不仅具有很好的常温性能，而且在极低的温度下也能够保持良好的塑性和韧性，是制造低温容器最主要的材料。

进入21世纪以后，我国的不锈钢产量快速上升，已经成为亚洲不锈钢生产第一大国。

在不锈钢总产量不断增加的同时，其中奥氏体不锈钢所占的比例也在大幅度的增加，已经占到总产量的2/3以上。

近年来由于世界范围内原材料的缺乏，导致奥氏体不锈钢价格的不断上涨，直接导致低温容器成本的增加。

因此，在满足相关要求的条件下，能够达到少用奥氏体不锈钢材料具有重要的意义。

有别于碳钢材料，奥氏体不锈钢材料具有较高的抗拉强度，较低的屈服强度。

如果按照常规的方设计法对低温容器进行设计，会导致材料的许用应力值偏低，难以充分发挥奥氏体不锈钢材料的承载能力。

为了提高奥氏体不锈钢材料在设计中的许用应力值，各国标准中采取了不同的措施。

德国、英国等欧洲国家的相关标准通过将奥氏体不锈钢材料的屈服强度值从2.0σ提高到0.1σ，来提高材料的许用应力值[2]。

而美国的ASME Ⅷ-1和ASME Ⅷ-2则规定，在允许容器发生微小变形的情况下，奥氏体不锈钢材料的许用应力值最高可以取0.92.0σ[3]。

与国外的相关标准相比，对于同一种奥氏体不锈钢材料，GB150以及JB4372中选取的材料许用应力值最低。

因此，如果奥氏体不锈钢低温容器的应变强化技术能够大幅度的提高材料的许用应力，具有重要的意义。

奥氏体不锈钢低温容器应变强化技术的本质就是通过产生一定的塑性变形来提高材料的屈服强度，从而有效减少壁厚、降低容器的造价，并且能够提高抗疲劳性能。

该技术在起源于欧洲，随后得到很快的发展和推广应用。

1956年瑞典的Avesta Sheffield 公司经过特别许可开始研究奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术，随后，英国、德国、挪威、澳大利亚等许多国家也都采用这一方法。

应该说在欧洲该技术已经有较成熟的制造以及工业化使用经验，并且已经列入相应标准和规范，如EN 13530-2002《低温容器－大型可移动真空绝热容器》、ISO 20421-2006《低温容器－大型移动式真空绝热容器》以及正在编写的ISO/DIS 21009《低温容器－固定式真空绝热容器》。

目前这项技术成为国内低温容器制造行业的热点技术，目前我国尚无此技术的国家及行业标准，为了规范这项技术在我国的应用，根据《固定式压力容器安全技术监察规程》第1.9条的规定，国家质检总局制定了《关于采用奥氏体不锈钢应变强化技术制造深冷压力容器有关事项的通知》(质检特函〔2010〕65号)(以下简称通知)，在该通知中明确规定，全国锅炉压力容器标准化技术委员会（以下简称锅容标委）受国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察局（以下简称国家质检总局特设局）委托在，将负责我国奥氏体不锈钢应变强化制造深冷真空绝热容器(固定式压力容器、移动式压力容器等)的技术评审工作。

华东理工大学与国内多家知名低温制造企业进行了产学研合作，解决了很多关键技术，为推进该项技术的国产化做出了突出贡献。

本课题是将应变强化技术的两项关键技术提炼出来，针对固定式低温容器的材料进行实验研究，采用应变强化设计技术对容器进行设计，并采用有限元分析方法，对奥氏体不锈钢应变强化容器进行强化过程分析。

如果学生学有余力，将对应变强化控制系统进行研制，应变强化控制系统将综合运用泵的知识、控制技术、软件技术等。

通过该项目，可使学生综合运用工程制图、工程材料、材料力学、压力容器、流体机械、过程装备控制技术等专业知识，解决此工程技术问题。

并且在项目开展过程中，培养学生查阅文献、综合分析、分析问题和解决问题、沟通表达能力、团队合作精神等。

本项目由校内导师和企业合作导师共同指导。

项目开展过程中拟带学生到工厂进行相关实验、测试等，全面培养学生工程能力。

2容器的设计参数拟采用应变强化技术，对固定式真空绝热深冷容器进行设计。

一般的真空绝热深冷容器采用两层容器，内容器一般为奥氏体不锈钢制，存储液氮、液氧、液氩等低温介质，外容器一般为碳钢材料，内外容器间为夹层，内置保温绝热材料，往往抽成真空，以尽量减少对流等热量传递过程。

3设计主要依据标准GB l50.1~150.4 压力容器（所有部分）GB 567 爆破片与爆破片装置GB 713 锅炉和压力容器用钢板GB 24511 承压设备用不锈钢板及钢带GB/T 228.1-2010 金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法GB/T 229-2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法GB/T 232-2010 金属材料弯曲试验方法GB/T 1220-2007 不锈钢棒GB/T 2653-2008 焊接接头弯曲试验方法GB/T 3274 碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带GB/T l2241-2005 安全阀一般要求GB/T 18442 固定式真空绝热深冷压力容器（所有部分）GB/T 18443.2 真空绝热深冷设备性能试验方法第2部分：真空度测量GB/T 18443.3 真空绝热深冷设备性能试验方法第3部分：漏率测量GB/T 18443.4 真空绝热深冷设备性能试验方法第4部分：漏放气速率测量GB/T 18443.5 真空绝热深冷设备性能试验方法第5部分：静态蒸发率测量GB/T 18443.8 真空绝热深冷设备性能试验方法第8部分：容积测量GB/T 25198 压力容器封头JB 4732 钢制压力容器——分析设计标准JB/T 4711 压力容器涂敷与运输包装JB/T 4730.2 承压设备无损检测第2部分：射线检测JB/T 4730.5 承压设备无损检测第5部分：渗透检测NB/T 47014 承压设备焊接工艺评定NB/T 47015 压力容器焊接规程NB/T 47016 承压设备产品焊接试件的力学性能检验NB/T 47009 低温承压设备用低合金钢锻件NB/T 47010 承压设备用不锈钢和耐热钢锻件TSG R0004 固定式压力容器安全技术监察规程TSG R1001 压力容器压力管道设计许可规则TSG D2001 压力管道元件制造许可规则《锅炉压力容器制造监督管理办法》（质检总局第22号令）4设计要点4.1容积计算包括：内容器容积计算，外壳容积计算，夹层容积计算，蒸发率的计算。

4.2 内容器的设计内容器的设计包括：内容器筒体壁厚计算和内压校核、内容器椭圆封头壁厚计算和内压校核、内筒体外压校核、内容器椭圆封头外压校核、工艺人孔筒节内压校核、工艺人孔封头内压校核、工艺人孔筒节外压校核、工艺人孔封头外压校核、工艺人孔开孔补强计算。

4.3 外容器的设计外壳筒体内压校核、外壳筒体封头内压校核、外壳筒体外压校核、外壳封头外压校核。

4.4 其它设计其它设计还应考虑：吊带支撑强度校核、安全泄放量的计算（分别考虑火灾及非火灾情况）及安全泄放装置的选用。

5设计所需的知识点及与课程的、培养的能力及素质通过本设计，学生可学习和掌握材料、力学、机械及工艺方面的知识，本设计具体包括的知识体系如图1所示。

同时可系统了解工程设计方法、了解并掌握压力容器设计相关法规、标准。

同时，通过设计，可培养学生如下能力及素质：查阅文献的能力；外语阅读能力；工程设计能力；工程表达能力；理论联系实际的能力；语言表达能力；团队合作精神。

图1 本设计所涵盖的知识点6时间安排2012年10月-2013年1月：相关理论知识学习，容积计算，外壳容积计算，夹层容积计算，蒸发率的计算；2013年2月-3月：应变强化内容器的设计；2013年4月-6月：外容器、支撑、安全泄放量计算，图纸；2013年7月-8月：总结报告，汇报；7参考文献[1] 邓阳春,陈钢,杨笑峰.奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术.化工机械.2008,35(1),54-59.[2] V. Kain, K. Chandra, K. N. Adhe, P. K. De. Effect of cold work on low-temperature sensitization behaviour of austenitic stainless steels.Journal of Nuclear Materials, vol. 334, September 2004.[3] 李岳,王淑兰.塑性变形对奥氏体不锈钢强度影响的研究 .化学工业与工程技术.2003, 24(4)[4] 王亚辉,王学生,王定标.奥氏体不锈钢容器的超压强化处理研究.郑州工业大学学报.2001, 22(3).[5] 徐嘉鹏,王东亚 .奥氏体不锈钢强化机理 .《功能材料增刊》 .1998.[6] 那顺桑,陈斌鍇 .18-8型不锈钢的应变硬化特性 . 理化检验-物理分册 .2007.[7]原园,徐颖强,吕国志 .应变强化模型的安定准则研究 .固体力学学报 .2007.[8]毕龙生 .低温容器应用进展及发展前景 .真空与低温 .1999.[9] Jonson J．Coldstretched Austenitic Stainless Steel Pressure Vessels.Seond International Conference on Pressure Vessel Technology，Part I1 Materials，Fabrication and Inspection.1973.1157—1165[10] EN 13530 - 2：2002，Cryogenic Vessels - Large Transportable Vacuum Insulated Vessels Part 2: Design，Fabrication，Inspection and Testing [S].[11] ISO20421-1：2006，Cryogenic Vessels -Large transportable vacuum-insulated vessels[S].[12]ASME Cold Case 2596--2008，Coldstretching of Austenitic Stainless Steel Pressure Vessels[S].[13]AS 1210 Supplement2-1999，Pressure Vessels-Cold-strthched austenitic stainless steel vessels [S].[14] 丁大伟．压力容器用钢在应变强化过程中的宏观性能与显微结构研究[D].北京工业大学硕士论文.2009[15] 周高斌．应变强化奥氏体不锈钢低温容器研究.浙江大学硕士论文.2007[16]Schmidt O.German design criteria including safety factors on tensile strength and yield strength.Criteria of Boilers and Pressure Vessels，Papers Presented at Frist International Conference on Pressure Vessel Technology[C].1969，9-13[17] 马力，郑津洋，寿比南，缪存坚.奥氏体不锈钢制压力容器强度裕度研究[J].试验研究.2008，25(4)：1-6。