應變強化工藝及其在深冷罐式集裝箱的應用

鄭靜

摘 要：本文介紹了常溫應變強化工藝及其在國內外發展歷程、應用常溫應變強化工藝的深冷罐式集裝箱在我國不同發展階段的設計制造模式。從材料選擇及應變率控制、內容器結構設計、適裝介質及內容器最高設計溫度等方面對當前常溫應變強化工藝在深冷罐式集裝箱的應用問題及注意事項進行了分析探討。最后對夯實常溫應變強化工藝的推廣應用基礎，也即當下亟待深入細致研究的方向進行了展望。

關鍵詞：罐式集裝箱;移動式深冷壓力容器;應變強化;冷凍液化氣體;LNG;多式聯運

中圖分類號：U169.47? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）11-0113-03

當今世界工業發展及人民生活對氧、氮、氬、天然氣等的需求日益增加，這些工業氣體具有液化后體積大幅減小的共性這一特性使得其采用液態儲運具有更好的經濟性。

深冷罐式集裝箱（以下簡稱深冷罐箱）因其較高的安全性、可便捷的實現不同運輸方式（公路、水路、鐵路）的切換[1]，成為實現LNG等冷凍液化氣體多式聯運的最優選擇。深冷罐箱作為一種運輸裝備其容重比一方面是重要的經濟性指標，另一方面在當前節能減排要求日趨嚴格的背景下深冷罐箱的輕量化可以降低運輸單位質量貨物的運輸負荷從而達到節能減排效果，助力綠色經濟發展。

深冷罐箱屬于移動式深冷壓力容器，其內容器通常采用奧氏體不銹鋼材料制造，應變強化技術的應用可有效降低內容器壁厚從而達到罐箱輕量化的目的，當前已得到較廣泛應用。

1 奧氏體不銹鋼常溫應變強化

1.1常溫應變強化工藝

傳統容器設計方法是基于彈性設計準則，將最大許用應力限定在材料的彈性范圍內，只利用了材料的彈性承載能力[2]。但奧氏體不銹鋼屈強比低，具有較高的塑性承載能力，按照傳統設計，其許用應力受屈服強度限制，不能充分發揮其塑性承載潛力。

奧氏體不銹鋼常溫應變強化工藝原理是，當奧氏體不銹鋼承受一個大于屈服強度RP0.2的拉伸應力σk時，卸載后將會產生塑性變形，而當再次加載時，應力應變將沿著卸載曲線按照彈性增長，直到應力大于σk時材料才再次進入塑性變形階段，也即相當于將奧氏體不銹鋼的屈服強度由RP0.2提高到了σk。研究表明，奧氏體不銹鋼在變形量小于10%的情況下，其塑性指標沒有顯著下降，其微觀組織無顯著變化[3-4]。利用應變強化工藝，可有效提高奧氏體不銹鋼的屈服強度，從而達到容器輕量化效果，是一種綠色經濟的工藝方法。

1.2 國際常溫應變強化工藝發展

常溫應變強化工藝最早出現在20世紀中葉的瑞典，經過60多年的發展，技術已經較為成熟。當前應用較廣泛的為澳大利亞的AS1210，歐盟標準EN 13458（固定式）及EN13530（移動式）以及美國的ASME BPVC-VIII-1（Mandatory Appendix 44）（以下簡稱ASME）[5]。上述標準適用于壁厚不超過30mm的真空粉體（或纖維）絕熱儲罐內容器的制造，適用溫度范圍均涵蓋-196℃～+50℃，另AS1210允許最高溫度為+400℃，且列明對于低于-196℃的情況下，可以采用增加鋼板質量檢驗及焊接工藝驗證性試驗的方法[6]。

1.3 國內常溫應變強化工藝及其在深冷罐箱的應用范圍

我國的常溫應變強化工藝起步較晚，本世紀初浙江大學率先開展了相關研究。隨著研究的開展及應變強化深冷壓力容器開發制造，國內形成并發布了兩個相關標準，分別為GB/T 18442.7-2017《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第7部分：內容器應變強化技術規定》及T/CATSI 05001-2018《移動式真空絕熱深冷壓力容器內容器應變強化技術要求》。

國內應變強化深冷壓力容器開發制造也經歷了不同的模式，從一開始的企業與高校聯合開發并經主管部門批文的形式;發展到經技術機構技術評審加主管部門批文的形式;市場監管總局辦公廳于2019年1月29日發布了“市場監管總局辦公廳關于規范壓力容器安全技術有關要求的通知”（市監特設函[2019]195號，以下簡稱“195號文”），至此國內應變強化深冷壓力容器的開發制造進入經型式試驗機構進行深冷容器型式試驗的階段。

“195號文”中列明：“采用應變強化技術制造移動式深冷壓力容器，在相應國家標準頒布前，制造技術要求應不低于標準T/CATSI 05001-2018”。T/CATSI 05001標準規定其適用于同時滿足以下要求的移動式真空絕熱深冷壓力容器內容器：①盛裝介質為冷凍液化氣體（非有毒介質，且沸點不低于-196℃）;②材質為奧氏體不銹鋼;③名義厚度大于等于4mm且小于等于16mm，由單一內直徑的圓筒和標準橢圓形封頭構成;④對于裝運液化天然氣（LNG）介質的移動式壓力容器，設計壓力不大于1.0MPa;⑤非國防軍事裝備等有特殊要求的。

對以上T/CATSI 05001標準界定的適用范圍進行簡單分析，并與ASME標準對照說明如下：

（1）適裝介質及設計溫度要求：TSGR0005-2011中定義“冷凍液化氣體”是指在運輸過程中由于溫度低而部分呈液態的氣體（臨界溫度一般低于或者等于-50℃）。鑒于上述定義，當前國內相關監管機構要求采用應變強化技術的深冷罐式集裝箱充裝介質的臨界溫度不得高于-50℃，對應的內容器設計溫度亦不得高于-50℃。ASME中規定的最高設計溫度不得超過50℃;未限制適裝介質臨界溫度。兩個標準對于最低設計溫度均要求不得低于-196℃。

（2）允許使用的內容器材質均為奧氏體不銹鋼，但ASME列明的可使用的材料牌號較T/CATSI 05001更多。

（3）容器壁厚及結構構成：ASME中規定容器壁厚不得超過30mm;僅限由單一直徑的圓筒體及與其相連的凸形封頭構成;與T/CATSI 05001的要求相比，ASME的要求更寬泛。

（4）ASME未對LNG介質設計壓力列明額外要求。

（5）ASME要求在用戶同意情況下應用應變強化技術。

由以上對照可以得出T/CATSI 05001與ASME相比，在最高設計溫度、最大允許壁厚以及封頭型式等方面提出了更嚴格的要求。

2 常溫應變強化工藝在深冷罐箱應用中的關鍵問題

2.1 材料選擇及應變率控制

當前深冷罐式集裝箱內容器材料絕大多數采用的S30408（GB/T 24511-2017），S30408材料標準規定的RP0.2下限值為220MPa，當前市場上供應的鋼板RP0.2往往顯著高于220MPa，其值大多分布在220MPa～330MPa范圍內。不同的RP0.2材料鋼板制成的容器在相同的強化壓力作用下得到的變形率也會不同。圖1為某型號深冷罐式集裝箱內容器分別選用RP0.2為220MPa標準值及某RP0.2為310MPa的實測數據[7]作為材料本構關系進行有限元分析得到的應變對照圖，從應變對比云圖可以看出，其最大應變量分別為0.056、0.029。

對于深冷罐式集裝箱其內外容器之間的空間間隔有限，如內容器材料為不同批次鋼板則其RP0.2可能存在較大差別的情況，這樣進行內容器應變強化后就有可能造成部分內容器變形率較大進而導致內外容器空間間隔過小，導致套裝失敗，進而造成不必要的經濟損失。故對于采用應變強化工藝制造的深冷罐式集裝箱，應密切關注其RP0.2性能的穩定性;并充分校核內外容器間隔及允許的內容器變形量。

2.2 內容器結構設計

采用應變強化的內容器結構應盡量簡單，減少約束;盡量避免結構形狀的突然變化，以減小局部應力。圖2左圖為某型號采用8點徑向支撐形式的深冷罐箱內容器在強化壓力作用下的應變分布云圖;圖2右圖為將左圖所述加強結構刪除后的均勻結構在相同強化壓力下的應變分布云圖。

由對比云圖可以看出加強結構的存在使得容器變形受限，其變形量顯著降低;同時受力及變形分布直接受加強件的影響，使得其受力及變形沿軸向及環向不均勻分布。在應變強化壓力作用下設置加強構件的部位其附近應力及應變變化劇烈易造成相應位置的焊縫開裂。故設計中應盡量使得結構形狀過渡均勻，減少結構突變、降低應力/應變變化率。

2.3適裝介質及內容器最高設計溫度

當前國內相關監管機構要求采用應變強化技術的深冷罐箱充裝介質的臨界溫度不得高于-50℃，對應的內容器設計溫度亦不得高于-50℃。

究其原因是考慮到應變強化工藝提高的僅是材料的屈服強度而對抗拉強度（Rm）并無顯著提升效果[8]，容器設計許用應力的確定需同時考慮屈服強度及抗拉強度，以GB/T 150-2011為例，規則設計時許用應力取min（RP0.2/1.5;Rm/2.7），所以僅采用應變強化工藝還不能夠作為奧氏體不銹鋼制容器選用較高的許用應力的充分條件。研究表明在低溫下奧氏體不銹鋼抗拉強度性能會有顯著提高[9]，故滿足應變強化及低溫兩個條件時，才可以選用較高的許用應力。從這一角度來看，T/CATSI 05001對最高設計溫度的限定是審慎的、必要的。

筆者認為限定最高設計溫度已可保證材料的抗拉強度性能，T/CATSI 05001中又限定允許充裝介質為冷凍液化氣體（臨界溫度不得高于-50℃）是非必要的、冗余的，且這項規定在一定程度上限制了一些介質對應變強化工藝罐箱的選用。

3 展望

常溫應變強化技術是一項綠色經濟的工藝方法，但也正如上文所述，當前該工藝在我國的深冷罐式集裝箱及其他類型移動式深冷壓力容器的應用中還存在各方面的限制，這也源于該工藝在國內發展的欠成熟狀態。為更安全地推廣應用該技術，也就需要更深入和廣泛的對其進行研究，從奧氏體不銹鋼材料本身的特性（例如其低溫性能、強化后的疲勞性能等）、應變強化工藝本身（例如其適用材料種類、厚度、溫度范圍等）、應用該技術的容器的使用工況的影響（例如，移動式容器不同運輸模式的運行工況差異）等方面開展深入細致的研究及實踐，為該工藝的成熟廣泛應用夯實基礎。

參考文獻：

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