江苏省特种设备安全监督检验研究院南通分院江苏南通226000
摘要：压力容器制造能力直接反映了国家工业实力和技术水平。现阶段，我国的压力容器制造中普遍存在着材料用量大、利用率不高、能耗大、贵金属合金用量大、生产成本偏高的问题，进行应变强化压力容器应力分析，开展压力容器设计制造技术革新，降低压力容器生产制造成本，提高安全性，对实现压力容器的轻型化有着重要意义。
关键词：应变强化；压力容器；应力分析
前言
随着国民经济的飞速发展，低温技术的普及，使得液氧、液氮等低温液体的应用范围越来越广，各个领域和行业对存储和运输低温液体的低温压力容器的需求也越来越大。低温压力容器尤其是中高压低温压力容器如果使用传统的方法进行制造，会产生较大的能源消耗，材料消耗大且利用率不高，造成极大的浪费。近年来，我国企业和国外企业的合作不断扩大，为低温行业引进了先进的技术设备和管理理念，促进了我国低温液体的广泛应用，同时也推动了我国低温压力容器制造业的发展。
1相关概念概述
1）低温容器概述。近些年来，由于在生物工程技术、材料基础科学、微电子技术、低温工程技术等方面的研究越来越深入，使得在工业化生产中开始不断应用大量的新技术。而在这些技术应用的很多方面，例如对食品的储存与冷藏，对液化气体的存贮和运输等都需要与之配套的低温技术的应用。这在很大程度上给低温技术的发展带来了较大的机遇。而低温容器能够存储较大的容量，能够使所储运的产品处在低温的状态下，且大大降低无效运输的质量，因此是低温设备中的重要组成部分。
2）应变强化技术概述。从当前来看，应变强化技术包括室温下应变强化和低温下应变强化两种模式。其本质是由于金属的塑性变形而使得金属的形态和微观组织发生变化，进而使得金属的性能发生改变。由于金属变形在很大程度上发生了改变，所以其硬度和强度也会随之提升，但韧性和塑性则会随之降低。从目前来看，在奥氏体不锈钢低温压力容器轻型化趋势发展过程中，应变强化技术已成了其中非常重要的发展趋向，同时更是容器制造厂商促进企业经济效益提升的重要渠道。
2应变强化压力容器的技术原理
奥氏体不锈钢在韧性和塑性上都比较强，同时还有较为良好的低温特性，可以让其作为低温设备，特别是深冷容器选择的重要材料。另外，由于奥氏体不锈钢具有较低的屈强比，且在抗拉强度与屈服强度之间的塑性延伸范围较大，所以应变强化特征比较明显。从工作原理上看（见图1），在外在附加的载荷的作用之下，奥氏体不锈钢试样的变形量超过0.2%以后，会继续增加负荷，至σk后才将载荷去除，这时一部分材料就会发生永久性的塑性变形；对刚才的试样再次进行加载负荷，材料新的屈服强度达到σk，根据这个理念，进行设计的奥氏体不锈钢压力容器在制造完成以后，利用常温水压对其进行处理则使强化的过程得以完成，使得壳体远离结构不持续相连的区域的应力水平超过或是达到σk，进而实现奥氏体不锈钢屈服强度提升的目标。根据此技术，通常所设计的压力容器的总重量会由于壁厚的降低而减少1/5~1/2。
图1奥氏体不锈钢应力-应变曲线
3压力容器应力分析介绍
从常规设计的方法上，压力容器设计会受到很多的限制，尤其是在对没有包含其中的负荷以及几何结构标准进行解决的问题上。而对设计进行分析则比较适用于受到特殊负荷的零部件。此外，在进行应力分析时，不是依照专门的标准来进行分析的。由于应力分类法比较成熟、通用且简单，已经成了压力容器分析中主要应用的方法。根据不同的出发点，压力容器的应力分析有着不同的分类。
1）根据应力产生的原因分类。根据应力产生的原因应力有不同的类别。例如，是由温差所造成的，还是由不同的机械载荷所造成的。因为温度差异载荷主要是物料自身的重量、容器、附件的重量以及风、雪，加上其他连接的管道给容器的部分位置带来的负荷所造成的；因为温差载荷所引起的，主要是处在同一个元件上的不同位置存在不同的温度，例如容器器壁上存在的不同温度而造成的差异，或者是接连在一起的两个元件之间存在的温度差等所造成的。
2）根据应力导出的方法进行分类。两个互相接连的元件如果几何结构呈现不连续时，或是载荷和材料的性能存在不连续时，在介质压力的作用下就会出现性质不同的两类应力。第一种是因为元件应力和介质压力之间的静力平衡关系而导出的；第二种则是因为两个相连接件在边缘的连接处因为受到介质压力总出现变形的协调关系而导出的边缘应力，这种应力尽管也是因为介质压力所导致的，然而与直接因为介质压力而导致的应力，即第一种应力产生还存在很大的不同，但与温差应力则比较相似。
3）根据应力存在的区域进行分类。根据应力存在的区域进行划分来看，应力是处在容器整体部分，还是处在局部。由于介质压力对封头或是圆筒而直接导致产生的应力，普遍存在于封头或圆筒则是整体区域；由于是在封头或圆筒接连处附近的某个范围当中，或者是因为载荷或是结构发生突变而导致的附加应力，只处在封头或是圆筒接连处附近的部分区域，或者是因为载荷或是结构发生突变的部分范围就是部分区域。整体来看，整体区域与部分区域所产生的应力相比，对容器失效作用则更大。
4）根据的应力的性质进行的分类。从应力的性质来看，可以根据容器壁厚的方向是否均匀进行分类，看其是呈压缩应力还是拉伸应力；或是是根据沿壁厚的方向看其是否呈线性分布，两表面方向相反，应力最大，而靠近中间的或是中间的则是中性面的弯曲应力。通常来看，和弯曲应力相比，薄膜应力所造成的容器失效作用更大。
结束语
通过对应变强化技术进行分析，对应变强化压力容器的设计和应力分析进行研究，能够有效的为应变强化压力容器的设计和有限元数值进行模拟提供一定的理论依据，能够为容器制造业提供一定的技术支持和理论依据，以便促进容器制造业的发展。
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