CN103278375A - 基于奥氏体不锈钢低温性能的低温容器内容器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低温容器的设计制造，旨在提供一种基于奥氏体不锈钢低温性能的低温容器内容器的制造方法。该方法是：获取常温至低温环境下奥氏体不锈钢力学性能变化规律；确定低温下奥氏体不锈钢力学性能最小保证值；根据低温容器内容器设计温度选取设计用强度值；确定低温容器内容器设计用许用应力值；设计计算各相关参数并制造。通过本发明的制造方法，可在现有低温容器（包括常规低温容器和应变强化低温容器）制造方法的基础上，进一步提高内容器的强度值和许用应力，减薄其壁厚、减轻其重量，从而达到更好的节能减排效果、更高的低温容器轻量化程度。

Description

基于奥氏体不锈钢低温性能的低温容器内容器的制造方法

技术领域

本发明涉及低温容器的设计制造，特别涉及基于奥氏体不锈钢低温性能的低温容器内容器的制造方法。

背景技术

低温容器是一种运行在低温环境下的承压设备，采用低温容器储运是目前低温液化气体储运的主要方式，该方式与气态运输相比具有储存效率高、占地少等优势，例如液化天然气体积约为同质量气态天然气体积的1/625。随着能源结构的调整以及我国对能源战略的部署，作为液氧、液化天然气等能源储运装备的低温容器越来越受到国家的重视。2009年国务院颁布的《装备制造业调整和振兴计划》就把大型液化天然气运输船及接收站、大型煤化工和天然气输送液化储运设备（低温容器为主要储运设备之一）等列为装备自主化的重点。低温容器作为液化天然气储运的主要设备，在国家重点关注的天然气管道输送和液化储运工程中扮演着重要的角色。

低温容器一般由内容器、外容器、内外容器间真空夹层以及各种相关附件等组成，其中内容器用于盛装液氮、液氧、液化天然气、液氩等低温液化气体介质并承受由其带来的压力，是整台设备的核心部分。因此内容器用低温用钢对材料的性能尤其是低温性能要求很高。奥氏体不锈钢是一种性能优良、韧塑性好的材料，其良好的低温性能使其被广泛用于低温容器内容器的制造。低温环境是低温容器的主要设计工况，随着温度的降低，奥氏体不锈钢的力学性能会发生很大的变化（如附图1所示），材料应力应变曲线形状会逐渐改变，其表征材料力学性能的主要指标如屈服强度、抗拉强度和断后延伸率等也都会随温度降低而发生显著改变，强度值会得到明显提高，如国产典型奥氏体不锈钢S30408的抗拉强度在-196℃低温下可达到1200MPa以上，而常温下仅在520MPa至720MPa之间。强度的提高意味着材料在低温环境下可拥有更高的承载能力，然而我国目前在GB150-2011《压力容器》和GB/T18442-2011《固定式真空绝热深冷压力容器》等低温容器相关设计标准中并没有考虑低温对材料性能尤其是材料强度的强化作用，仍然采用室温下的材料力学性能作为低温容器设计的依据。若能考虑低温对材料的强化作用，则可以明显提高材料设计时的许用应力，从而降低容器壁厚、减轻容器重量，实现低温容器的轻量化设计制造。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于奥氏体不锈钢低温性能的低温容器内容器的制造方法。

为解决该技术问题，本发明采取的技术方案包括以下内容：

提供一种基于奥氏体不锈钢低温性能的低温容器内容器的制造方法，包括以下步骤：

（1）获取常温至低温环境下奥氏体不锈钢力学性能变化规律

通过批量拉伸试验，获取奥氏体不锈钢从常温至低温下的材料本构关系以及强度和韧性的表征值，至少包括屈服强度、抗拉强度和断后伸长率；所述的低温为0℃至-269℃，是指奥氏体不锈钢最终使用环境的温度范围；奥氏体不锈钢的试验材料必须来自至少三个炉号的板材；

（2）确定低温下奥氏体不锈钢力学性能最小保证值

采用数理统计方法分析试验数据，在确定奥氏体不锈钢材料低温下的屈服强度和抗拉强度符合正态分布后，采用统计学方法，根据工程应用的需要，选择合适的可靠性、置信度来确定获得屈服强度和抗拉强度的最小保证值所需试样个数以及相应的最小保证值。若是需要应用在高精度高可靠性的场合，则可靠性和置信度需相应提高（其中可靠性和置信度与最小保证值之间的关系属于公知技术手段）。

其中，屈服强度和抗拉强度的最小保证值通过以下公式计算获得：

${\hat{x}}_p=\stackrel{\‾}{x}+u_p\mathrm{ks}-t_{r}s\sqrt{\frac{1}{n}+{u_p}^2(k^2-1)}$

式中：

，最小保证值；，子样的算术平均值；u_p，可靠度的标准正态偏量；k，标准差修正系数；s，子体标准差；t_r，按t分布的随机变量；n，样本容量；

（3）根据低温容器内容器设计温度选取设计用强度值

经计算，可以确定不同牌号奥氏不锈钢在不同低温点（如0℃、-60℃、-196℃或最低至-269℃等）的屈服强度和抗拉强度数值的最小保证值，不同温度点之间的温度对应强度数值可采用线性插值方法计算。由此可得奥氏体不锈钢在低温环境下的屈服强度最小保证值取值范围为180～700MPa，抗拉强度最小保证值取值范围为490～1800MPa；根据低温容器内容器的设计温度，在上述范围中选定设计用屈服强度和抗拉强度的数值；

（4）确定低温容器内容器设计用许用应力值

分别以设计用屈服强度和设计用抗拉强度除以对应的安全系数，以所得比值中的较小值作为设计用许用应力值，其取值范围为120MPa至525MPa；所述安全系数由容器设备设计制造标准规定；

（5）设计计算各相关参数并制造

根据设计用许用应力值，以及现行容器设备设计制造标准的要求进行低温容器内容器及其附件相关参数的设计与计算。根据得到的设计与计算数据，按照容器设备设计制造标准中的常规制造工艺加工获得基于奥氏体不锈钢低温性能的低温容器内容器产品。

本发明中，所述现行容器设备设计制造标准是指GB150-2011《压力容器》和GB/T 18442-2011《固定式真空绝热深冷压力容器》。

本发明的有益效果在于：

本发明提出了基于低温性能的奥氏体不锈钢低温容器内容器的制造方法。该方法适用于采用奥氏体不锈钢制造的低温容器内容器，采用本方法设计制造的低温容器内容器，其功能与目前现有低温容器一致，可用来储运液化天然气、液氧和液氮等低温液化气体。

通过本发明的制造方法，可在现有低温容器（包括常规低温容器和应变强化低温容器）制造方法的基础上，进一步提高内容器的强度值和许用应力，减薄其壁厚、减轻其重量，从而达到更好的节能减排效果、更高的低温容器轻量化程度，使我国低温容器产品具备更强的国际竞争力。

附图说明

图1为奥氏体不锈钢的材料强度随温度变化示意图。

具体实施方式

以目前国产典型奥氏体不锈钢S30408设计制造的固定式低温容器内容器为例，采用本专利述及的方法进行设计制造以增加其轻量化程度，其结果与采用常规设计方法和应变强化设计方法的结果进行比较。

低温容器内容器的设计参数如表1所示：

表1 低温容器设计参数表

设计温度Td	-196℃	设计压力Pd	1.6 MPa
				工作介质	液氮	容器内直径Di	1700mm
介质及其密度	液氮，808kg/m3	焊接接头系数φ	1.0
				钢板厚度负偏差C1	0.3mm	腐蚀裕量C2	0mm

（1）对三个以上炉批号的奥氏体不锈钢S30408材料进行-196℃下的拉伸力学性能试验，试验参考标准为GB/T13239:2006《金属材料低温拉伸试验方法》，试样轴线垂直于板材轧制方向，试验过程采用准静态速率，最终测定材料的屈服强度和抗拉强度值。

（2）在给定置信度95%，可靠度99.9%条件下，S30408材料的屈服强度与抗拉强度的最小保证值可通过以下公式计算获得：

${\hat{x}}_p=\stackrel{\‾}{x}+u_p\mathrm{ks}-t_{r}s\sqrt{\frac{1}{n}+{u_p}^2(k^2-1)}$

其中，

，最小保证值；

，子样的算术平均值；u_p，可靠度的标准正态偏量；k，标准差修正系数；s，子体标准差；t_r，按t分布的随机变量；n，样本容量；

（3）通过计算得到奥氏体不锈钢S30408在-196℃下的屈服强度与抗拉强度的最小保证值，分别为450MPa和1600MPa。按现行标准GB150-2011《压力容器》和GB/T 18442-2011《固定式真空绝热深冷压力容器》，屈服强度对应安全系数取值1.5，抗拉强度安全系数取值2.7，则材料在设计温度下的许用应力取值：

${\left[\mathrm{\σ}\right]}^t=\min \{\frac{R_s^t}{n_s^t},\frac{R_m^t}{n_b^t}\}=\min \{\frac{450}{1.5},\frac{1600}{2.7}\}=300\mathrm{MPa}$

其中，

[σ]^t，设计温度下的许用应力；

，设计温度下的屈服强度；

，设计温度下屈服强度对应的安全系数；

，设计温度下的抗拉强度；

，设计温度下抗拉强度对应的安全系数。

（4）根据现行标准设计计算相关参数

a. 计算压力

所施加的载荷根据设计压力、液柱静压力和大气压确定，筒体和封头受内压。

液柱静压力P_l = 0.013MPa < 5% P_d = 0.08MPa

故可忽略液柱静压力，计算压力P_c = P_d + 0.1 = 1.7MPa

b. 计算厚度

内容器筒体计算厚度：

C₁=0mm，C₂=0.3mm，考虑钢材标准规格，

取筒体名义厚度δ_n为6.0mm。

内容器封头计算厚度：

C₁=0mm，C₂=0.3mm，考虑钢材标准规格，

取封头名义厚度δ_n为6.0mm。

采用本发明的方法得到的内容器厚度与常规设计方法、应变强化设计方法得到的值相比情况如表2所示。

表2 本发明方法与其他设计方法的许用应力及厚度比较

设计方法	常规设计方法	应变强化设计方法	本发明中的设计方法
				许用应力/MPa	137	270	300
容器筒体计算壁厚/mm	10.61	5.37	4.83

由表2可以看出，采用本发明的方法，许用应力较常规设计方法提高了一倍以上，亦大于应变强化设计方法的值；所得容器计算壁厚比较结果可以看出，本发明的方法设计制造所得壁厚比常规方法所得壁厚减薄了一半以上，且比应变强化方法所得壁厚更薄。因此，采用本发明的方法设计制造低温容器内容器，可以有效减薄内容器壁厚，减轻内容器重量，降低成本，从而提高产品竞争力。

Claims (2)

1.基于奥氏体不锈钢低温性能的低温容器内容器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）获取常温至低温环境下奥氏体不锈钢力学性能变化规律

通过批量拉伸试验，获取奥氏体不锈钢从常温至低温下的材料本构关系以及强度和韧性的表征值，至少包括屈服强度、抗拉强度和断后伸长率；所述的低温为0℃至-269℃，是指奥氏体不锈钢最终使用环境的温度范围；奥氏体不锈钢的试验材料必须来自至少三个炉号的板材；

（2）确定低温下奥氏体不锈钢力学性能最小保证值

采用数理统计方法分析试验数据，在确定奥氏体不锈钢材料低温下的屈服强度和抗拉强度符合正态分布后，采用统计学方法，根据工程应用的需要，选择合适的可靠性、置信度来确定获得屈服强度和抗拉强度的最小保证值所需试样个数以及相应的最小保证值；

其中，屈服强度和抗拉强度的最小保证值通过以下公式计算获得：

${\hat{x}}_p=\stackrel{\&OverBar;}{x}+u_p\mathrm{ks}-t_{r}s\sqrt{\frac{1}{n}+{u_p}^2(k^2-1)}$

式中：

，最小保证值；

，子样的算术平均值；u_p，可靠度的标准正态偏量；k，标准差修正系数；s，子体标准差；t_r，按t分布的随机变量；n，样本容量；

（3）根据低温容器内容器设计温度选取设计用强度值

经计算确定不同牌号奥氏不锈钢在不同低温点的屈服强度和抗拉强度数值的最小保证值，不同温度点之间的温度对应强度数值采用线性插值方法计算；由此得到奥氏体不锈钢在低温环境下的屈服强度最小保证值取值范围为180～700MPa，抗拉强度最小保证值取值范围为490～1800MPa；根据低温容器内容器的设计温度，在上述范围中选定设计用屈服强度和抗拉强度的数值；

（4）确定低温容器内容器设计用许用应力值

分别以设计用屈服强度和设计用抗拉强度除以对应的安全系数，以所得比值中的较小值作为设计用许用应力值，其取值范围为120MPa至525MPa；所述安全系数由容器设备设计制造标准规定；

（5）设计计算各相关参数并制造

根据设计用许用应力值，以及现行容器设备设计制造标准的要求进行低温容器内容器及其附件相关参数的设计与计算；根据得到的设计与计算数据，按照容器设备设计制造标准中的常规制造工艺加工获得基于奥氏体不锈钢低温性能的低温容器内容器产品。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述现行容器设备设计制造标准是指GB150-2011《压力容器》和GB/T 18442-2011《固定式真空绝热深冷压力容器》。

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