深冷压力容器应变强化过程数值分析

景鹏飞 谢阳紫 董鑫

摘      要：通过对满足《移动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求》（T/CATSI05001—2018）及《固定式真空绝热深冷压力容器 第7部分：内容器应变强化技术规定》（GB/T18442.7—2017）要求的样品容器进行应变强化工艺数值仿真，以掌握采用应变强化工艺造成筒体的塑性变形的部位及变形量的规律。

关  键  词：压力容器;应变强化;应变;应力;有限元;强度

中图分类号：TQ 018       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）10-2347-05

Abstract： Taking the pressure  vessel meeting T/CATSI05001—2018 “Transportable vacuum insulated cryogenic pressure vessels—requirement of pressure strengthening for inner vessels" and GB/T18442.7—2017 “Static vacuum insulated cryogenic pressure  vessels — Part 7： Rules of pressure strengthening for inner vessels” as a research object， strain strengthening processing numerical simulation was carried out in order to grasp the rules of the position and the amount of deformation caused by the plastic deformation of the cylinder body by the strain strengthening process.

Key words： Strain-strengthening; Strain ; Stress ; Finite element ; Strength

奥式体不锈钢因其特殊的构造，应力应变行为不同于普通钢材，无明显的屈服平台，屈服强度和强拉强度之间应变硬化段较长，室温延伸率≥40%。常规压力容器是基于弹性设计准则设计的，通过限定危险截面应力值低于材料许用应力值，以保证容器的安全使用，如需要增强容器承载能力，常通过增加厚度、降低应力的方法，需消耗大量的钢材，而奥式体不锈钢本身价格较高，传统压力容器设计会造成成本较高的情况[1]。为适应弹性设计准则设计的要求，通过强化加载、卸载，以永久性塑性变形奥式体不锈钢材料，提高奥式体不锈钢屈服强度，此种应变强化的方法，可减少20%～50%的钢材用量[2]，大大地提高了经济效益，在移动式真空绝热深冷压力容器的内容器中有很大的使用空间。

1  分析

根据《移动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求》（T/CATSI05001—2018），采用应变强化技术制造深冷压力容器前，制造企业应当先试制样品容器，对样品容器进行应变强化工艺验证，以保证整个工艺过程的板材得到合格的强化。强化工艺过程中包括加压强化、保压和卸载，以及重新加载到耐压试验压力、设计压力[3]。本文通过对满足《移动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求》（T/CATSI05001—2018）要求的样品容器进行应变强化工艺数值仿真，其结果将与试验结果对比，以掌握采用应变强化工艺造成筒体的塑性变形的部位及变形量的规律。

2  设计参数

本文根据《移动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求》（T/CATSI05001—2018）及《固定式真空绝热深冷压力容器 第7部分：内容器应变强化技术规定》（GB/T18442.7—2017）附录C的要求[4]，以某汽車制造有限公司生产试验的样品容器为例，进行应变强化工艺数值仿真。样品容器的设计参数与结构要求满足《移动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求》（T/CATSI      05001—2018）及《固定式真空绝热深冷压力容器 第7部分：内容器应变强化技术规定》（GB/T    18442.7—2017）附录C的要求。设计的样品容器材料参照 ASME SA-240 标准选择牌号为 304 奥氏体不锈钢，采用标准椭圆形封头。样品容器设计参数见表 1，简图见图1。

3  非线性力学分析模型

在应变强化压力加载过程中，样品容器壳体材料大部分区域进入塑性阶段，相关部分产生了明显的塑性变形。因此分析时必须考虑材料的非线性特性。在进行数字模拟时，为了通过数值仿真模拟样品容器的应变强化过程，本报告采用大型有限元软件ANSYS WORKBENCH进行非线性有限元分析。在进行有限元分析前，用材料的真应力-应变曲线构建样品容器的本构模型，同时考虑结构大变形带来的几何非线性。

3.1  实体模型

由于样品容器的进出水口、压力表口接管开孔直径所占部分的面积均较小，其应力应变水平较低，在实体建模过程中将忽略。样品容器的实体模型如图2所示。

3.2  材料本构模型

ANSYS WORKBENC提供了多种塑性材料本构模型，包括双线性等向强化模型、多线性等向强化模型、双线性随动模型、多线性随动强化模型等。考虑到实际应变强化过程中，样品容器材料大部分进入塑性阶段，分析时必须考虑材料的非线性特性，因此本文中选用适用于大变形分析的多线性等向强化模型，并采用材料的真实应力-应变曲线（真实应力-应变曲线由同批次板材通过拉伸试验得到），如图3所示。

3.3  网格划分

有限元网格采用高阶三维实体单元Solid186，该单元是含中节点的3-D六面体单元。它能够模拟不规则形状的单元而精度没有损失，在准确的弹塑性計算过程中保持较高的精度。同时，Solid186单元具有塑性、蠕变、应力强化、大变形和大应变等能力，适合于本文所涉及的样品容器应变。

网格采用扫略和单元尺寸控制相结合的方式对几何模型进行了网格化，如图4所示。对于筒体加强圈处、筒体和封头之间的总体结构不连续区域，应细化网格。

3.4  有限元模型边界条件加载

按照《固定式真空绝热深冷压力容器 第7部分：内容器应变强化技术规定》（GB/T 18442.7—2017）附录C中的要求，罐体不设约束性条件。筒体内壁施加压力，加压过程为升压至设计压力-升压至强化压  力-卸载压力-再次升压至设计压力-卸载压力。

4  应力应变计算结果

4.1  强化压力下的结果

根据有限元模型模拟计算，得到经过加压、保压直至变形稳定的强化压力下样品容器的应力应变状态。强化压力下，样品容器整体的Von Mises等效应力、等效弹塑性应变见图5和图6。强化压力下容器各处的最大Von Mises应力和最大等效弹塑性应变见表2。

根据图5、图6和表2，对强化压力下样品容器的应力应变进行分析。筒体远离结构不连续处的最大等效弹塑性应变为3.74%，且每个筒节的最大环向变形均发生在中间筒节与筒节的焊缝部位，实施应变强化工艺时可在此处对筒体周长进行测量。在整个强化过程中，弹塑性分析结果收敛，容器不会出现强度破坏的失效现象[5]。

4.2  强化压力卸载后的结果

样品容器在强化压力下产生了永久的塑性变形，在整体上有效地提高了各结构材料的屈服强度。压力卸载时，各结构应力逐渐减低，当压力为零时，筒体部位应力接近于零，而局部区域存在残余应力。筒体的最大塑性应变为3.6%，见图7。

4.3  加载至耐压试验压力后的结果

卸载后再加载至耐压试验压力时，样品容器整体的Von Mises等效应力和等效弹性应变分别见图8和图9。耐压试验压力下容器各处的最大Von Mises应力和最大等效弹性应变见表3。

根据图8、图9、表3分析可知，样品容器加载到耐压试验压力时，容器内没有产生新的塑性变形。在整个强化过程中，容器不会出现强度破坏的失效现象。

4.4  加载至设计压力下的计算结果

再次加载到设计压力，此时样品容器整体的Von Mises等效应力和等效弹性应变分别见图10和图11以及表4。在加载到设计压力过程中，最大等效弹性应变为0.10。

5  结 论

采用有限元力学分析模型对样品容器进行应变强化过程的非线性分析，得到结果如下：

1）强化压力下，筒体最大Von Mises等效应力为316 MPa，最大等效弹塑性应变为3.74%，最大等效塑性应变为3.58%，最大等效弹性应变为0.16%，筒节的最大环向变形均发生在中间偏筒节与筒节的焊缝部位，实施应变强化工艺时可在此处对筒体周长进行测量。

2）强化压力卸载后，容器筒体应力接近为零，筒体的最大塑性应变为3.58%。

3）加载到耐压试验压力时，筒体最大Von Mises等效应力为278 MPa，该过程中容器没有产生新的塑性变形，耐压试验压力下筒体最大等效弹性应变为0.14%。

4）加载到设计压力时，筒体最大Von Mises等效应力为196 MPa，该过程中容器没有产生新的塑性变形，设计压力下筒体最大等效弹性应变为0.10%，强化过程基本满足要求。

5）有限元力学分析模型对样品容器进行应变强化过程的非线性分析结果与最终试验结果偏差较小，对强化试验有一定的预估和指导作用。

参考文献：

[1] 汪志福，孔韦海. 奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术探讨[J]. 化学工程与装备，2013（12）：106-107.

[2]陈挺，王步美，徐涛，等. 奥氏体不锈钢压力容器应变强化技术的发展及国外标准比较[J]. 机械工程材料，2012，36（3）：1-3.

[3] T/CATSI 05001—2018，动式真空绝热深冷压力容器内容器应变强化技术要求[S].

[4]GB/T 18442.7—2017， 固定式真空绝热深冷压力容器 第7部分：内容器应变强化技术规定[S] .

[5]ASME VIII Division 2，Alternative rules for construction of pressure vessels[S] .

[6]JB/T 4732—1995，钢制压力容器—分析设计标准[S] .