奥氏体不锈钢应变强化制深冷容器容积变化研究.pdf

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1、化工机械2014年奥氏体不锈钢应变强化制深冷容器容积变化研究张潇+缪存坚高晓哲朱晓波马利(浙江大学化工机械研究所)摘要应变强化会导致深冷容器内容器的容积发生变化，进而影响容器的使用。为此，基于非线性有限单元法提出了强化后内容器容积的计算方法，并对具有不同设计参数的内容器的应变强化过程进行了模拟研究。研究发现：筒体厚度对容器容积变化的影响主要源自于不同厚度板材力学性能的差异；无加强圈的容器的容积变化率与筒体长度呈正相关。含加强圈的容器的容积变化率与加强圈间距呈正相关；环向应变小于5．5％的应变强化容器的容积变化率一般在10％以内。关键词压力容器深冷容器应变强化奥氏体不锈

2、钢中图分类号TQ051．3文献标识码A文章编号0254_6094(2014)04_0446-06近年来，随着深冷容器需求量的大幅增长，应变强化技术作为容器轻量化的重要实现手段得到了广泛应用¨。。应变强化会使深冷容器的容积增大旧1，进而对应变强化容器的设计和使用造成影响。例如文献[3]规定液化天然气加气站的单罐容积应小于60m3，为防止应变强化后容器容积过大，需在设计时预测容器的容积变化率；强化后容器的变形使其容积一液位关系发生变化，对其使用产生影响，故需要对应变强化容器的容积变化进行研究。考虑到应变强化容器的容积变化率受到筒体厚度、长度及加强圈间距等结构因素的影响，笔

3、者给出了基于非线性有限单元法的应变强化容器容积计算方法，并进行了验证。同时，考虑到容积变化主要发生在简体，笔者分析了筒体厚度、筒体长度及加强圈间距等主要结构因素对容积变化的影响，并给出了应变强化容器容积变化的范围。1应变强化容器容积计算方法1．1容积计算方法基于非线性有限单元法计算强化后容器的容积：通过对容器的应变强化过程进行非线性分析，可以得到强化前后容器内表面母线上各节点的坐标，进而依据数值计算方法得到强化前后容器的容积。图1为应变强化容器容积变化示意图，图1中实线、虚线分别为强化前、后容器内表面的母线。假设强化前、后母线上任意节点Pi的坐标分另0为Pi(茹f，Y

4、i)、Pi’(戈i+眦i，Yi+M)，i)，其中u；(眦；，uyi)为节点的位移。以强化前容积计算为例，Pj点处半径为R。=并j，则该点所在横截面面积为Ai=1TRi2=1T髫■故容器内壁面所包围的体．y⋯积为V=JAidy=∑Aidy．。强化后的容器容积。孟可由类似方式得到。Yl／mm图1应变强化容器容积变化的示意图·张潇，男，1990年2月生，硕士研究生。浙江省杭州市，310027。第4l卷第4期化工机械4471．2容积计算及验证1．2．1试验容器图2为应变强化试验容器结构示意图。该容器采用标准椭圆封头，强化过程中测量了S。、S：处的周长。试验容器的材料和设计参数

5、如下：材料$30408计算压力2．30MPa强化压力3．45MPa筒体内径1600mm筒体厚度8mm封头厚度8mm垫板厚度8ram1．2．2非线性分析及容积计算三维有限元数值分析可以准确地容器的应力分布，使应力的计算更为精确‘引，因此采用有限a．全局元软件ANSYS对上述试验容器的应变强化过程进行非线性分析。考虑到垫板对容积变化影响较小，故建模仅保留加强圈。依据容器的对称性，采用适于非线性计算的planel82单元建立1／2平面有限元模型(图3)。‘a0l】5．厂f)>_——。k。cJ夕’50一l—40nJI28877l一—一1027一25一——433———2053一

6、一433．—I———一b．封头局部图3容器有限元模型考虑到容器强化过程中常温蠕变的影响，有限元计算中采用常温慢速拉伸获得的材料真实应力一真实应变曲线(图4)。日山苫R氇趟(蜮真实应变图4材料真实应力一真实应变曲线图2试验容器结构示意图c．加强圈局部在筒体、封头的内表面和加强圈的外表面上均布压力载荷；在模型轴线上施加对称位移约束；为了限制模型的刚体位移，在容器中部施加轴向约束。分析过程中，考虑几何非线性，开启大变形效应，为保证收敛和计算精度，在塑性阶段采用了全牛顿法，并设置较多的子步。由于本例包含内件，故进行容器容积计算时需扣除内件体积"1。根据其密度、质量计算得出内件

7、体积K=0．0015m¨6

8、。经计算，强化前容器内壁面所包围的容积为Vo=5．2978m3，故强化前容器容积为y，=5．2978m3。类似可得各强化阶段容器容积(表1)。448化工机械2014焦表1试验容器各强化阶段容器容积由表1可知，以未强化阶段容器容积的计算值为基准，强化稳定阶段和卸压完成阶段的容器容积变化率分别为1．30％和0．96％。1．2．3计算精度验证由于容器的容积与其简体周长相关，且变形主要发生在筒体上，同时，笔者提出的方法其精度主要取决于有限元计算和后续的容积数值计算，故笔者并没有测量强化后容器的实际容积，而是以强化后筒体环向应变的模