深冷疲勞試驗裝置和應(yīng)變強化奧氏體不銹鋼疲勞特性研究.pdf

1、能源的儲運是全球能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)，隨著低溫技術(shù)的發(fā)展和能源需求的不斷增長，低溫液化儲運已成為能源高效率儲運的重要手段。以天然氣為例，液化天然氣(LNG)的儲運已然成為天然氣的主要儲運方式。深冷容器作為LNG等低溫液化氣體的常用儲運裝備，在醫(yī)療、化工機械、航空航天等領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用，在我國“十二五”期間能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和節(jié)能減排等戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)過程中發(fā)揮著重要作用。
　　 奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化深冷容器具有重量輕（其內(nèi)容器在同

2、等壓力參數(shù)下比常規(guī)內(nèi)容器輕30～50％）、容重比高、制造運行能耗少等優(yōu)點，符合國家倡導(dǎo)的“低碳”、“綠色”、“輕量化”等發(fā)展理念。開展奧氏體不銹鋼深冷容器的應(yīng)變強化適應(yīng)性研究，揭示應(yīng)變強化對深冷容器材料與構(gòu)件的強度、韌性、抗疲勞性的影響規(guī)律，對促進應(yīng)變強化深冷儲運設(shè)備的發(fā)展、實現(xiàn)安全與經(jīng)濟并重、安全與資源節(jié)約并重具有重要意義。
　　 疲勞特性是應(yīng)變強化深冷容器尤其是移動式容器的重要特性，是評估分析深冷容器全壽命周期安全性的重要依

3、據(jù)。應(yīng)變強化深冷容器目前已被納入歐盟、澳大利亞、美國、ISO等多部標準以及中國的多部企業(yè)標準中，然而這些標準并沒有給出應(yīng)變強化深冷容器疲勞方面的具體設(shè)計。另一方面，深冷工況是應(yīng)變強化深冷容器的主要工作環(huán)境，而當前的疲勞設(shè)計并沒有考慮深冷溫度對疲勞性能的影響。此外，研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外缺乏在深冷環(huán)境下檢測材料疲勞特性的手段，且國內(nèi)目前還沒有能夠?qū)崿F(xiàn)此功能的試驗裝置。
　　 本文在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）重點項目“極端條件下

4、重大承壓設(shè)備風(fēng)險評價與壽命預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)研究”（項目編號為2009AA044801）的支持下，針對目前最為缺乏的應(yīng)變強化深冷容器疲勞設(shè)計問題，從研制搭建深冷疲勞試驗裝置、研究應(yīng)變強化奧氏體不銹鋼室溫和深冷下的疲勞特性等方面開展研究，主要完成的工作如下:
　　 (1)基于奧氏體不銹鋼深冷環(huán)境下拉伸和疲勞過程的力學(xué)響應(yīng)，確定了深冷疲勞試驗裝置的噸位、深冷溫度、應(yīng)變檢測等方面的關(guān)鍵參數(shù)。綜合考慮試驗裝置加載系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)

5、檢測系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與運行原理，提出了恒溫功能和試驗功能的集成方法。在此基礎(chǔ)上搭建了能實現(xiàn)室溫至-196℃溫度下材料拉伸和疲勞功能的深冷疲勞試驗裝置，并通過試驗驗證了其功能。對比分析橫梁位移控制和引伸計控制兩種試驗速率控制方式的特性和差異，提出適用于深冷環(huán)境試驗的數(shù)據(jù)檢測方法。
　　 (2)通過應(yīng)變強化奧氏體不銹鋼EN1.4301材料與容器的室溫疲勞試驗研究，得到了應(yīng)變強化前后材料疲勞應(yīng)力響應(yīng)、循環(huán)本構(gòu)關(guān)系以及應(yīng)變-壽命關(guān)系

6、的變化規(guī)律，分析了強化對材料和容器疲勞壽命的增益作用?；诓牧狭W(xué)特性、組織相交行為以及位錯運動等宏微觀角度，討論了應(yīng)變強化對材料疲勞性能的增益機制?；谠囼灁?shù)據(jù)獲得了應(yīng)變強化影響下的S-N曲線并分析了曲線的特征，將曲線與標準中疲勞設(shè)計曲線對比，分析了現(xiàn)有S-N曲線對應(yīng)變強化容器的適用性。
　　 (3)基于室溫和液氮溫度下奧氏體不銹鋼試驗數(shù)據(jù)，得到了奧氏體不銹鋼拉伸和疲勞性能在應(yīng)交強化和液氮環(huán)境作用下的力學(xué)性能響應(yīng)規(guī)律。在本文試