深冷疲勞試驗(yàn)裝置和應(yīng)變強(qiáng)化奧氏體不銹鋼疲勞特性研究.pdf

1、能源的儲(chǔ)運(yùn)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(zhǎng)，低溫液化儲(chǔ)運(yùn)已成為能源高效率儲(chǔ)運(yùn)的重要手段。以天然氣為例，液化天然氣(LNG)的儲(chǔ)運(yùn)已然成為天然氣的主要儲(chǔ)運(yùn)方式。深冷容器作為L(zhǎng)NG等低溫液化氣體的常用儲(chǔ)運(yùn)裝備，在醫(yī)療、化工機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用，在我國(guó)“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(biāo)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。
　　 奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)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(yùn)行能耗少等優(yōu)點(diǎn)，符合國(guó)家倡導(dǎo)的“低碳”、“綠色”、“輕量化”等發(fā)展理念。開(kāi)展奧氏體不銹鋼深冷容器的應(yīng)變強(qiáng)化適應(yīng)性研究，揭示應(yīng)變強(qiáng)化對(duì)深冷容器材料與構(gòu)件的強(qiáng)度、韌性、抗疲勞性的影響規(guī)律，對(duì)促進(jìn)應(yīng)變強(qiáng)化深冷儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的發(fā)展、實(shí)現(xiàn)安全與經(jīng)濟(jì)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(qiáng)化深冷容器尤其是移動(dòng)式容器的重要特性，是評(píng)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(qiáng)化深冷容器目前已被納入歐盟、澳大利亞、美國(guó)、ISO等多部標(biāo)準(zhǔn)以及中國(guó)的多部企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，然而這些標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有給出應(yīng)變強(qiáng)化深冷容器疲勞方面的具體設(shè)計(jì)。另一方面，深冷工況是應(yīng)變強(qiáng)化深冷容器的主要工作環(huán)境，而當(dāng)前的疲勞設(shè)計(jì)并沒(méi)有考慮深冷溫度對(duì)疲勞性能的影響。此外，研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外缺乏在深冷環(huán)境下檢測(cè)材料疲勞特性的手段，且國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有能夠?qū)崿F(xiàn)此功能的試驗(yàn)裝置。
　　 本文在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）重點(diǎn)項(xiàng)目“極端條件下

4、重大承壓設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與壽命預(yù)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)為2009AA044801）的支持下，針對(duì)目前最為缺乏的應(yīng)變強(qiáng)化深冷容器疲勞設(shè)計(jì)問(wèn)題，從研制搭建深冷疲勞試驗(yàn)裝置、研究應(yīng)變強(qiáng)化奧氏體不銹鋼室溫和深冷下的疲勞特性等方面開(kāi)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(guò)程的力學(xué)響應(yīng)，確定了深冷疲勞試驗(yàn)裝置的噸位、深冷溫度、應(yīng)變檢測(cè)等方面的關(guān)鍵參數(shù)。綜合考慮試驗(yàn)裝置加載系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)

5、檢測(cè)系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理，提出了恒溫功能和試驗(yàn)功能的集成方法。在此基礎(chǔ)上搭建了能實(shí)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(yàn)裝置，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其功能。對(duì)比分析橫梁位移控制和引伸計(jì)控制兩種試驗(yàn)速率控制方式的特性和差異，提出適用于深冷環(huán)境試驗(yàn)的數(shù)據(jù)檢測(cè)方法。
　　 (2)通過(guò)應(yīng)變強(qiáng)化奧氏體不銹鋼EN1.4301材料與容器的室溫疲勞試驗(yàn)研究，得到了應(yīng)變強(qiáng)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(qiáng)化對(duì)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(cuò)運(yùn)動(dòng)等宏微觀角度，討論了應(yīng)變強(qiáng)化對(duì)材料疲勞性能的增益機(jī)制。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得了應(yīng)變強(qiáng)化影響下的S-N曲線(xiàn)并分析了曲線(xiàn)的特征，將曲線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)中疲勞設(shè)計(jì)曲線(xiàn)對(duì)比，分析了現(xiàn)有S-N曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)變強(qiáng)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(yàn)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(qiáng)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