（化工过程机械专业论文）应变强化技术在低温储罐轻型化设计中的应用.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t b 6 5 8 学科分类号 5 3 0 3 l 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 6 5 3 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名冯小松学号 2 0 0 9 0 0 0 6 5 3 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源其他项目研究方向压力容器分析设计 论文题目应变强化技术在低温储罐轻型化设计中的应用 关键词应变强化，轻型化设计，常规设计，分析设计，极限载荷分析 论文答辩日期 2 0 1 2 0 5 2 9论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 钱才富教授北京化工大学化工过程机械 评阅人1戴凌汉 高工 北京化工大学化工过程机械 评阅人2段成红副教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员厶捕蔡纪宁高工北京化工大学化工过程机械 全国锅炉压力容器 答辩委员1陈朝晖高工化工过程机械 标准化技术委员会 答辩委员2 何立东教授北京化工大学 化工过程机械 答辩委员3 范德顺 教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员4陈平副教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员5张秋翔高工北京化工大学化工过程机械 答辩委员6戴凌汉高工北京化工大学 化工过程机械 答辩委员7段成红副教授 北京化工大学化工过程机械 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b f r1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 应变强化技术在低温储罐轻型化设计中的应用 摘要 低温液化气体储罐在化工、冶金、医药、航空航天等行业中有着广泛 的应用。随着国内外经济的不断发展，液化气体的存储规模不断增加，低 温液化气体储罐越来越大型化，轻型化设计也越来越重要。本论文针对奥 氏体不锈钢应变强化性能及其在低温液化气体储罐轻型化设计中应用进 行研究，主要内容如下： ( 1 ) 总结了低温液化气体储罐应变强化工艺过程。包括无损检测要 求、水质要求、加压过程、周长测量、合格判断等。 ( 2 ) 进行了e n l 4 3 0 1 奥氏体不锈钢应变强化后的力学性能试验。首 先对试样进行6 的预应变强化处理，然后进行单轴拉伸试验，测定试样 强化后的力学性能r p o 2 、。试验结果为r p o 2 = 4 9 5 m p a ，r , , , = 6 8 0 m p a ， 强化后的们明显高于强化前的砩们，根据测定的强度值确定该材料的 设计应力强度为s ，= 2 6 1 m p a 。 ( 3 ) 利用应变强化前后的力学性能，选用常规设计、分析设计、极 限载荷分析对某低温液化气体储罐进行了应力分析和强度设计。对比发 现，考虑应变强化效应后，低温储罐内筒的壁厚显著减小，达到了轻型化 设计目的。 ( 4 ) 对奥氏体不锈钢制内简体与拉筋进行参数化建模，利用a n s y s t 北京化工火学硕士学位论文 软件中的优化模块进行优化，设计并改进了支腿与外简体的连接方式，提 高了支腿的极限承载能力。 关键词：应变强化，轻型化设计，常规设计，分析设计，极限载荷分析 a b s t r a c t a p p l i c a t i o no fs t r a i n s t r e n g t h e n i n g t e c h n o l o g yi nt h el i g h l l - w e i g h td e s i g n o fl i q u e f i e d - g a sc r y o g e n i ct a n k s a b s t r a c t l i q u e f i e d - g a sc r y o g e n i ct a n ki sw i d e l yu s e di nc h e m i c a l ，m e t a l l u r g y , m e d i c a l ，a e r o s t a t i c a li n d u s t r i e sa n dm a n yo t h e rf i e l d s w i t ht h e r a p i d d e v e l o p m e n t o ft h em o d e mi n d u s t r i e s ，m o r ea n dm o r e l i q u e f i e d g a s i s r e q u i r e da n da sar e s u l t ，l a r g e ra n dl a r g e rl i q u e f i e d g a sc r y o g e n i ct a n k sa r e n e e d e d al a r g et a n kc a l l sf o rl i g h t w e i g h td e s i g n i nt h i sp a p e r , m e c h a n i c a l b e h a v i o r so fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e la f t e rs t r a i n s t r e n g t h e n i n gw e r em e a s u r e d a n dt h ea p p l i c a t i o no f s t r a i n - s t r e n g t h e n i n gt e c h n i q u ei nt h el i g h t - - w e i g h td e s i g n o fl i q u e f i e d g a sc r y o g e n i ct a n k sw e r es t u d i e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea s f o l l o w s ( 1 ) t h ee n g i n e e r i n gt e c h n i q u e sf o rs t r a i n s t r e n g t h e n i n go f al i q u e f i e d - g a s c r y o g e n i ct a n ka r es u m m a r i z e dw h i c hi n c l u d er e q u i r e m e n t so fn o n - d e s t r u c t i v e t e s t s ，r e q u i r e m e n t so ft e s t i n gm e d i u m ，p r e s s u r i z i n gp r o c e s s ，m e a s u r e m e n to f c i r c u m f e r e n t i a ll e n g t ha n dq u a l i f i c a t i o nc r i t e r i a ，e t c ( 2 ) t e s t sf o rt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ee n1 4 301a u s t e n i t e s t a i n l e s ss t e e la f t e r s t r a i n s t r e n g t h e n i n g w e r ec a r r i e do u t f o r t h a t ， s t r e n g t h e n i n gt e s t su pt o6 s t r a i nw e r ec o n d u c t e df i r s ta n dt h e n ，n o r m a l i i i 北京化工大学硕士学位论文 u n i x i a lt e n s i l et e s t sw e r ep e r f o r m e dt om e a s u r et h e0 2p e r c e n t a g eo f f s e ty i e l d s t r e s s r p o 2 a n du l t i m a t es t r e n g t hr ma f t e rs t r e n g t h e n i n g r e s u l t ss h o wt h a t r p o 2i s4 9 5m p aa n dr mi s6 8 0m p a ，t h ef o r m e ri ss i g n i f i c a n t l yl a r g e rt h a n t h a tw i t h o u ts t r a i n - s t r e n g t h e n i n g w i t hm e a s u r e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h e d e s i g ns t r e s si n t e n s i t yo f t h em a t e r i a li se v a l u a t e dw h i c hi s2 61m p a ( 3 ) t h r e ed e s i g nm e t h o d s ，n a m e l yd e s i g nb yr u l e ，d e s i g nb ya n a l y s i sa n d e l a s t i c p l a s t i cl i m i tl o a da n a l y s i s ，w e r eu s e di nt h es t r e s sa n a l y s i sa n ds t r e n g t h d e s i g no fal i q u e f i e d g a sc r y o g e n i ct a n ku s i n ge n 1 4 301a u s t e n i t es t a i n l e s s s t e e lw i t ho rw i t h o u t s t r a i n s t r e n g t h e n i n g r e s u l t s i n d i c a t et h a tw i t h s t r a i n - s t r e n g t h e n i n g ，t h i c k n e s so ft h ei n n e rt a n ki sg r e a t l yr e d u c e da n dt h e w e i g h to fe q u i p m e n t i sr e m a r k a b l yd e c r e a s e d ( 4 ) ap a r a m e t r i c f i n i t e e l e m e n tm o d e lo ft h ei n n e rt a n kw i t ht h e c o n n e c t e ds t r i p sw a se s t a b l i s h e da n dt h es t r e n g t hw a so p t i m i z e du s i n ga n s y s o p t i m i z a t i o np r o c e d u r e s f u r t h e r m o r e ，t h ec o n n e c t i o nw a yo fl e g sw i t ht h e o u t e rt a n kw a sa l s oi m p r o v e ds oa st h el o a dc a r r y i n gc a p a c i t yo ft h el e g si s e n h a n c e d k e yw o r d s ：s t r a i n s t r e n g t h e n i n g ，l i g h t w e i g h td e s i g n ，d e s i g nb yr u l e ， d e s i g nb ya n a l y s i s ，l i m i tl o a da n a l y s i s i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源及研究的目的和意义1 1 2 低温储罐概述l 1 2 1 低温储罐介绍1 1 2 2 低温储罐的轻型化发展趋势4 1 2 3 应变强化技术介绍5 1 2 4 应变强化技术研究进展7 1 3 本论文研究内容9 第二章低温储罐应变强化工艺规程与试验研究1 1 2 1 低温储罐的技术资料1 1 2 1 1 结构简介与几何尺寸1 1 2 1 2 材料属性1 3 2 1 3 低温储罐强度校核的依据l3 2 1 4 材料的应力强度校核许用值1 5 2 1 5 低温储罐所受载荷工况介绍1 5 2 2 应变强化工艺规程15 2 2 1 应变强化的总则与基本要求1 5 2 2 2 应变强化的实施1 6 2 31 4 3 0 1 奥氏体不锈钢应变强化试验研究1 7 2 3 1 试验内容与目的l7 2 3 2 试验方法及步骤17 2 3 3 试验结果1 9 2 4 本章小结2 4 第三章低温储罐轻型化设计。2 5 3 1 低温储罐三种设计方法的介绍2 5 v 北京化工大学硕士学位论文 3 2 低温储罐的常规设计2 7 3 2 1 低温储罐外容器设计2 7 3 2 2 低温储罐内容器设计3 1 3 2 3 应变强化对低温储罐常规设计结果的影响3 6 3 3 低温储罐的应力分析3 6 3 3 1 有限元法及有限元软件3 6 3 3 2 低温储罐几何模型3 8 3 3 3 单元选择3 9 3 3 4 网格戈0 分4 0 3 3 5 载荷4 3 3 3 6 边界条件4 5 3 3 7 计算结果与强度校核4 5 3 4 低温储罐的极限载荷分析5 0 3 4 1 极限载荷分析的理论背景5 0 3 4 2 极限载荷分析过程5 1 3 4 3 极限载荷分析结果5 3 3 5 低温储罐三种设计方法的结果对比与分析5 7 3 6 本章小结5 8 第四章低温储罐局部结构的合理化设计5 9 4 1 概j 盔5 9 4 2 低温储罐内筒体与拉筋的合理化设计5 9 4 2 1 优化设计理论介绍5 9 4 2 2 内筒体与拉筋的优化设计6 1 4 3 低温储罐外筒体与支腿焊接方案的改进6 7 4 3 1 外筒体与支腿的两种焊接方案6 7 4 3 2 两种焊接方案的应力校核7 1 4 3 3 两种焊接方案的极限承载能力比较7 3 4 4 本章小结7 6 第五章结论与展望7 7 v l 目录 5 1 论文的主要结论7 7 5 2 对于本课题研究的展望7 7 参考文献7 9 致谢8 3 研究成果及发表的学术论文8 5 作者和导师简介8 7 北京化工大学硕士学位论文 v i l l c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r1o v e r v i e w 1 1 1o r i g i n a t i o n ，p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h es t u d y 1 1 2a b o u tl i q u e f i e d - g a sc r y o g e n i ct a n k 1 1 2 1i n t r o d u c t i o nt ol i q u e f i e d g a sc r y o g e n i ct a n k 1 1 2 2l i g h t w e i g h tat r e n di nt h ed e v e l o p m e n to f c r y o g e n i ct a n k 4 1 2 3i n t r o d u c t i o nt os t r a i n s t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g y 5 1 2 4p r o g r e s so f r e s e a r c ho ns t r a i n - s t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g y 7 1 3c o n t e n t so fs t u d y 9 c h a p t e r2t e c h n i q u eo fs t r a i n s t r e n g t h e n i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o ft h el i q u e f i e d - g a sc r y o g e n i ct a n k 1 1 2 1t e c h n i c a li n f o r m a t i o na n dd a t ao f t h el i q u e f i e d g a sc r y o g e n i ct a n k 11 2 1 1m a i ng e o m e t r yd i m e n s i o n 11 2 1 2m a t e r i a lp r o p e r t i e so f t h et a n k 1 3 2 1 3c r i t e r i af o rs t r e n g t hc h e c k 1 3 2 1 4d e s i g ns t r e s si n t e n s i t i e so f m a t e r i a l s 1 5 2 1 5l o a dc a s e so f t h el i q u e f i e d - g a sc r y o g e n i ct a n k 15 2 2t e c h n i c a ls c h e d u l eo fs t r a i n - s t r e n g t h e n i n g 15 2 2 1g e n e r a lp r o v i s i o n sa n de s s e n t i a lr e q u i r e m e n to fs t r a i n - s t r e n g t h e n i n g 15 2 2 2p r o c e s so fs t r a i n - s t r e n g t h e n i n g 16 2 3e x p e r i m e n t a ls t u d yo f1 4 3 0 1a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l 17 2 3 1e x p e r i m e n t a lc o n t e n ta n dp u r p o s e 1 7 2 3 2e x p e r i m e n t a lm e t h o da n ds t e p s 17 2 3 3e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 19 2 4s u m m a r y 2 4 c h a p t e r3l i g h t - w e i g h td e s i g no fl i q u e f i e d g a sc r y o g e n i ct a n k 2 5 3 1i n t r o d u c t i o nt ot h r e em e t h o d si nt h ed e s i g no f l i q u e f i e d g a sc r y o g e n i ct a n k 2 5 t x 北京化工大学硕士学位论文 3 2d e s i g nb yr u l e 2 7 3 2 1d e s i g no f e x t e r n a l j a c k e t 2 7 3 2 2d e s i g no f i n n e rt a n k 3 1 3 2 3t h ei n f l u e n c eo f s t r a i n - s t r e n g t h e n i n gt ot h er e s u l t so f d e s i g nb yr u l e 3 6 3 3s t r e s sa n a l y s i sf o rt h el i q u e f i e d - g a sc r y o g e n i ct a n k 3 6 3 3 1f e am e t h o da n df e as o f t w a r e 3 6 3 3 2g e o m e t r i c a lm o d e l 3 8 ：；：；3e l e m e n ts e l e c t i o n 3 9 3 3 4m e s h 4 0 ：；3 5l o a d s 4 3 ：；3 6b o u n d a r yc o n d i t i o n s 4 5 3 3 7r e s u l t sa n ds t r e n g t hc h e c k 4 5 3 4l i m i tl o a da n a l y s i sf o rt h el i q u e f i e d g a sc r y o g e n i ct a n k 5 0 3 4 1t h e o r e t i c a lb a c k g r o u n do f l i m i tl o a da n a l y s i s 5 0 3 4 2p r o c e d u r eo f l i m i tl o a da n a l y s i s 5 1 3 4 3r e s u l t so fl i m i tl o a da n a l y s i s 5 3 3 5c o m p a r i s o no f t h r e er e s u l t s 5 7 ：；6s u m m a r y 5 8 c h p t e r 4r e a s o n a b l ed e s i g nf o rl o c a ls t r u c t u r eo f l i q u e f i e d - g a sc r y o g e n i c t a n k ! ；9 4 1o v e r v i e w 5 9 4 2r e a s o n a b l ed e s i g nf o ri n n e rt a n ka n ds t r i p so fl i q u e f i e d g a sc r y o g e n i ct a n k 5 9 4 2 1i n t r o d u c t i o nt oo p t i m i z a t i o nd e s i g nt h e o r y 5 9 4 2 2o p t i m i z a t i o nd e s i g nf o ri n n e rt a n ka n ds t r i p s 6 1 4 3i m p r o v e m e n to f t h ew e l db e t w e e ne x t e r n a lj a c k e ta n dl e g s 6 7 4 3 1t w ow e l d i n gm e t h o d sf o re x t e r n a lj a c k e ta n dl e g s 6 7 4 3 2s t r e s sc h e c kf o rt w ow e l d i n gm e t h o d s 7 1 4 3 3c o m p a r i s o no f u l t i m a t el o a dc a r r y i n gc a p a c i t y 7 3 4 4s u m m a r y 7 6 x c o n t e n t s c h p t e r5c o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n s 7 7 5 1m a i nc o n c l u s i o n s 7 7 5 2s u g g e s t i o n s 7 7 r e f e r e n c e s 7 9 a c k n o w l e d g e n t s 。8 3 l i s to fp u b l i s 日e dp a p e r so rp a t e n t s 8 5 b i o g r a i h y 8 7 x l 北京化工大学硕士学位论文 符号说明 符号说明 钢材标准抗拉强度下限值，m p a 钢材标准抗拉强度下限值的安全系数 钢材标准常温屈服点，m p a 钢材标准常温屈服点的安全系数 钢材标准常温o 2 屈服强度，m p a 强化应力，m p a 设计压力，m p a 当量应力，m p a 等效密度，k g m 3 强化压力，m p a 内筒体外径，m l n 最高工作压力，m p a 夹套真空度，m p a 液柱高度，r l n l 计算压力，m p a 焊缝系数 安全系数 一次弯曲应力，m p a 一次局部薄膜应力，m p a 一次总体薄膜应力，m p a 二次应力，m p a 试验温度许用应力强度，m p a 设计温度许用应力强度，m p a 钢板负偏差，m l i l 腐蚀裕量，1 t i i l l 一次总体薄膜应力强度，m p a i i i m m 勋 k n s 肠 欺 耽 m m m 伊 母 只 r 只 q m m a q 0 北京化工大学硕士学位论文 s i l s i l i s ，矿 s y s ，。 p 2 口 p c p r o i o 2 0 3 s 1 2 ，& 3 ，岛i w t n t n f l j h 觚 暇 g - , 一次局部薄膜应力强度，m p a 一次薄膜( 总体或局部) 加一次弯曲应力强度，m p a 一次加二次应力强度，m p a 峰值应力强度，m p a 设计温度下材料的设计应力强度，m p a 两倍斜率法确定的极限载荷 零曲率法确定的极限载荷 双切线法确定的极限载荷 主应力，m p a 主应力差，m p a 容器总重，k g 内筒厚度，n l i n 内封头厚度，r a i n 拉筋厚度，1 t l i n 最大弯矩，n m 抗弯截面系数，m 3 截面关于x 轴的抗弯截面系数，m 3 截面关于y 轴的抗弯截面系数，m 3 x 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 本课题由国家高技术研究发展计划子课题资助( 课题编号：2 0 0 9 a a 0 4 4 8 0 2 0 1 ) 。 目的在于研究低温储罐制造中所使用的奥氏体不锈钢经应变强化后力学性能的变化， 研究应变强化技术在低温液化气体储罐轻型化设计中的应用，并对低温液化气体储罐 进行结构合理化设计。 1 2 低温储罐概述 1 2 1 低温储罐介绍 固定式压力容器安全技术监察规程t s gr 0 0 0 4 2 0 0 9 中列举了压力容器在生 产中的主要作用，即反应、换热、分离、储存等，表1 1 列出了压力容器的详细划 分。实际生产中经常需要储存某些工业介质( 气体、液体、液化气体等) ，此时便用 到了储存压力容器。在各种形式的储存压力容器中，储罐由于使用经验丰富而得到了 广泛的应用。在长期的工程使用中，储罐形成了各种各样的结构，常见的有卧式、立 式、球形等【2 j 。 表1 - 1 压力容器分类 t a b l e1 - 1t y p eo fp r e s s u r ev 豁s d s 类型代号用途举例 反应压力容器 r 完成介质的物理、化学反应反应器、反应釜、聚合釜、合成塔 换热压力容器 e 完成介质的热量交换热交换器、冷却器、冷凝器 完成介质的流体压力平衡缓冲分离器、过滤器、集油器、洗涤器、 分离压力容器 s 和气体净化分离吸收塔、干燥塔、除氧器、汽提塔 储存压力容器 c 储存盛装气体、液体、液化气体储罐、缓冲罐、消毒锅、蒸锅 低温液体拥有巨大的供需市场，这也带动了低温储罐的发展 3 - 5 1 。工业界在使用 各种低温气体【6 】的时候都需要有相应的储罐对其进行储存，以方便调用。表1 2 列出 了在1 个标准大气压下一些气体的液化温度，亦即沸剧7 1 。 北京化工大学硕士学位论文 表1 2 一个标准大气压下一些气体的沸点 t a b l e1 - 2b o i l i n gt e m p e r a t u r eo fs o m eg a sa t1a r m 产品名称沸点产品名称沸点产品名称沸点 液氨 3 3 5 液氩 1 8 6 液氦2 6 8 8 液氮1 9 5 8液氢一2 5 2 8液甲烷一1 6 3 液氧1 8 3液氟一1 8 7 液二氧化碳 7 8 5 低温储罐分为非真空绝热型与真空绝热型。后者的层壁间抽真空并填充绝热材料 【8 。表1 3 详细的阐述了低温储罐的划分与归类。 表1 3 低温储罐的分类 t a b l e1 - 3t y p eo fc r y o g e n i ct a n k 类型用途 非真空绝热型低温储罐大型的液氧、液氮和液化天然气的储罐 真空绝高真空绝热低温储罐液氧、液氮和液氩的贮运，也用于短期试验 热型低真空粉末( 或纤维) 绝热低温储罐较人量的液氧、液氮和液氢的贮运 温储罐 高真空多层绝热低温储罐 液氢和i 液氦的贮运，也可作为液氮的长期贮存 为了取得更大的规模效益，工业项目也越来越大型化。这一工业趋势使得大型低 温储罐应运而生。图1 1 描述了大型低温储罐的典型结构。 口固 口园 图1 - 1 大型储罐结构示意图 f i g 1 1l a r g es t o r a g et a n k 囝固蕊 旦互圆 圈国蕊 大型低温储罐的金属壳有单层、双层以及预应力混凝土等形式。另外也可以按照 防液堤的形式将大型低温储罐分成三种类型0 1 ，具体划分参见表1 4 。 2 第一章绪论 表1 - 4 大型低温储罐的分类 t a b l e1 - 4t y p eo fl a r g ec r y o g e n i ct a n k 类型 结构特点 单容式储罐单层或双层壳储罐，储罐四周设置较低的防液堤 内罐在正常操作条件下储存低温液体，外罐( 或外壳) 距内罐不超过6 m ，容 双容式储罐 纳内罐泄漏的低温液体，但不封闭挥发的蒸汽 全容式储罐外罐( 或外壳) 距内罐1 2 m ，可以同时容纳内罐泄漏的低温液体和挥发的蒸汽 钢制焊接双层低温储罐的罐顶有内拱顶以及悬吊顶两种形式。图1 2 与1 3 描述了 这两种结构的具体构成 1 1 】。 图1 - 2 内拱顶双层储罐 f i g 1 - 2d o u b l el a y e rt a n kw i t hv a u l t e dr o o f 图1 - 3 悬吊顶双层储罐 f i g 1 3d o u b l el a y e rt a n kw i t hs u s p e n s o r yr o o f 为了适应工农业生产的需要，大型低温储罐迅速发展的同时，也带动了中小型低 北京化工大学硕士学位论文 温储罐的研究与发展。该新兴储罐通常采用夹套抽真空加填充绝热粉末的方式实现保 温的功能。在操作过程中可以仅花费较低的费用就可以达到良好的绝热效果，但是受 到移动、运输等工况的限制，其成品尺寸较小。图1 4 描述了该类型低温储罐的结构 构成【13 1 。 图l - 4 中小型立式储罐结构示意图 f i g 1 4m e d i u m s m a l l s i z e dv e r t i c a ls t o r a g et a n k 1 2 2 低温储罐的轻型化发展趋势 2 1 世纪的中国成为新兴的世界工厂。作为支柱产业，机械制造业一直为我国的经 济增长做出巨大贡献，而压力容器产业是我国机械制造业的一个重要组成部分。 在国民经济稳步发展的大形势下，我国的压力容器行业提前实现了“十一五规划” 中提出的7 5 的经济增长速度。分析2 0 0 5 2 0 1 0 年压力容器行业的经济数据统计可 以发现，年平均市场需求量的增长率达到2 3 7 8 。仅2 0 0 7 年一年纳入统计计划的3 6 7 家压力容器生产企业总资产达到l8 7 6 9 亿元。 压力容器行业促进经济快速增长的同时也带来了重工业发展的通病资源的 浪费与能源的过度消耗。据统计，目前我国压力容器生产厂家已超过2 7 0 0 家，其规 模大小不一、生产能力不同导致行业的发展出现一些问题【l4 1 。这些问题集中体现在压 力容器的设计计算环节、机械加工环节以及金属材料利用等环节。其中金属材料利用 这一环节占据了很大的投资比重，欠成熟的材料技术带来了过度的能耗。为了响应国 家节能减排的政策，降低企业的资本投入，获得更大的投资回报率，轻型化成为了压 4 第一章绪论 力容器顺应时代的发展趋势【1 5 】。经过多年的研究与发展，可以通过不同的技术途径实 现压力容器的轻型化设计 16 | 。 回顾压力容器用钢的发展史，其强度不断提高。随着材料学的发展，具有更高强 度的复合材料应运而生，其已经应用在了压力容器的制造中。采用金属内胆或者塑料 内胆均可以不同程度的实现压力容器的轻型化。 随着压力容器用钢使用经验的积累以及无损检测技术的提高，可以适当的降低安 全系数，使设计过程更加合理。我国的压力容器标准文献 1 】中将规则设计的n 6 从3 降低到2 7 ，分析设计中将n 6 从2 6 降低到2 4 【l 6 | 。 目前一些国家已经采用k j d 代替n 2 作为奥氏体不锈钢的屈服强度，这样可以 提高许用应力1 2 0 o - - - 4 3 。但国内外的一些标准在低温容器设计中仍然采用材料的室 温性能，但实际上在低温环境下，奥氏体不锈钢的强度会提高，所以研究不锈钢的低 温特性对于轻型化设计具有非常重要的意义【1 7 ，l 引。 压力容器设计人员可以对压力容器的结构形式进行优化设计，以最优化理论为基 础，设定目标函数并确定强度、稳定性等约束限制条件，寻求最佳的设计方式【l9 1 。同 时，设计人员选择合适的设计方法也能实现轻型化的目的。采用分析设计的方法，对 危害程度不同的应力项选用不同的许用应力强度进行限制，可以使设计更加合理不至 于造成过于保守的设计。 1 2 3 应变强化技术介绍 奥氏体不锈钢广泛应用于低温储罐制造业，其抗拉强度高，但屈服强度较低。在 计算许用应力强度时，较低的屈服强度值会使计算结果偏低，造成过于保守的设计结 果。避免这一弊端的关键在于提高材料的许用应力强度，本质上即需要提高奥氏体不 锈钢材料的屈服强度吼，使材料的许用应力提耐2 0 1 。 国内外的压力容器生产厂家常用a v e s t a 模式及a r d e f o r m 模式对低温储罐进行强 化。两种强化模式均利用了材料的应变强化效应，具有相同的强化原理，不同的是前 者在常温下进行，而后者需要在液氮1 9 6 。c 的低温环境下进行。 工程领域实际应用的金属材料属于多晶体，由许多单