浅谈我国压力容器技术发展及其趋势（上）

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            浅谈我国压力容器技术发展及其趋势蒋小文 ， 杜侠鸣，齐一华(中国寰球工程有限公司北京分公司，中国.北京 100029)
摘要：压力容器是一个涉及多行业、多学科的综合性产品，其整个设计、制造和使用过程涉及冶金（材料）、结构设计、机械加工、焊接、热处理、无损检测、腐蚀与防护及安全防护等众多专业技术门类。近年来，随着我国炼油、石油化工及煤化工产业的高速发展，特别是我国“十三五”期间有序推进的七大炼化一体化石化产业基地的建设，给我国压力容器产业的发展提供了巨大机遇，使得我国压力容器行业得到了高质量的快速发展。在新形势下：如新冠疫情、大数据、云计算、人工智能等的快速发展和应用；新的时间节点：国家、行业、企业等正进行“十四五”规划的编制，作为压力容器行业的工程技术人员，个人一直在考虑未来我国压力容器技术会如何发展？压力容器技术如何与先进的如大数据、人工智能、信息技术深度融合？为此，本文从压力容器的标准体系、材料、设计技术以及制造检验技术等四个方面谈一些个人的想法和理解，以期引起行业内工程技术人员的共鸣、交流甚至讨论，从而为我国压力容器行业未来的高质量、可持续发展做点贡献。关键词：压力容器技术；设计；制造；发展趋势；人工智能
引言
压力容器广泛应用于石油、化工、轻工、医药、环保、冶金、食品、生物工程及国防等工业领域，是工艺流程中的关键设备。同时，压力容器种类多，操作条件复杂：有真空容器，也有高压、超高压容器和核能容器；温度也存在从低温到高温的较大范围；处理的介质大多具有腐蚀性，或易燃、易爆、有毒甚至剧毒。这些特点给压力容器从选材、设计、制造、检验到使用、维护管理等多方面造成了复杂性。可以说，压力容器的建造水平在某种程度上反映了一个国家的工业水平和技术发展水平。
近年来，随着我国炼油、石油化工及煤化工产业的高速发展，特别是我国“十三五”期间有序推进的七大世界级规模炼化一体化产业基地的建设，给我国压力容器产业的提供了巨大机遇；同时随着冶金、机械加工、焊接和无损检测等技术的不断进步，特别是以计算机技术为代表的信息技术的飞速发展，使得我国压力容器行业得到了高质量的快速发展。例如，世界最大单台重达3000吨的锻焊加氢反应器在我国完成建造；国内最大直径Ф8.8米EO反应器超大管板锻件在中国一重一次成功锻造；日处理3500吨粉煤气化炉及日处理4000吨级多喷嘴对置式水煤浆气化炉投料成功；筒体直径12米、长超过110米的全球最大常压塔出口尼日利亚等。可以预计，随着“中国制造2025”、制造强国、国家“一带一路”倡议的不断推进，石油化工等行业规划及相关产业政策的陆续出台，未来我国压力容器行业还将面临较好的发展机遇期。
然而，在新形势下，我国压力容器行业也面临转型升级、高质量、可持续发展的巨大挑战，主要基于以下几点考虑：
（1）大数据、云计算、人工智能等的快速发展和应用倒逼广大工程技术人员去思考传统的压力容器设计和制造如何与这些新技术融合发展；
（2）建设数字化工厂、从而最终实现智能化工厂的需求对压力容器的设计和建造提出了新的要求；
（3）越来越严格的节能环保要求（如习主席2020年9月22日在七十五届联合国大会一般性辩论中提到我国要在2060年实现碳中和）；
（4）目前行业较为普遍存在的不当竞争甚至恶意竞争给压力容器行业的降本增效、提高竞争力提出了新的要求；
（5）石油、化工等流程行业大型化后对于压力容器本质安全提出了新的要求；
（6）新冠疫情、逆全球化等新形势对压力容器行业的影响。
作为一名从事压力容器行业工作的工程技术人员，有责任也有义务去思考未来我国压力容器技术会如何发展？压力容器技术如何与先进的如大数据、人工智能、信息技术深度融合？同时，在工作中能够主动作为，勇于创新，为我国压力容器行业未来的发展贡献力量。为此，本文从我国压力容器的标准体系、材料、设计技术以及制造检验技术等四个方面谈一些个人的想法和理解。
1.我国压力容器标准体系的发展趋势
经过我国压力容器标准化工作者几十年的努力，我国已经形成了以GB/T150《压力容器》为核心的一系列产品标准、通用基础标准和零部件标准，以此建构了我国承压设备标准体系的基本框架。国家压力容器安全监察机构依据压力容器安全监察法律、法规，并根据压力容器标准所提出的相关技术要求，监督和控制压力容器产品的设计、制造、检验和使用等各个环节，以保障其产品质量及使用安全。为此，我国压力容器标准与安全监察法规同步实施，二者相辅相成，构成了我国完整的压力容器产品质量标准体系和压力容器安全监察法规体系[1]。
我国的压力容器标准在技术内容上既参照了国外先进国家标准的相应要求，也考虑了国内压力容器行业各生产环节的现状，基本上能够满足全行业的需要，为提高压力容器相关企业的技术水平和管理水平做出了贡献。在看到成绩的同时，我们也应清醒地认识到我国压力容器标准体系与世界主要发达国家或经济体之间还存在一定的差距，主要表现在以下几个方面：
（1）由于一些历史的原因，我国压力容器标准还很难被世界上绝大多数国家认可；
（2）我国的压力容器标准技术内容总体上还未全面实现自主可控，与世界主要发达国家的压力容器标准技术内容相比，还处于“跟随”、“并跑”阶段。而目前世界主要发达国家都将争夺标准的主导权作为争夺市场的主要目标（例如欧洲和美国的争夺），这给我国压力容器标准带来巨大挑战；
（3）我国压力容器标准的基础技术研究长期以来开展不够，起点低、空白多。例如，一些压力容器用材料配套标准缺失；材料的一些性能参数如高温性能参数，一些材料的外压应力曲线缺失等；
（4）我国压力容器标准的制修订管理体制效率低下，不能及时体现行业的技术进步。例如我国的压力容器产品标准的修订周期超过五年，而ASME自2013年后，每两年修订一次，每年还有一次补遗。
因此，建议未来我国压力容器标准体系应从以下几个方面开展工作，以实现我国压力容器标准的自主可控及与国际标准的相容和互认。
（1）继续深化标准化工作改革，探索新型的标准制修订流程与管理体制。例如建立压力容器核心、关键标准由政府主导制定，其余标准由市场自主制定的管理体制，从而实现标准的协同发展、协调配套使用。同时，全行业应对先进的团体标准，企业标准更多的接纳和宽容，同时在在工程建设中予以采用和实施，从而能够将压力容器行业和相关行业的新技术、新工艺及时地体现到压力容器产品的建造过程中；
（2）继续集全行业的力量，对我国压力容器标准的技术内容与国际先进标准进行对比分析，并进行切实有效的基础性研究、创新与改进，以实现我国压力容器标准的国际化：一方面需要我国压力容器标准的技术内容与国际标准具有相容性，另一方面能够实现与国际标准的互认。目前，我国压力容器已有3个牌号材料获得了ASME BPVC II的认可[2]，同时也有三个ASME的材料牌号被我国GB/T150认可。未来应有更多牌号的压力容器用材得到ASME标准和中国标准的互认；
（3）在政府、行业等的共同努力下，通过国内企业在海外工程建设项目的投资和建设以及工程公司承接国际项目，增强境外EPC工程项目业主采用中国压力容器标准的信心，并能实现越来越多的国际项目采用中国压力容器标准。
2.压力容器材料的发展趋势
随着石油化工装置大型化的发展，压力容器产品大型化、高参数化的趋势日益明显，压力容器用材料成为制约压力容器行业发展的重要因素，因此研制和开发更高性能的材料并将其应用于压力容器产品，成为压力容器行业未来面临的重大课题。近些年来，我国在压力容器用材料方面也取得了巨大的进展，例如我国已经实现了600Mpa级低温球罐用钢板及配套锻件的国产化开发及工程应用、实现了更高强度的加钒Cr-Mo钢的开发及在加氢反应器上的工程应用等[3]。笔者认为未来压力容器用材料将朝着以下几个方向发展：
（1）随着冶炼水平以及装备的提高，材料的杂质如S、P含量进一步降低，从而获得材料的强度、韧性、焊接性能等更好的材料；
（2）设备大型化的需求促使更高强度（例如σb ≥800Mpa）的材料的开发和应用，使得更大容积的球罐或大型储罐的建造成为可能。据报道，我国在2019年成功研制出了抗拉强度达到950，屈服强度高达874—895的7Y69铝合金，使得我国的铝合金材料成为了世界上抗拉强度最高的铝合金；
（3）开发综合性能如防腐蚀、强度、热传导等综合性能优良的复合材料，以满足越来越苛刻的介质腐蚀环境及装置节能降耗的需求，例如多层金属复合板在压力容器上应用的尝试和工程应用；
（4）新型的压力容器材料制造、成形方法的开发和工程应用：例如热等静压粉末冶金技术用于压力容器承压零部件的制造；超大型锻件整体成形技术。据最新的研究报道，中国科学院金属研究所孙月明团队开发的分层多列堆垛金属构筑成形技术[4]实现了世界上直径最大、重量最大的整锻式不锈钢环形件的制造，如图1所示。该环形锻件直径达15.6米，重达150吨，用于国第四代核电机组核心部件的支承环。此项技术解决了超大型锻件易导致偏析、缩孔与疏松等的国际性难题。



图1：15.6米直径整锻式不锈钢环形件
    （5）用于3D打印的金属材料的不断开发并在压力容器行业得到应用。目前，可以用于打印的材料种类在不断增多，从常规使用最多的不锈钢、TC4、AlSi10Mg、钴铬合金，到纯钛、纯钽、高强铝合金等。
3. 压力容器设计技术的发展趋势
压力容器设计是设备工程师依据工艺专业的功能、结构等的需求，按法律法规及相应产品规范实现压力容器制造图纸的过程，是整个压力容器产业链中极为关键的一环。压力容器设计的水平和能力是压力容器行业创新能力和竞争力的决定性因素之一。
决定压力容器设计质量、设计效率的两个关键性因素为设计方法的选择和设计手段的选择，本文以下拟从这两个方便谈谈其未来的发展。
3.1 压力容器设计方法的发展趋势
压力容器的设计首先应确定其在介质及承受的载荷作用下的失效模式（如强度失效、刚度失效、失稳失效等），根据失效模式确定相应的失效准则（如弹性失效准则、塑性失效准则等），再考虑压力容器在材料、设计、制造检验等方面的不确定因素后，工程上通过引入安全系数，从而得到与失效准则相对应的设计准则。基于设计准则，在大量的工程实验和理论推导基础上，同时依据大量的工程实践结论，经过一定的合理简化、归纳和总结而提炼出的一套用于压力容器工程设计的方法则称为压力容器设计方法。目前我国压力容器设计方法分为规则设计方法（也叫常规设计方法）和分析设计方法，如下表所示。
表1  压力容器设计方法
GB/T150、GB/T151、GB/T12337NB/T47041、NB/T47042等JB 4732失效准则弹性失效准则、失稳失效准则弹塑性失效准则、塑性失效准则、失稳失效准则、疲劳失效准则设计准则弹性失效设计准则塑性失效设计准则、弹塑性失效设计准则、   疲劳失效设计准则设计方法规则设计方法分析设计方法

由上表可知，我国绝大部分的压力容器产品标准采用了传统的规则设计方法，然而随着计算机软硬件技术的极大发展，随着高参数压力容器对于安全、轻量化的迫切需求，压力容器传统的规则设计方法将慢慢不能满足要求，因此，笔者认为未来压力容器的设计方法在满足设计效率、结构安全及设备经济性和谐统一方面，将在以下几个方面将得到发展和应用。
（1）基于压力容器的塑性失效模式或弹塑性失效模式等，依靠高效而可靠的应力分析，得到结构详细的应力分布并进行分类，将应力控制在按“极限载荷”或“安定”性载荷确定的许用值范围内的应力分析设计方法在工程设计中越来越被接受和普遍采用，实际上ASME VIII-2019的发布实施，也体现了ASME对于将来逐步将分析设计作为压力容器产品设计主要方法的一些考量。
（2）进入蠕变温度范围内的高温压力容器设计准则得到进一步的研究和发展，甚至用于工程设计。目前GB/T150中对于高温压力容器采用了由材料的持久限决定的许用应力来进行设计。虽然GB/T150.1表1注3明确指出设计时需要“根据设计使用年限选用 1.0×10^5，1.5×10^5 、2.0×10^5 h等持久强度极限值”，但由于目前标准中只有材料 1.0×10^5h（大约为12.5年）的持久极限值，因此对于高温压力容器（大部分为反应器等）设计寿命超过12.5年时，其许用应力不足以体现实际的设计寿命，或者说按照实际的设计寿命（如20年或30年），用于高温压力容器设计的许用应力将无法确定。为此，应进一步地深入研究高温压力容器的失效模式及失效准则，以解决目前规范中存在以上不足。
（3）随着石油化工装置的大型化，例如150万吨/年，甚至180万吨/年大型乙烯装置的建设，设备更趋于大型化（如设备高度超过120米），现行常用的抗风、抗震设计方法可能不再适合于这些大型设备，需采用更为先进、精确的设计方法，GB/T50761-2018《石油化工钢制设备抗震设计标准》中首次提到了对于大型塔器设备采用时程分析法进行抗震设计的要求。
《未完待续》
联系人：蒋小文作者简介：蒋小文（1978.10），男（汉族），江西吉安人。2004年毕业于南京工业大学化工过程机械专业，工学硕士。设备高级工程师，主要从事石油化工设备设计、管理及相关技术工作。电话：（010）58676049，E-mail:jiangxiaowen-hqc@cnpc.com.cn。







         

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