朱國(guó)輝

(浙江大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械研究所，浙江杭州 310027)

1 “多功能復(fù)合殼”創(chuàng)新技術(shù)的意義

各種重大承壓容器設(shè)備與大型管道，是關(guān)系國(guó)計(jì)民生與國(guó)防軍工的一種特殊工程裝備，壓力容器殼壁構(gòu)造的科學(xué)合理性，本質(zhì)上就決定了其制造是否簡(jiǎn)便高效經(jīng)濟(jì)和使用是否安全可靠。這些工程承壓裝備的“殼”，看似簡(jiǎn)單，實(shí)則相當(dāng)復(fù)雜特殊，制造相當(dāng)困難，又總是潛在可能突然斷裂破壞危險(xiǎn)的一種重要裝備。

人類(lèi)在過(guò)去的20世紀(jì)百年間創(chuàng)造了各種單層式和帶深厚焊縫結(jié)構(gòu)的殼壁，主要有厚鋼板彎卷焊接、厚筒節(jié)鍛造環(huán)縫焊接、多層包扎厚筒環(huán)焊、厚內(nèi)筒鋼帶纏繞、纖維纏繞及大型球瓣現(xiàn)場(chǎng)組焊等諸多重要的壓力容器殼壁構(gòu)造技術(shù)，推動(dòng)了世界重大承壓工程裝備的科技進(jìn)步與應(yīng)用。但其“殼壁”主要只具“承壓”功能作用，使用中往往可能突然發(fā)生斷裂破壞，且制造相當(dāng)困難，工效低下，成本高昂。

以筆者為主發(fā)明的“多功能復(fù)合殼”，具有同樣的“承壓”強(qiáng)度功能，而制造卻相當(dāng)簡(jiǎn)便高效經(jīng)濟(jì)，制造工效提高一倍，原材料最為簡(jiǎn)單，利用率提高達(dá) 25%，能耗節(jié)省 80%，成本降低可達(dá)50%，容器大小、長(zhǎng)短、厚薄制造不受限制，且能“分散缺陷”、“止裂抗爆”、容器設(shè)備和壓力管道的定期安全普檢可在工作狀態(tài)下進(jìn)行而不必停產(chǎn)卸壓，并可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可靠的“在線(xiàn)安全狀態(tài)計(jì)算機(jī)集中自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警”，在設(shè)計(jì)內(nèi)壓條件下，操作使用安全可靠。顯然，“多功能復(fù)合殼”創(chuàng)新技術(shù)，對(duì)國(guó)際壓力容器重大工程裝備的科學(xué)發(fā)展具有重要的影響。

2 當(dāng)代國(guó)際鋼制壓力容器工程裝備安全和制造科技基本現(xiàn)狀——存在的困難和問(wèn)題

(1)其“殼”的作用功能理念，主要就局限于滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。從最初只起最基本強(qiáng)度功能作用的整體鑄造和小型容器裝備整體鍛造技術(shù)開(kāi)始，雖然先后發(fā)明了多種較為先進(jìn)的構(gòu)造技術(shù)，但至今仍以“單層殼壁”和“貫穿焊縫”為其最基本、也是最主要的構(gòu)造技術(shù)特征，如圖1～3所示。

圖1 現(xiàn)有核堆壓力殼等用“筒節(jié)鍛焊”和“厚板卷焊”等單層厚壁壓力容器結(jié)構(gòu)特征

圖2 現(xiàn)有“多層包扎”與“熱套”等多層厚壁壓力容器結(jié)構(gòu)特征

圖3 現(xiàn)有“厚內(nèi)筒繞絲”、“軸向承力框架”、“復(fù)雜型槽繞帶”、“螺旋繞板”等纏繞式壓力容器結(jié)構(gòu)特征

(2)其制造技術(shù)自然存在如下本質(zhì)性的困難和問(wèn)題:1)原材料特殊，需特厚特長(zhǎng)鋼板(厚達(dá)350 mm)，或大型筒形鍛件(重達(dá)300 t)，或軋制非常困難的復(fù)雜型槽鋼帶，或特長(zhǎng)特厚的優(yōu)質(zhì)鋼板等;2)需要特殊龐大的大型彎卷設(shè)備(主軋輥直徑超1.3 m)，或大型鍛造成型裝備(鍛壓機(jī)鍛壓能力超1.2萬(wàn)噸);3)大厚鋼板在彎卷過(guò)程很可能發(fā)生的錯(cuò)邊，其糾錯(cuò)往往就相當(dāng)困難。而厚筒鍛件即使能順利完成鍛造，其鍛后的機(jī)械加工與厚筒節(jié)的熱處理等都極其困難;4)厚焊縫的焊接與檢測(cè)及其焊后的容器整體熱處理等制造技術(shù)相當(dāng)困難(尤其帶多條深厚環(huán)焊縫的重型長(zhǎng)大厚壁裝備);5)制造工效低下，制造成本高昂等。盡管?chē)?guó)際上不少?lài)?guó)家已擁有鍛壓和彎卷等重型制造裝備及與其相應(yīng)的特厚鋼板和大厚筒鍛件等的供應(yīng)，但其制造技術(shù)的困難特性幾乎并未因此而有本質(zhì)性改變。

(3)安全保障技術(shù)方面:1)單層殼壁大型壓力球罐、高壓高溫厚壁特殊裝備等，在役定期停產(chǎn)安全檢測(cè)非常困難，檢查間隔周期短，不經(jīng)濟(jì);2)難以避免的腐蝕、疲勞等諸多復(fù)雜因素，單層薄或厚的殼壁，尤其焊縫部位容易引發(fā)裂紋嚴(yán)重?cái)U(kuò)展而突然斷裂爆破的災(zāi)難事故;3)單層結(jié)構(gòu)和帶貫穿焊縫的厚或薄的殼壁，都難以實(shí)施在線(xiàn)安全狀態(tài)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控的安全保障技術(shù)等。國(guó)際上為此也相應(yīng)開(kāi)展了斷裂、疲勞與可靠性分析，以及以容器殼壁裂紋發(fā)生擴(kuò)展而發(fā)出報(bào)警的以“多通道聲發(fā)射技術(shù)”為代表的“在線(xiàn)安全狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)”，并相應(yīng)涌現(xiàn)了不少價(jià)格高昂的安全保障技術(shù)設(shè)備。然其“單層化”殼壁本質(zhì)上并不可靠的安全特性也并未得到多大改變。

為解決這些困難和問(wèn)題，國(guó)際上又相繼發(fā)明了“筒節(jié)薄板包扎深厚環(huán)焊縫焊接”、“筒節(jié)多層熱套環(huán)焊縫焊接”、“半厚整體內(nèi)筒熱套外半層的雙層熱套”、“雙面復(fù)雜型槽繞帶”、“薄板整體多層包扎”以及“寬板整體螺旋纏繞”等多種多層構(gòu)造技術(shù)。但這些高科技與新發(fā)明均又被“深厚焊縫”或眾多的“板間焊縫”或“型槽扣合單向纏繞”以及在役難以檢測(cè)的多層“板間焊縫”和“整體機(jī)械加工與套合”、“繞板端部貼合狀態(tài)”等不良的構(gòu)造技術(shù)削弱了，仍然存在各種“裂縫擴(kuò)展”而可能引發(fā)突然斷裂破壞的危險(xiǎn)，且都難以實(shí)施簡(jiǎn)便可靠的“不停產(chǎn)定期安全檢測(cè)”和“在線(xiàn)安全狀態(tài)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控”。

為保障各種壓力容器工程裝備的安全使用，世界各國(guó)從設(shè)計(jì)、制造，到在役使用過(guò)程中的多次定期停產(chǎn)安全檢測(cè)等，都得付出巨大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，而殼壁構(gòu)造技術(shù)并不合理的本質(zhì)問(wèn)題并未得到真正解決，不僅制造科技依然困難，工效低下，成本高昂，各種安全破壞事故的危險(xiǎn)性也依舊存在。

3 “多功能復(fù)合殼”創(chuàng)新技術(shù)將為四種重大鋼制承壓工程裝備的安全性和制造技術(shù)帶來(lái)變革

圖4 扁平鋼帶傾角錯(cuò)繞高壓容器結(jié)構(gòu)原理

圖5 新型薄內(nèi)筒U型鋼帶交錯(cuò)纏繞高壓容器結(jié)構(gòu)原理

(1)筆者從1964年真正否定自已于1958年提出制造工效極高的“大厚高壓圓筒電渣連續(xù)鑄鋼新技術(shù)”至今，逐步形成了四種“多功能復(fù)合殼”創(chuàng)新技術(shù)(已含20項(xiàng)中國(guó)科學(xué)發(fā)明獎(jiǎng)勵(lì)和專(zhuān)門(mén)技術(shù)，如圖4～7所示)。

圖6 雙層結(jié)構(gòu)中、低壓壓力容器設(shè)備結(jié)構(gòu)原理

圖7 U型繞帶中、低壓壓力容器儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)原理

1)扁平或?qū)ΨQ(chēng)單U槽鋼帶薄內(nèi)筒交錯(cuò)纏繞式高壓厚壁容器工程裝備:包括各種大型和超大型化工與石油化工生產(chǎn)的高壓工程裝備和核堆壓力殼等;

2)扁平或?qū)ΨQ(chēng)單U槽鋼帶薄內(nèi)筒交錯(cuò)纏繞式筒形中、低壓承壓工程貯罐裝備:包括多種介質(zhì)和壓力的大型及超大型現(xiàn)場(chǎng)組焊承壓貯罐工程裝備等;

3)雙層螺旋或直縫焊管油、液、氣長(zhǎng)輸管道:包括各種油、液、氣介質(zhì)和內(nèi)壓的重要設(shè)備間的連接管道，尤其各種大型油、氣長(zhǎng)輸管道等;

4)雙層螺旋或直縫焊接，或雙層薄板快速機(jī)械自動(dòng)化包扎大型容器設(shè)備或雙層小型定型無(wú)縫鋼管快速套合的重要中、低壓容器設(shè)備:包括處理多種有嚴(yán)重腐蝕、毒害、燃燒、爆炸危害，又往往難以防患與檢測(cè)且后果又將特別嚴(yán)重的各種中、低壓乃至較高壓力的容器與貯罐裝備等。

(2)“多功能復(fù)合殼”創(chuàng)新技術(shù)的主要?jiǎng)?chuàng)新思維要點(diǎn)。

1)一個(gè)根本變革理念——?dú)け凇岸鄬踊薄?/p>

變革“一次成型”的各種“單層”帶貫穿焊縫，尤其大厚筒節(jié)鋼板或重型筒節(jié)鍛件和帶貫穿深厚焊縫或眾多層板間焊縫的各種單層和多層式壓力容器殼壁，應(yīng)主要采用由“薄窄截面”鋼材為主要原材料，“逐層構(gòu)造”外一層的真正“多層化”的各種重要、尤其具有較大厚度的各種壓力容器殼壁。

2)3個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)造性思維——承受容器巨大軸向作用力(通?？蛇_(dá)萬(wàn)噸級(jí))。

①采用最簡(jiǎn)單的扁平鋼帶大傾角(α≈20°～25°)交錯(cuò)纏繞技術(shù);

②對(duì)稱(chēng)單U型鋼帶每?jī)蓪酉嗷タ酆辖诲e(cuò)連續(xù)纏繞技術(shù);

③外半層分片卡環(huán)分散連接多種技術(shù)構(gòu)造的雙層筒節(jié)段間環(huán)焊縫技術(shù)(配備筒節(jié)端部外層殼壁厚度定距鋸割技術(shù))。

3)三種類(lèi)型薄內(nèi)筒重要應(yīng)用擴(kuò)展技術(shù)。

①單層或雙層普通要求的薄內(nèi)筒(通常為占?xì)け诳偤?0%)鋼帶交錯(cuò)纏繞技術(shù);

②特殊耐腐薄鋼板作內(nèi)筒最內(nèi)層的多層包扎組合薄內(nèi)筒，如高壓尿素合成塔(占?xì)け诳偤?0% ～25%)鋼帶交錯(cuò)纏繞技術(shù);

③抗高溫失穩(wěn)、耐腐蝕輻射較厚(～40 mm)最內(nèi)層內(nèi)壁堆焊的多層組合薄內(nèi)筒(占總厚20%～30%)鋼帶交錯(cuò)纏繞技術(shù) (作高壓、高溫石油加氫裝置和核堆壓力殼等特殊工程裝置)。

(3)一臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化鋼帶交錯(cuò)纏繞簡(jiǎn)易高效關(guān)鍵裝置，根本變革大型高壓厚壁壓力容器的制造技術(shù)，已獲中國(guó)和美國(guó)專(zhuān)利，并已有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。附設(shè)鋼帶起吊、預(yù)彎、切割、壓緊、焊接、打磨、檢測(cè)、鋼帶預(yù)拉力調(diào)節(jié)與帶間間距自動(dòng)控制等多種微小型工具，及容器裝卸、運(yùn)送多臺(tái)平板托車(chē)與地軌等簡(jiǎn)易承載移運(yùn)設(shè)施，用以避免特重型起重天車(chē)和高大廠(chǎng)房建筑(工地現(xiàn)場(chǎng)亦可制造)。扁平繞帶，尤其U型鋼帶連續(xù)纏繞的工效很高，相同規(guī)模容器單層式大型鋼板筒節(jié)或鍛造厚筒節(jié)，及其他大型如三層熱套筒節(jié)的制造過(guò)程(這些都不可能在現(xiàn)場(chǎng)制造)，其在車(chē)間天車(chē)上來(lái)回起吊、運(yùn)送、裝卸等輔助工時(shí)的總和，已足可用來(lái)完成整體內(nèi)筒制造安裝后的全部鋼帶繞層的纏繞制造，制造工效可提高1～3倍。容器越長(zhǎng)、越大、越厚，效果越好，圖8示出正在繞制的 DP13.4 MPa、ID1000 mm、長(zhǎng)約22 m的甲醇合成高壓容器及繞帶裝置。

圖8 一臺(tái)可繞制內(nèi)直徑2 m、長(zhǎng)度30 m、總壁厚200 m的簡(jiǎn)易中型繞帶裝置

(4)兩種功能特性截然不同的“殼”的構(gòu)造技術(shù)對(duì)比。

兩種結(jié)構(gòu)功能特性截然不同的“殼”技術(shù)導(dǎo)致了在應(yīng)用中不同的安全性能。

1)以筆者為首創(chuàng)導(dǎo)的“多層化”逐層“復(fù)合”“焊縫分散”的“多功能復(fù)合殼”(見(jiàn)圖9，對(duì)鋼帶實(shí)施適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力纏繞，必要時(shí)容器可實(shí)施超應(yīng)變處理)有以下特性:

①40～400 mm薄內(nèi)筒扁平或單U槽鋼帶交錯(cuò)纏繞殼壁，制造簡(jiǎn)化，工效很高，成本很低;

②2～40 mm雙層螺旋或直縫焊管或板容器設(shè)備和長(zhǎng)輸管道，工效和成本基本相同，殼壁能“層間止裂抗爆”;

③較薄內(nèi)筒單U槽鋼帶交錯(cuò)纏繞大型、超大型壓力貯罐殼壁，成型簡(jiǎn)化，成本降低30%上，能“層間止裂”;

④所有繞帶殼壁和雙層殼壁，具有“抑爆抗爆”特性，有“靈性”，可自動(dòng)收集泄漏介質(zhì)和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可靠的在線(xiàn)安全狀態(tài)定期不停產(chǎn)卸壓普檢和自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控，顯著降低在役停產(chǎn)安全檢測(cè)維護(hù)成本(降低50%以上);

⑤較厚第一層組合薄內(nèi)筒鋼帶交錯(cuò)纏繞殼壁，具有抗高溫失穩(wěn)、耐腐蝕、抗輻射和自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警等特性，適用于各種高壓、高溫及帶強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等特殊昂貴的大型工程裝備。

圖9 “多層化”逐層“復(fù)合”“焊縫分散”的“多功能復(fù)合殼”結(jié)構(gòu)示意

2)由ASME BPV Code主導(dǎo)的單層厚壁薄壁和帶貫穿焊縫的“單層化殼”有以下特性:

①40～400 mm厚鋼板彎卷或厚筒鍛造異常困難，裝備龐大，工效低，成本高昂，易形成裂紋等各種缺陷;

②2～40 mm單層帶貫穿焊縫等容器設(shè)備和管道易因腐蝕等擴(kuò)展裂穿而引發(fā)燃燒爆炸中毒等各種災(zāi)難事故;

③裂紋在單層(薄或厚)殼壁和焊縫材質(zhì)變脆部位的擴(kuò)展可能“勢(shì)如破竹”引發(fā)突然“斷裂爆破”;

④所有單層(薄或厚)殼壁和焊縫部位，在役定期停產(chǎn)安全檢測(cè)和在線(xiàn)安全狀態(tài)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控困難，安全維護(hù)成本高昂，尤其大型球形壓力貯罐設(shè)備;

⑤多層薄板包扎或整體包扎(深厚環(huán)向焊縫或薄層縱、環(huán)向焊縫太多)或復(fù)雜型槽鋼帶單向纏繞(內(nèi)筒始終受扭)殼壁等結(jié)構(gòu)均嚴(yán)重破壞了“多層化”。

4 八種重要構(gòu)造和配套應(yīng)用技術(shù)

筆者同時(shí)提出了以下幾種與“多功能復(fù)合殼”創(chuàng)新技術(shù)相關(guān)聯(lián)的配套應(yīng)用技術(shù)［1］:

(1)容器兩端端部斜面分散薄層焊縫焊接與檢測(cè)等處理技術(shù);

(2)繞層帶間加焊開(kāi)孔接管技術(shù)及其繞層開(kāi)孔中心復(fù)映技術(shù)，如圖10所示;

(3)高壓容器端部大開(kāi)蓋快速裝卸新型小頂蓋高壓密封技術(shù)，如圖11所示;

(4)在線(xiàn)安全狀態(tài)集中自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控技術(shù)和在役安全狀態(tài)不停產(chǎn)、不卸壓定期普檢技術(shù)(利用感壓和成份變化等報(bào)警)，如圖12所示;

(5)雙層螺旋焊接管段技術(shù)(油、氣長(zhǎng)輸管道等);

(6)雙層直縫焊接管段技術(shù)(油、氣長(zhǎng)輸管道等);

(7)雙層快速包扎焊接外層技術(shù)(重要大型中、低壓容器等);

(8)雙層定型軋管快速套合技術(shù)(重要小型可控氣液鋼瓶等)。

圖10 鋼帶繞層厚壁筒殼上四種工程開(kāi)孔接管結(jié)構(gòu)示意

圖11 小頂蓋扁平抗剪螺釘軸向全自緊快速裝拆(內(nèi)徑可達(dá)10 m)高壓密封裝置

圖12 全面在線(xiàn)安全狀態(tài)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控裝置示意

5 新型容器10項(xiàng)優(yōu)異安全特性成功研試與工程應(yīng)用實(shí)例

經(jīng)過(guò)近50年大量的研究與試驗(yàn)，成功完成了新型容器10項(xiàng)優(yōu)異安全特性的試驗(yàn)，形成了完善的理論。

(1)鋼帶纏繞容器內(nèi)壓環(huán)向極限強(qiáng)度爆破試驗(yàn)(di=140～1000 mm);

(2)鋼帶纏繞容器特殊內(nèi)壓軸向強(qiáng)度破壞試驗(yàn)(di=140～450 mm);

(3)鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力收縮效果測(cè)試(di=500～600 mm);

(4)工程應(yīng)用鋼帶纏繞容器(450 mm)40700次液體內(nèi)壓疲勞循環(huán)測(cè)試;

(5)工程應(yīng)用繞帶容器抑爆抗爆實(shí)例(di=500～1000 mm);

(6)繞帶容器殼壁溫差應(yīng)力測(cè)試(di=500 mm);

(7)繞帶容器工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程在線(xiàn)安全狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警測(cè)試(di=～1000 mm);

(8)繞帶容器開(kāi)孔接管測(cè)試和工業(yè)產(chǎn)品實(shí)際長(zhǎng)期應(yīng)用實(shí)例(Di=500～800 mm，開(kāi)孔di=140 mm，di/Di≤1/(3 ～4);

(9)鋼帶纏繞容器足夠可靠的橫向剛度產(chǎn)品實(shí)例 (di=500 mm，內(nèi)長(zhǎng)22 mm);

(10)鋼帶纏繞高壓容器水壓機(jī)高壓蓄能器及石油開(kāi)采中向地下鉆井反復(fù)注水采油的水、氣高壓貯罐等產(chǎn)品內(nèi)壓疲勞應(yīng)用實(shí)例。

據(jù)1994年的不完全統(tǒng)計(jì)，自1965年以來(lái)，已在我國(guó)初步安全成功推廣應(yīng)用內(nèi)徑達(dá)1 m、長(zhǎng)度達(dá)28 m、繞層達(dá)28層、設(shè)計(jì)內(nèi)壓達(dá)35 MPa的氨合成塔、甲醇合成塔、氫氣高壓貯罐、水壓機(jī)蓄能器、多種氣體或液體高壓貯罐等多種工業(yè)用途的“薄內(nèi)筒鋼帶交錯(cuò)纏繞式高壓容器”7500多臺(tái)，產(chǎn)生了相關(guān)超百億元計(jì)的重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，從未發(fā)生過(guò)一起人身安全破壞事故;曾有幾十臺(tái)不同大小的新型容器模型或產(chǎn)品實(shí)物，由浙大化機(jī)所師生、合肥通用機(jī)械研究院、蘭州化工機(jī)械研究院，及南化二機(jī)、上海四方鍋爐廠(chǎng)、巨化機(jī)廠(chǎng)、杭鍋廠(chǎng)等單位進(jìn)行了多方面廣泛的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與斷裂疲勞特性及在線(xiàn)安全狀態(tài)報(bào)警監(jiān)控等相關(guān)配套安全附件與容器裝備安全特性試驗(yàn)研究，均呈現(xiàn)了異常優(yōu)異的安全可靠特性，圖13示出其中的三項(xiàng)試驗(yàn)［2］。

圖13 1984年夏，筆者和師生們一起到工廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行三項(xiàng)工程規(guī)模成功試驗(yàn)

6 “多功能復(fù)合殼”具有10項(xiàng)安全和制造技術(shù)上的優(yōu)異特性

(1)薄窄截面鋼材，優(yōu)良的原料材質(zhì)和最低的原料成本(和大厚鋼板或重型鍛件相比，材質(zhì)相同，成本降低達(dá)25% ～70%);

(2)任何缺陷均可被多層殼壁自然分散，“層間止裂”，“抑爆抗爆”，即使在設(shè)計(jì)甚至略超設(shè)計(jì)內(nèi)壓條件下，發(fā)生裂紋嚴(yán)重?cái)U(kuò)展、容器最壞的破壞失效方式只是:“泄漏不爆”;

(3)均衡可靠的容器承壓強(qiáng)度和更為合理的抗斷裂、疲勞等特殊安全性能(可對(duì)鋼帶實(shí)施適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力纏繞，必要時(shí)容器可實(shí)施超應(yīng)變處理);

(4)殼壁能自動(dòng)收集泄漏介質(zhì)且能適當(dāng)導(dǎo)引處置，將可能避免壓力容器因介質(zhì)外泄而可能引發(fā)的各種燃爆、中毒等災(zāi)難性事故;

(5)容器殼壁即使發(fā)生裂縫相當(dāng)嚴(yán)重?cái)U(kuò)展而泄漏，仍將可能“暫時(shí)維持”原有在役工作或操作狀態(tài);

(6)利用繞層或雙層殼壁外殼上合理安設(shè)的安全檢測(cè)接口與微型檢測(cè)成份變化報(bào)警系統(tǒng)及其內(nèi)部的感壓元件與傳輸信號(hào)裝置，對(duì)容器和管道各種雙層或多層殼壁均可實(shí)施全線(xiàn)經(jīng)濟(jì)可靠的“全面在線(xiàn)安全狀態(tài)計(jì)算機(jī)集中自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控”，并可在不停產(chǎn)、停輸、卸壓及置換內(nèi)部介質(zhì)等復(fù)雜要求條件下實(shí)施隨時(shí)和定期安全普檢，這將顯著降低長(zhǎng)輸管道和容器設(shè)備的在線(xiàn)安全維護(hù)成本;

(7)容器殼壁內(nèi)外層及間層用材均可按工程需求“復(fù)合”改變;

(8)殼壁構(gòu)造能適應(yīng)壓力容器設(shè)備各種特殊需求(如開(kāi)孔接管及內(nèi)壁堆焊和加設(shè)帶盲層的檢漏報(bào)警系統(tǒng)等);

(9)制造過(guò)程可大量減少焊接、無(wú)損檢測(cè)和整體機(jī)械加工與大型熱處理等制造工序及其科技要求，對(duì)厚壁高壓容器其焊接等制造工作量與能耗減少可達(dá)80%，鋼帶纏繞工效很高，制造工效可提高1～3倍，材料利用率提高25%左右，制造成本通常可降低達(dá)50%左右或更高;

(10)制造過(guò)程無(wú)需重特大型制造裝備，通過(guò)繞帶裝置的多個(gè)小型平板托車(chē)及地軌運(yùn)送裝置，也可無(wú)需重特大型起吊天車(chē)和高大重型廠(chǎng)房，甚至可在工地現(xiàn)場(chǎng)臥式或立式纏繞鋼帶，容器裝備大小幾乎不受制造裝備條件的限制及其運(yùn)輸條件的限制，包括大型高壓容器和超大型中、低壓貯罐裝備及大型長(zhǎng)輸管道與中、低壓重要容器設(shè)備在內(nèi)，工程應(yīng)用范圍將相當(dāng)寬闊。

7 “多功能復(fù)合殼”創(chuàng)新技術(shù)10項(xiàng)殼壁“最優(yōu)化”理論

真正“多層化”的殼壁，必然帶來(lái)“殼壁功能特性”如下本質(zhì)的“最優(yōu)化”:

(1)殼壁分層，原材料截面細(xì)薄，材質(zhì)精致最優(yōu)化，成型技術(shù)要求必然根本簡(jiǎn)化;

(2)分層殼壁，任何裂紋等缺陷均可被自然分割分散，殼壁抗斷裂韌性自然成倍提高;

(3)殼壁層間“自然止裂”，下層原本沒(méi)有裂紋(a=0)，上層裂紋難以繼續(xù)擴(kuò)展;

(4)殼壁外層對(duì)內(nèi)層具“抑爆抗爆”自救作用;外層斷裂，能報(bào)警，工況暫可維持;

(5)殼壁逐層構(gòu)造，如采用“薄窄截面”鋼帶纏繞，可大量減少焊接及其相關(guān)技術(shù)難題;

(6)殼壁分層構(gòu)造，材質(zhì)及其層間內(nèi)部具體構(gòu)造均可按需“復(fù)合”改變，如開(kāi)孔等;

(7)分層殼壁，可利用外層附設(shè)簡(jiǎn)便可靠的接口與微型檢測(cè)機(jī)具對(duì)容器設(shè)備和大型管道實(shí)施不停產(chǎn)、不停輸工況下的殼壁定期安全狀態(tài)簡(jiǎn)便可靠普檢;

(8)分層殼壁，外層可附設(shè)對(duì)殼壁內(nèi)層和整體安全狀態(tài)實(shí)施經(jīng)濟(jì)可靠的檢測(cè)報(bào)警監(jiān)控;

(9)殼壁逐層構(gòu)造，可能通過(guò)外層對(duì)內(nèi)層實(shí)施適當(dāng)?shù)念A(yù)壓縮應(yīng)力纏繞，使其環(huán)向與軸向應(yīng)力得到優(yōu)化;細(xì)薄材質(zhì)，有利裝備提高抗疲勞、抗輻射、抗高溫蠕變等強(qiáng)度;

(10)殼壁分層構(gòu)造，即使真正的“雙層化”，理論上其破壞失效概率就可成倍減低，通常就可低達(dá)極低量級(jí):1×10－8×1/(臺(tái)容器·年)，而繞帶殼壁則可低達(dá)1×10－10×1/(臺(tái)容器·年)，甚至還都可更低。設(shè)計(jì)內(nèi)壓條件下，層間“止裂抗爆”，外層強(qiáng)力反壓約束自救，即使內(nèi)層萬(wàn)一發(fā)生嚴(yán)重開(kāi)裂，后果只是:微漏，報(bào)警。

如將各種“大型單層管道或設(shè)備”改革為“雙層化螺旋或直縫焊管”或機(jī)械化特殊包扎或定型無(wú)縫鋼管快速套合的容器設(shè)備，其“彎卷焊接量”略增，雙層殼壁重量不變，“雙層化”制造不難，成本也將變化不大，安全屬性卻發(fā)生了重大優(yōu)化:“雙層化”管道或設(shè)備“止裂抗爆”;有“靈性”能“報(bào)警”;幾千公里長(zhǎng)的管道，不論長(zhǎng)短，過(guò)山、過(guò)江、過(guò)河、過(guò)海，可能在不停產(chǎn)、不停輸條件下實(shí)施簡(jiǎn)易可靠的在役定期安全檢測(cè)普檢，并可實(shí)施經(jīng)濟(jì)可靠的“在線(xiàn)安全狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警”，大量降低腐蝕或人為破壞造成的經(jīng)濟(jì)損失與環(huán)境污染;即使一旦發(fā)生腐蝕泄漏及其他嚴(yán)重破壞的狀況，將可能“暫時(shí)維持”原有的工作狀態(tài)，并將及時(shí)直接通過(guò)感壓元件等裝置發(fā)出安全報(bào)警處理。這相對(duì)于當(dāng)今其他諸如(單層)“管道破裂關(guān)閘控制閥”及“可靠性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估”等技術(shù)，顯然在構(gòu)造或技術(shù)上都更要直接有效和科學(xué)可靠。

以上四種“多功能復(fù)合殼”創(chuàng)新技術(shù)及其相關(guān)工程應(yīng)用技術(shù)，均有國(guó)內(nèi)外相關(guān)現(xiàn)實(shí)的科技應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)作為堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。有的已得到初步推廣應(yīng)用，有的已經(jīng)過(guò)工程規(guī)模試驗(yàn)成功，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略?xún)?yōu)勢(shì)。

8 鋼帶交錯(cuò)纏繞大型超高壓氫氣貯罐的工程設(shè)計(jì)對(duì)比分析

筆者發(fā)明了一種軋制和扣合纏繞最為簡(jiǎn)單合理的新型扁平或?qū)ΨQ(chēng)單U槽小截面鋼帶每?jī)蓪酉嗷タ酆辖诲e(cuò)纏繞的高壓大型壓力貯罐構(gòu)造技術(shù)。文中介紹按此技術(shù)構(gòu)造的容積達(dá)28.4 m3(1000 feet3)、內(nèi)壓68 MPa(10000 psi)超高壓氫氣貯罐的基本工程設(shè)計(jì)對(duì)比，表明不僅其制造技術(shù)簡(jiǎn)便可行，和國(guó)際上現(xiàn)有單層或多層厚壁筒罐、單層厚壁球型貯罐等相比，其制造成本將可降低約30%～40%;而且在安全可靠性方面也將發(fā)生根本變化，其殼壁具“抑爆抗爆”特性，并可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便可靠的不停產(chǎn)、不卸壓定期安全狀態(tài)普檢和在線(xiàn)安全狀態(tài)“自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控”，其在役安全維護(hù)成本也可降低50%以上。在本對(duì)比設(shè)計(jì)分析例中，按經(jīng)驗(yàn)設(shè)定了設(shè)計(jì)參數(shù)與原材料。

(1)大型超高壓氫氣貯罐的基本設(shè)計(jì)和構(gòu)造技術(shù)參數(shù)。

設(shè)計(jì)參數(shù):內(nèi)壓P=68 MPa，設(shè)計(jì)壁溫達(dá)100℃，內(nèi)部氫介質(zhì)有氫致腐蝕破壞特性，本對(duì)比分析暫不于考慮，球形壓力貯罐的內(nèi)直徑:disph=3.8 m，內(nèi)容積Csph=πdisph3/6=28.73 m3＞28.4 m3。

鋼帶交錯(cuò)纏繞筒形貯罐與兩端半球形端蓋的內(nèi)直徑:dicy=1.5 m，包括內(nèi)徑dicy=1.5 m和內(nèi)部長(zhǎng)度Li=15.2 m的圓筒與兩端半球封蓋在內(nèi)，其內(nèi)容積為28.62 m3;采用適當(dāng)?shù)妮^高強(qiáng)度低合金鋼(設(shè)如為一種壓力容器用鋼14MnMoVg)的許用應(yīng)力:用于大型球瓣現(xiàn)場(chǎng)組焊球形壓力貯罐時(shí)，當(dāng)其厚度 t≈330 mm、壁溫≤100℃，其 σy≥400 MPa，σb≥550 MPa，則其許用強(qiáng)度或應(yīng)力:［σ］sph=550/2.5=220 MPa。

用于大型筒形鋼帶交錯(cuò)纏繞壓力貯罐兩端半球封蓋時(shí)，當(dāng)其厚度t≈60 mm、壁溫≤100℃，其σy≥460 MPa，σb≥600 MPa，則其許用強(qiáng)度或應(yīng)力:［σ］cyrw=600/2.5=240 MPa。用于大型筒形鋼帶交錯(cuò)纏繞現(xiàn)場(chǎng)組焊纏繞壓力貯罐時(shí)，當(dāng)其厚度t≈6～14 mm、壁溫≤100 ℃，其 σy≥480 MPa，σb≥630 MPa，則其許用強(qiáng)度或應(yīng)力:［σ］cyrw=630/2.5=252 MPa。厚度約為6～14 mm較薄鋼板，特別是6 mm×50 mm窄薄截面鋼帶的實(shí)際強(qiáng)度，通常要比用于大型壓力貯罐的厚320 mm特厚鋼板及其深厚焊縫的強(qiáng)度提高超15%。

(2)高壓球形貯罐和兩端帶半球形封蓋的鋼帶交錯(cuò)纏繞筒形貯罐的厚度和重量。

高壓球殼厚度:

tsph=Pdisph/(4［σ］φsph－P)+Cadd≈330 mm

高壓球罐重量:

Qsph=4πRa2tsphγ =160.8 t同時(shí)，筒形貯罐兩端半球封蓋壁厚:

tcysph=Pdicysph/(4［σ］φsph－P)+Cadd=11.84 cm ＜(60+60)mm

筒形貯罐兩端半球封蓋總重量:

Qcyendsph=4πR2tcysphγ =10.24 t

由Qcyendsph/Qsph=0.064＜7%，這表明筒形繞帶貯罐兩端半球形端蓋，其內(nèi)徑(由3.8 m減為1.5 m)和殼壁厚度(由330 mm減為120 mm)都發(fā)生了很大改變，其總重量對(duì)球形高壓貯罐(內(nèi)徑3.8 m、壁厚330 mm)的重量比僅約占7%，這將會(huì)對(duì)其制造帶來(lái)重大變化。其制造成本按其通常的與重量成正比來(lái)估算，也將不超過(guò)總體成本的10%左右。大球變小球，雖仍然還相當(dāng)于雙層小球，但這卻已發(fā)生了重大變化。

(3)大型鋼帶纏繞筒形壓力貯罐的基本壁厚和重量。

設(shè)計(jì)壁厚:tcy=Pdi/(2［σ］φcy－P)+C=23.8 cm≈240 mm=ti+twU=240 mm內(nèi)筒所占?xì)け诳偤裰葹?ti/tcy=0.25=25%，這是適當(dāng)?shù)摹?/p>

繞帶貯罐筒殼重量約177 t，該繞帶復(fù)合貯罐總重約 187.24 t，兩種貯罐的重量差為 －26.44 t。

然而，上述兩種鋼制貯罐制造過(guò)程的實(shí)際材料利用率及與其相應(yīng)的所需原材料成本卻有很大差異。球形貯罐，尤其大型球罐，為盡量減少焊縫總長(zhǎng)，需采用較長(zhǎng)、較寬又厚的鋼板壓制球瓣，因而所切除的邊角余料就比較多，故其材料利用率通常不超過(guò)70%?？墒卿搸Юp繞的利用效率，尤其U槽鋼帶，理論上幾乎可全部利用，材料利用率可高達(dá)95%以上。這兩者之差可達(dá)25%以上，而且所節(jié)減的通常又是既寬且長(zhǎng)又厚、價(jià)格高昂的鋼板。因而，兩種貯罐考慮容器或貯罐制造過(guò)程材料利用率的原材料實(shí)際需用量之差為28.7 t，這表明:如此兩種28.4 m3大型高壓氫氣貯罐的重量差為－26.44 t，而且制造鋼帶交錯(cuò)纏繞筒形壓力貯罐的較薄鋼板和窄薄鋼帶原材料實(shí)際需用量更可比制造同容積球形壓力貯罐所需昂貴的330 mm特厚鋼板原材料減少28.7 t，僅這一項(xiàng)就可帶來(lái)約3.5萬(wàn)美元的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

(4)大型鋼帶交錯(cuò)纏繞筒形壓力貯罐工程設(shè)計(jì)的基本強(qiáng)度校核。

屈服內(nèi)壓:

Py=σyln(ro/ri)=480 ln(0.99/0.75)=133.26 MPa≥1.6P=108.8 MPa

極限或爆破內(nèi)壓:

Pb=σbln(ro/ri)=630ln(0.99/0.75)=174.9 MPa≥2.5 P=170 MPa

以上的計(jì)算數(shù)值都基于保守的第三強(qiáng)度理論計(jì)算，而據(jù)以往相應(yīng)的繞帶容器所作的大量試驗(yàn)研究表明，實(shí)際的破壞強(qiáng)度通常都略高于這些計(jì)算值。這表明該大型筒形繞帶壓力貯罐的強(qiáng)度設(shè)計(jì)足夠安全可靠。

筒罐軸向強(qiáng)度校核:

σaU=P ri2/［(rj2－ ri2)+(ro2－rj2)η+(ro2－rj2)ζ］［σ］amin=136.7 MPa≤［σ］innershellallowed=240 MPa

式中 σaU——單U槽鋼帶交錯(cuò)纏繞容器或貯罐的軸向應(yīng)力

P——容器或貯罐的設(shè)計(jì)內(nèi)壓，MPa，P=68 MPa

ri——筒形容器或貯罐的設(shè)計(jì)內(nèi)半徑，m，ri=0.75 m

rj——筒形容器或貯罐內(nèi)筒的設(shè)計(jì)外半徑，m，rj=0.81 m

ro——筒形容器或貯罐繞層的設(shè)計(jì)外半徑，m，ro=0.99 m

η——單U槽鋼帶交錯(cuò)纏繞繞層的有效扣合軸向承力系數(shù);由于每?jī)蓪酉嗷タ酆系匿搸е挥衅渲幸粚涌梢猿袚?dān)或傳遞容器軸向力的作用，因而:η =tr/(tr+tn)=0.4

tr，tn——分別為某種對(duì)稱(chēng)形單U槽熱軋鋼帶U槽處的實(shí)際厚度與名義厚度，此例:tr=6 mm和tn=9 mm(帶寬可取50～60 mm，對(duì)稱(chēng)U槽深約3 mm，槽寬為帶寬的1/2)

ζ——每?jī)蓪酉嗷タ酆陷S對(duì)稱(chēng)交錯(cuò)纏繞鋼帶繞層相鄰圓柱面間由于容器軸對(duì)稱(chēng)形變特性形成的軸向靜摩擦力加強(qiáng)的作用系數(shù)，本例取ζ=0.175

［σ］amin——容器薄內(nèi)筒和單U槽鋼帶繞

層材料的軸向最小綜合許用應(yīng)力，MPa，［σ］amin=240 MPa:=［jσsiФi+(1 － j)σswФw］/n

或兩者中取小值:=［jσuiФi+(1 － j)σuwФw］/N

j——薄內(nèi)筒相對(duì)于容器設(shè)計(jì)總厚要求的壁厚比，通常取值為:0.15 ～0.35，本例為 0.25

Фi，Фw——內(nèi)筒與繞層焊縫系數(shù)，通常均取為1

σsi，σsw，σui，σuw——分別為內(nèi)筒、外筒和鋼帶繞層的屈服與極限強(qiáng)度

n——容器屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)，通常取1.4 ～1.6，本例取 n=1.6

N——容器極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)，通常取2.5 ～3.0，本例取 N=2.5

即便不考慮繞帶層間有效的摩擦力軸向加強(qiáng)作用，σ'aUi=171.37 MPa＜240 MPa。

這表明這時(shí)其軸向應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于容器或貯罐的材料許用強(qiáng)度，即:136.7/240=0.57，尚有約43% 的強(qiáng)度貯備;即使不考慮繞層兩圓柱表面層間的摩擦力加強(qiáng)作用，σ'aUi=171.37 MPa＜240 MPa，171.37/240=0.714，仍尚有 28% 的強(qiáng)度貯備，而且其內(nèi)筒和各每?jī)蓪酉嗷タ酆侠@層的軸向承力作用，各自獨(dú)立，是一種“纖維束”模型，故其軸向強(qiáng)度同樣完全足夠安全可靠。

此外，當(dāng)貯罐內(nèi)壓并未升起時(shí)，由筒形貯罐的重量在其僅由內(nèi)筒(繞層亦可承擔(dān))所引起的最大軸向壓縮應(yīng)力為:

完全可忽略。

總之，文中上述鋼帶交錯(cuò)纏繞高壓筒形貯罐的環(huán)向和軸向工程設(shè)計(jì)強(qiáng)度優(yōu)良可靠，并在設(shè)計(jì)內(nèi)壓條件下具有特殊的“抑爆抗爆”和“安全可監(jiān)控”等“多功能復(fù)合殼”特性。

(5)基本構(gòu)造技術(shù)。

內(nèi)徑為1.5 m并帶排除氫氣滲透內(nèi)筒最內(nèi)層引起腐蝕破壞和在線(xiàn)安全狀態(tài)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的多層組合薄內(nèi)筒，其內(nèi)筒殼壁厚度占筒形貯罐殼壁總厚約25%，內(nèi)部切線(xiàn)長(zhǎng)度為15.2 m，繞帶筒體兩端與帶斜面的雙層半球形封頭底蓋相聯(lián)接(僅內(nèi)筒兩端與繞層斜面部位進(jìn)行焊接，兩端較小較薄雙層半球可在地面依據(jù)鋼架模型完成組焊檢測(cè))，如圖7所示。內(nèi)筒與兩端半球封蓋部分完成制造后，必要時(shí)可進(jìn)行適當(dāng)超壓脹合處理，然后在確認(rèn)內(nèi)筒檢測(cè)質(zhì)量后，即可應(yīng)用臥式鋼帶纏繞裝置在室溫狀態(tài)下按每?jī)蓪酉嗷タ酆喜⒁赃m當(dāng)?shù)念A(yù)拉緊力和相互交錯(cuò)纏繞的方式，將12對(duì)24層每?jī)蓪酉嗷タ酆系膶?duì)稱(chēng)單U槽鋼帶交錯(cuò)纏繞在內(nèi)筒外面，再在其外包扎焊接或纏繞上一層帶有安全狀態(tài)監(jiān)控裝置的外保護(hù)薄殼或略加填焊的最外層鋼帶外殼。這臺(tái)鋼帶交錯(cuò)纏繞筒形高壓貯罐通常用裙式支座固定于穩(wěn)固的鋼筋混凝土基礎(chǔ)上。該臺(tái)壓力貯罐的總高，包括裙座基礎(chǔ)高度在內(nèi)，約為 15.2+1.5+1.5≈18.2 m。其筒形部分高度與總高的長(zhǎng)徑比分別為:Lcyi/dcy=15.2/1.5≤10.2 和 L/dcy=18.2/1.5=12.14 ＜20。這個(gè)長(zhǎng)徑比在工程實(shí)踐中完全正常合理，在現(xiàn)今的國(guó)際工程實(shí)踐中有不少更大長(zhǎng)徑比的各種高壓承壓設(shè)備成功應(yīng)用。作為對(duì)比，內(nèi)徑達(dá)3.8 m、壁厚約330 mm、容積28.4 m3的球形壓力貯罐的高度約7 m。

(6)制造成本得以大幅降低的基本原因。

和現(xiàn)有單層特厚殼壁高壓球形貯罐、單層或多層筒形高壓貯罐相比，鋼帶交錯(cuò)纏繞筒形高壓貯罐的制造成本將可降低約36% ～70%，其主要原因如下:

1)由于軋機(jī)得到極大縮小和簡(jiǎn)化，(4～8)×(32～60)mm窄薄截面的鋼帶容易軋制和處理，其成本必將比單層球形壓力貯罐要求厚達(dá)100～400 mm的原材料成本降低約25% ～60%，和通常需要特別龐大鍛壓裝備與高昂操作費(fèi)用厚約100～400 mm的厚筒鍛件相比，其成本約可降低50%～75%;

2)壓制較薄的筒形繞帶貯罐兩端雙層半球端蓋的球瓣和只需纏繞而無(wú)需其他額外成形要求的窄薄截面鋼帶的纏繞成本，和將要求厚約100～400 mm、內(nèi)徑3.8～34 m的鋼板模型壓制成特厚球瓣并切出必要的焊接坡口的成本相比可降低約30% ～50%;

3)鋼帶纏繞復(fù)合筒形高壓貯罐或容器，全身沒(méi)有任何深厚焊縫，其焊接與檢測(cè)成本和其他筒形或球形結(jié)構(gòu)厚約100～400 mm帶深厚環(huán)向與縱向焊縫的高壓貯罐相比將可降低70%～80%;相應(yīng)的其焊接電能就可降低約70%～80%;

4)組裝和焊接內(nèi)徑1.5 m、厚約60 mm、總高約18 m的筒形貯罐的較薄筒形內(nèi)筒及其在臥式鋼帶纏繞裝置上在內(nèi)筒外部用簡(jiǎn)單工具自動(dòng)纏繞32層鋼帶繞層，制造得到較大簡(jiǎn)化，因而和在貯罐使用現(xiàn)場(chǎng)組裝、焊接、檢測(cè)、打磨與整體熱處理內(nèi)徑3.8 m、厚400 mm單層厚壁壓力球罐相比，其機(jī)械加工與熱處理成本也將可降低20%～40%;

5)鋼帶交錯(cuò)纏繞筒形壓力貯罐窄薄截面鋼帶和薄內(nèi)筒鋼板原材料的利用率，和國(guó)際上現(xiàn)有其他貯罐或容器結(jié)構(gòu)的相比將可降低約25%;

6)鋼帶纏繞容器或貯罐的生產(chǎn)效率和現(xiàn)有其它結(jié)構(gòu)技術(shù)包括纖維纏繞貯罐相比，由于沒(méi)有復(fù)雜困難的深厚焊縫和效率很低的纖維纏繞與固化工藝過(guò)程，生產(chǎn)效率可提高2～5倍，而生產(chǎn)周期也將可縮短50%～100%。

(7)幾種高壓氫氣貯罐基本制造成本估算對(duì)比。

1)用鋼帶交錯(cuò)纏繞筒形帶兩端半球封蓋高壓貯罐的成本約為23.8～25.9萬(wàn)美元;

2)用330 mm特厚鋼板球形高壓貯罐的成本約為53萬(wàn)美元;

3)用單層或多層結(jié)構(gòu)筒形帶兩端半球封蓋高壓貯罐的成本約為40～60萬(wàn)美元。

顯然，新型鋼帶交錯(cuò)纏超高壓筒罐的制造成本最低，即使加上防氫腐蝕和在線(xiàn)安全狀態(tài)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控裝置，其制造成本也將不超過(guò)30萬(wàn)美元，和通常單層或多層結(jié)構(gòu)壁厚300 mm筒形高壓貯罐相比，可降低制造成本40% ～56%;和特厚球形貯罐相比，可降低制造成本50%;而且后面幾種不具備“多功能復(fù)合殼”特性，都較難實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在線(xiàn)安全狀態(tài)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控的安全保障技術(shù)。

(8)鋼帶交錯(cuò)纏繞筒形壓力貯罐的突出發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)上述幾種高壓氫氣貯罐的基本結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析對(duì)比，具“多功能復(fù)合殼”特性的對(duì)稱(chēng)單U槽鋼帶交錯(cuò)纏繞筒形壓力貯罐或容器相對(duì)于單層特厚殼壁球型壓力貯罐和特厚筒形單層或多層壓力貯罐，優(yōu)勢(shì)明顯:制造成本將可降低30% ～40%，生產(chǎn)效率可提高約2～5倍，生產(chǎn)周期將可降低約50% ～100%，并當(dāng)其內(nèi)筒萬(wàn)一發(fā)生突然泄漏時(shí)通常仍能暫時(shí)保持其原有正常的生產(chǎn)狀態(tài)，這對(duì)許多實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程或經(jīng)營(yíng)管理往往會(huì)有重要意義。

9 結(jié)語(yǔ)與感謝

從以上所作內(nèi)壓68 MPa和容積28.4 m3鋼帶交錯(cuò)纏繞筒形超高壓氫氣貯罐的基本工程設(shè)計(jì)和制造成本的計(jì)算對(duì)比分析表明，不僅其制造成本將可降低30%以上，生產(chǎn)效率提高2倍以上，在役安全維護(hù)成本也將可降低50%以上，而且在其實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可靠的“抑爆抗爆”和在線(xiàn)安全狀態(tài)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控等方面，和現(xiàn)有國(guó)際上其它單層或多層但帶貫穿焊縫的筒形高壓貯罐、單層厚壁高壓球罐，以及固定式纖維纏繞復(fù)合材料筒形厚壁高壓貯罐等構(gòu)造技術(shù)相比都表現(xiàn)出了突出的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。上述這種設(shè)計(jì)對(duì)比結(jié)果，當(dāng)采用其他鋼帶材質(zhì)和設(shè)計(jì)強(qiáng)度安全系數(shù)時(shí)，其對(duì)比效果基本相同。

單U槽新型鋼帶扣合交錯(cuò)纏繞技術(shù)構(gòu)造的中、低壓大型和超大型壓力貯罐，通過(guò)對(duì)按此技術(shù)構(gòu)造的鋼帶交錯(cuò)纏繞內(nèi)容積達(dá)20000 m3、內(nèi)壓為2 MPa的中、低壓超大型壓力貯罐的基本工程設(shè)計(jì)分析對(duì)比，其效果也和上述初步設(shè)計(jì)對(duì)比基本相同。

筆者借此對(duì)各研試參與單位、制造與采用單位，和同行專(zhuān)家們及相關(guān)研制人員等一切相關(guān)人員，謹(jǐn)表衷心感謝!

［1］ 朱國(guó)輝.鋼制承壓容器工程裝備“多功能復(fù)合殼”創(chuàng)新技術(shù)［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2013.

［2］ 朱國(guó)輝，鄭津洋.新型繞帶式壓力容器［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.