陳學(xué)東,范志超,崔 軍,陳永東,章小滸,程經(jīng)緯

(合肥通用機(jī)械研究院有限公司 國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心,合肥 230031)

0 引言

壓力容器是具有潛在泄漏和爆炸危險(xiǎn)的承壓類特種設(shè)備，量大面廣，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域和國(guó)防事業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。不同歷史時(shí)期,我國(guó)壓力容器存在不同問(wèn)題急需解決，如20世紀(jì)80年代及以前含超標(biāo)缺陷壓力容器的安全性問(wèn)題，20世紀(jì)90年代以來(lái)介質(zhì)苛刻化和超期服役帶來(lái)的安全性問(wèn)題，21世紀(jì)初以來(lái)壓力容器極端化帶來(lái)的設(shè)計(jì)制造問(wèn)題等。為此，國(guó)家對(duì)壓力容器技術(shù)創(chuàng)新和質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)力提升有重大需求，2005年，《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》[1]將極端制造、重大產(chǎn)品和重大設(shè)施壽命預(yù)測(cè)列為前沿技術(shù)，將重大生產(chǎn)事故預(yù)警與救援列為優(yōu)先主題；2017年，中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展質(zhì)量提升行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》(中發(fā)[2017]24號(hào))[2]，將壓力容器等特種設(shè)備列為高端裝備，要求提升國(guó)產(chǎn)裝備的質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)力；2021年初頒布的《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》[3]提出制造業(yè)高端化智能化綠色化、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級(jí)化和產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化要求，以及重大裝備極限壽命和高性能制造要求，旨在推動(dòng)研制具有高精度、高可靠、高效率、智能化、綠色化等高性能特征的基礎(chǔ)件、基礎(chǔ)制造工藝與裝備，實(shí)現(xiàn)高性能制造技術(shù)和重大裝備的自主可控，增強(qiáng)我國(guó)戰(zhàn)略性高端產(chǎn)品和重大關(guān)鍵裝備的核心競(jìng)爭(zhēng)力；同年國(guó)家科技部開(kāi)始設(shè)立“高性能制造技術(shù)與重大裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)[4]。

高性能制造是與制造強(qiáng)國(guó)各項(xiàng)指標(biāo)相一致的制造模式，它要求產(chǎn)品及生產(chǎn)過(guò)程具有較高的自主創(chuàng)新能力，產(chǎn)品具有長(zhǎng)壽命、高可靠性且具有較高的質(zhì)量品牌效應(yīng)，產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程以綠色、智能的方式實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)進(jìn)一步優(yōu)化，產(chǎn)品的供應(yīng)鏈穩(wěn)定可控。壓力容器作為承壓類特種設(shè)備，其高性能制造涵蓋了產(chǎn)品全生命周期，是反映壓力容器本質(zhì)安全性、工藝適用性、產(chǎn)品綠色性和智能性等綜合性能指標(biāo)的制造模式，其中，本質(zhì)安全性要求壓力容器設(shè)計(jì)壽命期間內(nèi)不發(fā)生失效；工藝適用性要求壓力容器不斷適應(yīng)新的極端條件和應(yīng)用場(chǎng)景；產(chǎn)品綠色性要求壓力容器全生命周期對(duì)能源、資源和環(huán)境友好，如輕量化設(shè)計(jì)制造，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)材；產(chǎn)品智能性要求現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)壓力容器技術(shù)深度融合。突破壓力容器高性能制造技術(shù)，是推動(dòng)我國(guó)壓力容器從跟蹤模仿向自主創(chuàng)新轉(zhuǎn)變的內(nèi)在需求，是保障壓力容器產(chǎn)業(yè)鏈自主可控、支撐壓力容器為制造強(qiáng)國(guó)、質(zhì)量強(qiáng)國(guó)做貢獻(xiàn)的內(nèi)在需求。

本文簡(jiǎn)要回顧了“十三五”以來(lái)我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)制造與維護(hù)技術(shù)進(jìn)展，包括標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、基于風(fēng)險(xiǎn)與壽命的設(shè)計(jì)制造、在役長(zhǎng)周期安全保障等，面向“十四五”和2035遠(yuǎn)景目標(biāo)以及制造強(qiáng)國(guó)、質(zhì)量強(qiáng)國(guó)和碳達(dá)峰、碳中和重大部署，提出了我國(guó)壓力容器高性能制造技術(shù)發(fā)展面臨的若干需求與挑戰(zhàn)。

1 “十三五”以來(lái)我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)制造與維護(hù)技術(shù)進(jìn)展

1.1 安全技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)壓力容器技術(shù)創(chuàng)新

國(guó)家市場(chǎng)總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局不斷推進(jìn)我國(guó)壓力容器法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，在21世紀(jì)初就已建立“以法律法規(guī)為依據(jù)、以安全技術(shù)規(guī)范為主要內(nèi)容、以技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)”的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系，形成了由法律、法規(guī)、規(guī)章、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等五個(gè)層次構(gòu)成、覆蓋壓力容器全壽命周期的安全監(jiān)管基本制度[5-9]，對(duì)壓力容器本質(zhì)安全性、工藝適用性、產(chǎn)品綠色性和智能性提出了基本要求，促進(jìn)了壓力容器技術(shù)創(chuàng)新和質(zhì)量提升。

2016年，原國(guó)家質(zhì)檢總局頒布了TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[10]，規(guī)程在原有七個(gè)規(guī)范基礎(chǔ)上，增加了非金屬壓力容器、簡(jiǎn)單壓力容器、超高壓容器，形成了固定式壓力容器的綜合性大規(guī)范，涵蓋材料、設(shè)計(jì)、制造、安裝、改造、修理、監(jiān)督檢驗(yàn)、使用管理、定期檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)，并將壓力容器設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要求由第三類壓力容器推廣到所有類別壓力容器，為貫徹落實(shí)中國(guó)特種設(shè)備安全法提供了重要保證。

繼GB/T 150修訂之后，2018年全國(guó)鍋容標(biāo)委啟動(dòng)JB 4732—95《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[11]修訂工作。修訂后的標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)JB 4732—95頒布實(shí)施以來(lái)積累的成熟經(jīng)驗(yàn)和研究取得的先進(jìn)技術(shù)，吸納歐美新版標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)、合理的規(guī)定，并根據(jù)TSG 21—2016提出的基本安全要求，引入基于風(fēng)險(xiǎn)的壓力容器設(shè)計(jì)制造技術(shù)理念與方法，綜合GB/T 150《壓力容器》等標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施情況，考慮脆性斷裂、塑性垮塌、局部過(guò)度應(yīng)變、棘輪、疲勞、泄漏等13種失效模式，在相應(yīng)章節(jié)給出選材、設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)技術(shù)要求。2021年，全國(guó)鍋容標(biāo)委再次啟動(dòng)了GB/T 150修訂工作，將以國(guó)內(nèi)近十年來(lái)研究成果和工程實(shí)踐為基礎(chǔ)，進(jìn)一步完善基于風(fēng)險(xiǎn)的壓力容器設(shè)計(jì)制造技術(shù)方法，增加更多國(guó)產(chǎn)材料牌號(hào)，增加對(duì)冷成形、焊材、焊接和焊后熱處理的相關(guān)技術(shù)規(guī)定。修訂后的JB 4732標(biāo)準(zhǔn)將被納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，與修訂后的GB/T 150一起，為提高我國(guó)壓力容器的本質(zhì)安全性、工藝適用性、產(chǎn)品綠色性和智能性提供技術(shù)保證。

1.2 基于風(fēng)險(xiǎn)與壽命的設(shè)計(jì)制造技術(shù)

壓力容器極端化帶來(lái)失效模式和機(jī)理的改變，傳統(tǒng)壓力容器設(shè)計(jì)制造技術(shù)不能適應(yīng)這一需求。為此，近十年來(lái)，合肥通用院、華東理工大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)特檢院等單位通過(guò)系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)研究，建立了極端條件重要壓力容器基于風(fēng)險(xiǎn)與壽命的設(shè)計(jì)制造方法[12-17]，在設(shè)計(jì)制造早期預(yù)知全壽命過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)，提出材料性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、無(wú)損檢測(cè)等風(fēng)險(xiǎn)控制措施，使其安全服役到預(yù)定壽命，成果被國(guó)家安全技術(shù)規(guī)范(TSG R0004)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 150.1～4)采納，產(chǎn)品本質(zhì)安全性、工藝適用性、產(chǎn)品綠色性得到顯著提升?！笆濉币詠?lái)，又在材料性能提升、高溫蠕變疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)、低溫壓力容器基于斷裂力學(xué)的防脆斷設(shè)計(jì)等方面取得新進(jìn)展。

1.2.1 材料性能提升技術(shù)

近年來(lái)，我國(guó)壓力容器用鋼冶煉技術(shù)水平取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，形成了系統(tǒng)的低碳、超低磷、超低硫的潔凈鋼冶煉技術(shù)，如開(kāi)發(fā)了KR鐵水預(yù)處理技術(shù)、以控制鐵水的硫磷含量，研發(fā)了LF爐外精煉、深脫硫工藝，可使制成品S含量控制在0.002%以下，創(chuàng)新了頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐的單渣、雙渣、雙聯(lián)新工藝，可實(shí)現(xiàn)制成品P含量穩(wěn)定控制在0.005%以下，開(kāi)發(fā)了VD和RH真空脫氣技術(shù)，可大大降低As,Sn,Cu,O,H等雜質(zhì)元素含量。在產(chǎn)品韌性調(diào)控方面，通過(guò)淬火+亞溫淬火+回火(QLT)熱處理工藝開(kāi)發(fā)，淬火、回火和熱處理工藝優(yōu)化，顯著提高了鋼板低溫韌性，得到了良好的強(qiáng)韌性匹配。采取上述技術(shù)創(chuàng)新，我國(guó)壓力容器材料實(shí)物性能得到大幅提高。同時(shí)，為更好地滿足壓力容器大型化和輕量化制造需求，開(kāi)發(fā)了一批高性能、經(jīng)濟(jì)型新材料，如加氫反應(yīng)器用12Cr2Mo1VR高強(qiáng)鋼(抗拉強(qiáng)度由12Cr2Mo1R的520 MPa提高到590 MPa)、移動(dòng)式壓力容器用正火型高強(qiáng)鋼Q420R(抗拉強(qiáng)度由Q345R的510 MPa 提高到590 MPa)；低溫壓力容器用鋼也實(shí)現(xiàn)了系列化和-60～-196 ℃全覆蓋；如-60 ℃的8～16萬(wàn)m3大型丙烷儲(chǔ)罐用鋼13MnNiDR，-100 ℃煤化工裝置低溫甲醇洗滌塔用鋼3.5%Ni，-120 ℃液態(tài)乙烯儲(chǔ)存設(shè)備低溫用鋼5%Ni，-196 ℃的16～27萬(wàn)m3超大型LNG儲(chǔ)罐用鋼9%Ni鋼等[18-20]。

1.2.2 高溫壓力容器蠕變疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)

高溫壓力容器常表現(xiàn)出與時(shí)間相關(guān)的蠕變、疲勞及其交互作用失效模式，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)一直是工程界急需解決的技術(shù)難題。近年來(lái)，華東理工大學(xué)、合肥通用院等單位基于“十五”以來(lái)高溫結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定技術(shù)研究成果，借鑒美國(guó)ASME、英國(guó)R5等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，研究建立了避免蠕變疲勞裂紋萌生的高溫強(qiáng)度校核技術(shù)方法?！笆濉币詠?lái)，針對(duì)高溫壓力容器焊接結(jié)構(gòu)微觀組織不均勻、力學(xué)性能不匹配等特性，開(kāi)發(fā)出基于數(shù)字圖像相關(guān)和分區(qū)引伸計(jì)的蠕變變形原位測(cè)量和表征技術(shù)(如圖1所示)[21]，并考慮焊縫應(yīng)變集中效應(yīng)，建立了基于壽命的高溫壓力容器焊接結(jié)構(gòu)蠕變-疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法[22]。相關(guān)成果已形成中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)(T/CMES)《高溫壓力容器蠕變疲勞強(qiáng)度校核》(草案)，為提升高溫壓力容器本質(zhì)安全提供技術(shù)手段。

圖1 基于數(shù)字圖像相關(guān)和分區(qū)引伸計(jì)的蠕變變形原位測(cè)量和表征技術(shù)

1.2.3 低溫壓力容器防脆性斷裂設(shè)計(jì)

壓力容器低溫脆性斷裂具有突發(fā)性，往往造成災(zāi)難性后果。我國(guó)GB/T 150基于夏比沖擊的韌脆轉(zhuǎn)變溫度法來(lái)確定材料的最低使用溫度，其規(guī)定的夏比沖擊功合格指標(biāo)與壓力容器低溫脆性斷裂失效并無(wú)定量關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致最低設(shè)計(jì)溫度的確定缺乏理論依據(jù)，降低了我國(guó)低溫壓力容器產(chǎn)品國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力?！笆濉币詠?lái)，合肥通用院、中國(guó)特檢院等單位通過(guò)系統(tǒng)的理論研究、試驗(yàn)測(cè)試和統(tǒng)計(jì)分析[22]，探明了我國(guó)低溫壓力容器典型用鋼夏比沖擊功與斷裂韌性的關(guān)聯(lián)規(guī)律，考慮應(yīng)力水平、缺陷尺寸、熱處理狀態(tài)等因素影響，建立了基于斷裂力學(xué)的低溫壓力容器用鋼最低設(shè)計(jì)溫度確定方法，提出了壓力容器及其組成元件相應(yīng)的防低溫脆性斷裂建造技術(shù)要求，相關(guān)成果已形成團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)(T/CMES)《壓力容器防止低溫脆性斷裂技術(shù)要求》(草案)[23]。

1.2.4 高聳塔器防風(fēng)抗振疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)

針對(duì)高聳塔器風(fēng)致疲勞失效，“十二五”以來(lái)，合肥通用院、天津大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)等單位通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，分析了不同風(fēng)速風(fēng)向條件下高聳塔器的應(yīng)力位移時(shí)程響應(yīng)規(guī)律，基于隨機(jī)振動(dòng)疲勞損傷累積理論，建立了高聳塔器風(fēng)致疲勞壽命預(yù)測(cè)、強(qiáng)度校核和擾流減振技術(shù)方法[24-27]。相關(guān)成果制定了T/CMES-16002—2019《鋼制塔式容器風(fēng)致疲勞計(jì)算與評(píng)定方法》[28]，可為提高我國(guó)沿海沿江地區(qū)高聳塔器的防風(fēng)抗振能力提供技術(shù)支撐。

1.2.5 超大容積LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)天然氣進(jìn)口量逐年上升，急需建設(shè)一批LNG接收站，其中特大型LNG儲(chǔ)罐是核心設(shè)備。十多年來(lái)，在國(guó)家相關(guān)部委積極推動(dòng)和行業(yè)共同努力下，國(guó)內(nèi)現(xiàn)已解決了大跨度結(jié)構(gòu)LNG儲(chǔ)罐罐頂和內(nèi)罐穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、罐壁抗震和風(fēng)雪載荷設(shè)計(jì)技術(shù)難題[29-30]，掌握了材料設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、焊接熱處理工藝篩選、壓力液位監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)，研制出1～3萬(wàn)m3LNG單容罐、20～22萬(wàn)m3LNG全容罐，成果應(yīng)用可大幅度降低LNG接收站建造成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2.6 換熱器強(qiáng)化傳熱與強(qiáng)度剛度協(xié)同設(shè)計(jì)

反應(yīng)器是一類集過(guò)程反應(yīng)與熱量傳遞于一體的熱交換設(shè)備，在很多化工裝置中廣泛應(yīng)用。“十二五”以來(lái)，合肥通用院、中國(guó)一重等單位針對(duì)此類熱交換設(shè)備，研究建立了強(qiáng)化傳熱與強(qiáng)度剛度協(xié)同設(shè)計(jì)方法[31-32]，通過(guò)熱物性與傳熱特性計(jì)算有效降低設(shè)計(jì)冗余；開(kāi)發(fā)大直徑薄壁換熱管，有效降低導(dǎo)熱熱阻，提高傳熱效率；變剛性管板為柔性管板連接，開(kāi)發(fā)碟形薄管板和整體鍛環(huán)組合結(jié)構(gòu)，有效降低管板壁厚，由此解決了超大型管殼式熱交換器的輕量化設(shè)計(jì)制造技術(shù)難題，在丁辛醇裝置成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品安全性、適用性和綠色性的有機(jī)統(tǒng)一。

1.2.7 復(fù)合材料壓力容器變強(qiáng)度剛度設(shè)計(jì)

碳纖維復(fù)合材料壓力容器與金屬壓力容器相比重量可減輕40%～60%，適用于對(duì)壓力容器產(chǎn)品輕量化要求較高的場(chǎng)合，如氫燃料電池汽車、航天運(yùn)載火箭等。近年來(lái)，浙江大學(xué)、合肥通用院等單位聯(lián)合國(guó)內(nèi)相關(guān)制造企業(yè)針對(duì)車載高壓儲(chǔ)氫氣瓶，開(kāi)展了大量理論和試驗(yàn)研究，研制出國(guó)內(nèi)首套最高壓力達(dá)140 MPa的碳纖維復(fù)合材料儲(chǔ)氫容器高壓氫循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)，解決了我國(guó)車用高壓儲(chǔ)氫瓶性能測(cè)試技術(shù)難題；研究了纖維纏繞層數(shù)、纏繞角度對(duì)儲(chǔ)氫瓶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命的影響規(guī)律，建立了可變強(qiáng)度可變剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和制造工藝，制定出GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)出70 MPa 鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞高壓氫氣瓶[33]，在上汽集團(tuán)氫燃料電池乘用車示范應(yīng)用。近期正在研制70 MPa塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞高壓氫氣瓶、50 MPa 高壓大容量管束集裝箱[34-35]，在保障產(chǎn)品本質(zhì)安全前提下進(jìn)一步提高儲(chǔ)氫密度、推動(dòng)我國(guó)氫能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京宇航系統(tǒng)工程研究所、中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院等單位正在開(kāi)展液氧貯箱低溫深冷環(huán)境復(fù)合材料力學(xué)行為及界面失效機(jī)制、無(wú)內(nèi)膽貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與絕熱性能測(cè)試評(píng)價(jià)等方面研究，嘗試將復(fù)合材料壓力容器技術(shù)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[36]。

1.2.8 基于泄漏率控制的法蘭密封技術(shù)

我國(guó)石化企業(yè)密封泄漏率普遍在10-4～10-3mg/(s·mm)之間，與發(fā)達(dá)國(guó)家10-5～10-7mg/(s·mm)相比，有較大差距。開(kāi)展基于泄漏率控制的法蘭密封技術(shù)研究，是控制環(huán)境污染、確保裝置安全運(yùn)行的有效途徑之一[37-38]?！笆濉币詠?lái)，合肥通用院、華東理工大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)等單位研究了法蘭密封結(jié)構(gòu)型式、墊片材質(zhì)、尺寸、密封面微觀形貌、介質(zhì)壓力和螺栓預(yù)緊力等因素對(duì)密封性能的影響，基于微觀流動(dòng)機(jī)理，初步建立室溫環(huán)境密封泄漏率預(yù)測(cè)模型，為今后建立基于泄漏率控制的法蘭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造與安裝方法打下了基礎(chǔ)。

基于上述技術(shù)進(jìn)步和全行業(yè)裝備建造能力提升，我國(guó)一批石化工業(yè)壓力容器高性能制造取得了突破(如圖2所示)[39]，30 000 m2芳烴裝置纏繞管換熱器、400 mm超厚鍛件管板環(huán)氧乙烷反應(yīng)器、20萬(wàn)m3/d海水-混合冷劑換熱器、175 t/h中間介質(zhì)氣化器等一批重大裝備實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，保障了千萬(wàn)噸煉油、百萬(wàn)噸乙烯、大型煤化工、液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)等重大工程建設(shè)的順利進(jìn)行；加釩鋼制加氫反應(yīng)器、丁辛醇裝置丁醛轉(zhuǎn)化器、奧氏體不銹鋼深冷儲(chǔ)運(yùn)容器等超大型、重型壓力容器實(shí)現(xiàn)了輕量化制造，有力提升了產(chǎn)品國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力[40-43]。2019年，中國(guó)一重和中國(guó)二重建造的沸騰床渣油加氫反應(yīng)器在鎮(zhèn)海煉化安裝就位[44]，直徑超5 m、長(zhǎng)度超70 m、重量達(dá)2 400 t，再次打破了加氫反應(yīng)器建造記錄；2021年,廣東石化煉化一體化項(xiàng)目抽余液塔吊裝成功[45]，塔高116 m、直徑13.8 m、重量達(dá)4 606 t，再次刷新了塔器高度記錄；2020年，中國(guó)海油氣電集團(tuán)掌握了20～27萬(wàn)m3超大容積LNG全容罐設(shè)計(jì)制造全套技術(shù)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白[46]。此外，我國(guó)核壓力容器建造技術(shù)也取得了重大突破，由上海電氣研發(fā)制造的第四代核反應(yīng)堆壓力容器高約27.5 m、重達(dá)594 t，應(yīng)用于華能石島灣第四代高溫氣冷堆示范工程[47]，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)核壓力容器技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。

圖2 部分國(guó)產(chǎn)化重大裝備

1.3 在役長(zhǎng)周期安全保障技術(shù)

壓力容器投用后要經(jīng)歷長(zhǎng)期的高溫高壓、低溫深冷、苛刻介質(zhì)腐蝕等嚴(yán)峻考驗(yàn)?；陲L(fēng)險(xiǎn)的在役長(zhǎng)周期安全保障技術(shù)是提高壓力容器本質(zhì)安全性、工藝適應(yīng)性、產(chǎn)品綠色性的重要手段，也是提高壓力容器質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)力的另一個(gè)重要方面。21世紀(jì)初以來(lái)，我國(guó)在用壓力容器長(zhǎng)周期安全保障技術(shù)不斷取得新進(jìn)展。

1.3.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)

我國(guó)中石化、中石油等石油化工企業(yè)現(xiàn)已建立具有國(guó)際先進(jìn)水平的過(guò)程工業(yè)裝置承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險(xiǎn)的完整性管理技術(shù)體系，應(yīng)用RBI/SIL/IOWs等工程風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)方法、專業(yè)分析軟件、失效模式與損傷機(jī)理數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了煉油、化工、化肥、煤化工等裝置承壓設(shè)備系統(tǒng)檢維修理念的根本轉(zhuǎn)變，既保障了高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備的本質(zhì)安全，又節(jié)約了企業(yè)檢維修成本[48-53]。近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)正向大型石油儲(chǔ)備基地、天然氣場(chǎng)站、加氫站等成套裝備拓展。

1.3.2 檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)

“十三五”以來(lái)，超聲相控陣、電磁超聲、超聲導(dǎo)波、脈沖渦流、交流漏磁等檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)得到不斷發(fā)展，如合肥通用院研發(fā)的非線性超聲相控陣成像系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)0.2 mm以上閉合裂紋的高靈敏檢測(cè)(如圖3所示)，中國(guó)特檢院開(kāi)發(fā)的大型承壓設(shè)備不停機(jī)電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行急需的不停機(jī)檢測(cè)問(wèn)題[54]等。目前，合肥通用院正針對(duì)大型原油儲(chǔ)罐底板腐蝕檢測(cè)難題，開(kāi)發(fā)全聚焦非線性超聲相控陣在油檢測(cè)機(jī)器人(200 mm膠質(zhì)油泥層，0.5 mm×5 mm以上開(kāi)口裂紋)；針對(duì)300 ℃環(huán)境裂紋在線監(jiān)測(cè)難題，開(kāi)發(fā)非接觸式高溫非線性電磁聲諧振技術(shù)(1 mm以上閉合裂紋的動(dòng)態(tài)變化)；針對(duì)石化裝置變曲率、變管徑工業(yè)管道的內(nèi)檢測(cè)難題，融合圖像視覺(jué)、漏磁和電磁超聲技術(shù)，開(kāi)發(fā)自動(dòng)爬行內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)內(nèi)徑100 mm以上工業(yè)管道腐蝕減薄和開(kāi)口裂紋檢測(cè)(0.5 mm×5 mm以上)[55]。

圖3 非線性超聲相控陣成像技術(shù)

1.3.3 合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)

我國(guó)科技工作者自20世紀(jì)70年代以來(lái)持續(xù)開(kāi)展含缺陷壓力容器合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)研究，先后解決了一般環(huán)境、腐蝕和高溫環(huán)境壓力容器與管道缺陷評(píng)定技術(shù)難題，制定了CVDA—1984《壓力容器缺陷評(píng)定規(guī)范》、GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》、GB/T 35013—2018《承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)》、JB/T 12746—2015《含缺陷高溫壓力管道和閥門安全評(píng)定方法》、NB/T 20013—2010《含缺陷核承壓設(shè)備完整性評(píng)定》等國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2018年國(guó)內(nèi)首次制定頒布的GB/T 35013，參考美國(guó)API 579標(biāo)準(zhǔn)，并吸納國(guó)內(nèi)“九五”以來(lái)科研成果，建立了應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、氫鼓泡、氫致開(kāi)裂、火災(zāi)過(guò)燒、蠕變等腐蝕和高溫環(huán)境承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)方法；2019年，全國(guó)鍋容標(biāo)委在役分會(huì)組織對(duì)GB/T 19624 進(jìn)行了修訂，吸納BS 7910，API 579等國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)最新進(jìn)展和國(guó)內(nèi)相關(guān)研究成果，合理調(diào)整了一次應(yīng)力分安全系數(shù)，提供了內(nèi)壓圓筒內(nèi)表面環(huán)向裂紋、半橢圓軸向裂紋等典型結(jié)構(gòu)的斷裂參量(KⅠ和Lr)計(jì)算方法，以及彎頭、三通等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的極限載荷計(jì)算方法，相比2004版標(biāo)準(zhǔn)，平面型和體積型缺陷的安全評(píng)定更為合理。

1.3.4 網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)

自“十三五”以來(lái)，我國(guó)針對(duì)石化裝置承壓設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)進(jìn)行了有益探索(如圖4所示)[56-57]，針對(duì)腐蝕減薄、環(huán)境開(kāi)裂、材質(zhì)劣化、機(jī)械損傷等4類失效模式、主要損傷機(jī)理，結(jié)合工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與檢驗(yàn)檢測(cè)和失效分析數(shù)據(jù)庫(kù)，篩選了與承壓設(shè)備安全狀況密切相關(guān)的特征參量；融合剩余壁厚、應(yīng)力應(yīng)變、裂紋、溫度在線監(jiān)測(cè)和移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，初步搭建了石化高風(fēng)險(xiǎn)承壓設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)，如常減壓裝置電脫鹽系統(tǒng)和加氫裂化裝置空冷器系統(tǒng)腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)、乙烯裂解爐蠕變損傷監(jiān)測(cè)等，相關(guān)技術(shù)已在惠州煉化、福建煉化、榆林能化、大連恒力等石化企業(yè)示范應(yīng)用。目前，網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)正圍繞兩方面開(kāi)展深入研究，一是開(kāi)發(fā)高溫、超高壓、深冷等極端環(huán)境缺陷監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)，在更大范圍、更高精度上實(shí)現(xiàn)特征安全參量的監(jiān)測(cè)；二是利用海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合裝置DCS，LIMS數(shù)據(jù)，開(kāi)展大數(shù)據(jù)分析，以設(shè)備安全為前提，智能調(diào)控工藝參數(shù)，指導(dǎo)裝置優(yōu)化運(yùn)行。

圖4 典型石化裝置承壓設(shè)備基于特征安全參量的遠(yuǎn)程運(yùn)維

2 未來(lái)高性能制造面臨的技術(shù)需求與挑戰(zhàn)

當(dāng)前，全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速演進(jìn)，雙循環(huán)新發(fā)展格局加速形成。為抓住這一歷史機(jī)遇，推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和國(guó)家重大部署，實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)，本文從產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級(jí)化、極端制造、雙碳戰(zhàn)略、新一代信息技術(shù)等四個(gè)方面來(lái)簡(jiǎn)要介紹我國(guó)壓力容器高性能制造技術(shù)發(fā)展面臨的需求和挑戰(zhàn)。

2.1 產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級(jí)化需求

2.1.1 關(guān)鍵基礎(chǔ)材料及配套焊材

為進(jìn)一步提高我國(guó)壓力容器工藝適用性，建議研發(fā)適用更高和更低使用溫度、高壓臨氫和強(qiáng)腐蝕介質(zhì)環(huán)境的壓力容器用鋼及配套焊材，如：適用于510 ℃高溫臨氫環(huán)境9Cr1MoV鍛件及配套焊材，用于下一代加氫反應(yīng)器建造；適用于900 ℃高溫環(huán)境的鎳基合金N8810及配套焊材，用于多晶硅高溫反應(yīng)器的建造；-40 ℃高壓臨氫環(huán)境調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板(Rm≥780 MPa)及配套焊材，用于加氫站單層鋼制大型儲(chǔ)氫容器的建造；-40 ℃正火型鋼板(Rm≥630 MPa)及配套焊材，用于移動(dòng)罐車、罐箱的建造；-50 ℃調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板(Rm≥690 MPa)及配套焊材，用于乙烯等大型低溫球罐的建造；-60 ℃高強(qiáng)度正火型鋼板(Rm≥490 MPa)及配套焊材，用于丙烷等大型低溫儲(chǔ)罐的建造，適用于強(qiáng)腐蝕介質(zhì)環(huán)境的S31252,S32652,S34553等超級(jí)奧氏體不銹鋼，S25554,S25073,S27603等超級(jí)雙相不銹鋼和S13091超級(jí)鐵素體不銹鋼[58-59]及配套焊材。

2.1.2 關(guān)鍵基礎(chǔ)工藝

鍛件品質(zhì)影響壓力容器的安全運(yùn)行。經(jīng)過(guò)30多年發(fā)展，我國(guó)鍛造技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，已具備一次性提供900 t優(yōu)質(zhì)鋼水、700 t鋼錠、500 t鑄件、400 t鍛件的極限制造能力[60]；但伴隨壓力容器不斷大型化，傳統(tǒng)自由鍛造工藝已難以滿足需求，需要在制坯、除磷、筒節(jié)軋制等工藝方面進(jìn)行攻關(guān)，開(kāi)發(fā)超大尺寸筒(環(huán))鍛軋組合工藝來(lái)制造?7 500 mm以上的特大筒節(jié)，還需解決大型鍛件容易出現(xiàn)的宏觀偏析、縮孔疏松等問(wèn)題。近年來(lái)，中科院沈陽(yáng)金屬所突破了傳統(tǒng)大型鍛件“以大制大”的思路局限，發(fā)明了金屬構(gòu)筑成形技術(shù)，但構(gòu)筑界面是影響大型鍛件質(zhì)量與均質(zhì)程度的關(guān)鍵，其涉及到的物理化學(xué)過(guò)程還有待深入研究，基材表面高效加工與活化工藝、難變形合金和多層異質(zhì)材料的構(gòu)筑成形技術(shù)還有待突破[61]。

2.1.3 核心工業(yè)軟件

目前，我國(guó)壓力容器應(yīng)力分析、流動(dòng)傳熱分析、工藝設(shè)計(jì)分析所用的工業(yè)軟件大部分為國(guó)外產(chǎn)品，急需開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)壓力容器制圖軟件CAD、計(jì)算機(jī)輔助制造CAM、基于風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)RBD等設(shè)計(jì)制造軟件、應(yīng)力分析用有限元軟件(對(duì)標(biāo)ANSYS,ABAQUS等)、流動(dòng)傳熱分析用CFD軟件(對(duì)標(biāo)Fluent,CFX等)、三維制圖軟件(對(duì)標(biāo)UG,PRO/E等)、工藝設(shè)計(jì)分析用流程模擬軟件(對(duì)標(biāo)Aspen Plus,Hysys等)及相關(guān)在役維護(hù)專業(yè)軟件，并加快市場(chǎng)應(yīng)用與迭代升級(jí)，不斷提升我國(guó)壓力容器工業(yè)軟件技術(shù)水平[62]。

2.2 極端制造需求

2.2.1 極端環(huán)境

(1)超高壓聚乙烯反應(yīng)器。

低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物等合成樹(shù)脂是重要的石化基礎(chǔ)原料，一般采用高壓釜式法和管式法生產(chǎn)。其中高壓聚乙烯釜式反應(yīng)器設(shè)計(jì)壓力高達(dá)260 MPa以上，平均反應(yīng)溫度150～300 ℃，服役參數(shù)高、設(shè)計(jì)制造技術(shù)難度大，目前我國(guó)尚未形成相應(yīng)的材料、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[63]。亟需開(kāi)展：①高強(qiáng)高韌超厚鍛件材料開(kāi)發(fā)，反應(yīng)器服役壽命與材料性能的關(guān)聯(lián)規(guī)律，鍛件成分設(shè)計(jì)與性能調(diào)控技術(shù)，低偏析高純凈鋼錠熔煉工藝；②釜體基于壽命的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、密封泄漏率控制技術(shù)；③大長(zhǎng)徑比筒體鍛造、低粗糙度內(nèi)表面加工工藝；④超大長(zhǎng)徑比攪拌器設(shè)計(jì)制造、熱膨脹補(bǔ)償消除與撓曲偏心控制技術(shù)；⑤高靈敏度、高可靠性缺陷無(wú)損檢測(cè)，包括脈沖反射法超聲、超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)。

(2)下一代加氫反應(yīng)器。

在石油資源日益萎縮、原油品質(zhì)不斷劣化的壓力下，迫切需要發(fā)展新的重油加工工藝和煤直接液化工藝，這將進(jìn)一步提升加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)溫度(500～510 ℃)和設(shè)計(jì)壓力。高溫臨氫環(huán)境下2.25Cr1Mo0.25V貝氏體鋼的極限使用溫度為482 ℃，無(wú)法應(yīng)用在500 ℃以上的高溫臨氫場(chǎng)合，因此，性能更優(yōu)的9Cr1MoV馬氏體鋼有望成為下一代加氫反應(yīng)器的替代材料。目前日本神戶制鋼所已利用190 t鋼錠試制出外徑4 550 mm、壁厚310 mm、長(zhǎng)度2 640 mm的筒體[64]。對(duì)加氫反應(yīng)器大壁厚鍛件而言，鍛造、焊接和熱處理等制造工藝涉及到微觀組織、制造缺陷、殘余應(yīng)力等復(fù)雜演變過(guò)程，鍛造缺陷、有害偏析、再熱開(kāi)裂等是必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，需要開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的9Cr1MoV鍛件及配套焊材，探索9Cr1MoV鍛件材料性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝與服役性能之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，開(kāi)發(fā)下一代加氫反應(yīng)器成形成性一體化制造及相應(yīng)的在役檢驗(yàn)維護(hù)技術(shù)。圖5為9Cr1MoV鋼的加氫反應(yīng)器筒節(jié)制造過(guò)程。

圖5 9Cr1MoV鋼加氫反應(yīng)器筒節(jié)制造[64]

(3)超臨界CO2太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)。

超臨界CO2布雷頓循環(huán)的熱電轉(zhuǎn)化效率在50%以上，相比傳統(tǒng)的朗肯循環(huán)(35%)轉(zhuǎn)化效率有很大提升。太陽(yáng)能吸熱器、熔鹽儲(chǔ)罐、熔鹽換熱器、高/低溫回?zé)崞鞯仁浅R界CO2太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵承壓設(shè)備，處于高溫(600～700 ℃)、高壓(～24 MPa)、腐蝕環(huán)境。建議：搭建超臨界CO2布雷頓循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)，探明聚光-集熱-儲(chǔ)熱-發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵器件的失效機(jī)理和損傷演化規(guī)律，建立超臨界流體高效熱量傳遞與熱功轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)高性能吸熱、儲(chǔ)熱、回?zé)嵩O(shè)備，推動(dòng)我國(guó)太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)步。

(4)氮化鎵人工晶體反應(yīng)釜。

半導(dǎo)體和光電等產(chǎn)業(yè)急需4～6英寸GaN單晶襯底制備技術(shù)，該生產(chǎn)工藝具有高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕等特點(diǎn)；其核心設(shè)備為高溫超高壓反應(yīng)釜，設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力高達(dá)650 ℃和150 MPa，介質(zhì)為強(qiáng)腐蝕性，且反應(yīng)釜頻繁開(kāi)啟,因此高溫蠕變、疲勞和密封失效是反應(yīng)釜主要的潛在失效模式[65-66]。亟需攻克高溫高壓反應(yīng)釜鎳基高溫合金材料開(kāi)發(fā)、高溫結(jié)構(gòu)蠕變疲勞交互作用強(qiáng)度設(shè)計(jì)、貴金屬襯里與密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造等關(guān)鍵技術(shù)，形成一套高溫、超高壓、強(qiáng)腐蝕環(huán)境下壓力容器設(shè)計(jì)制造技術(shù)方法，研制出大直徑高溫超高壓反應(yīng)釜，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域空白，推動(dòng)我國(guó)大尺寸、高質(zhì)量第三代半導(dǎo)體單晶襯底的規(guī)?；慨a(chǎn)。

2.2.2 極端尺寸

(1)天然氣液化主低溫?fù)Q熱器。

到2020年底，全球天然氣的液化能力為452.9 MTPA，裝置投產(chǎn)率為74.6%。在全球投用的天然氣液化工廠中，67.5%采用纏繞管式主低溫?fù)Q熱器，以增大換熱面積、提高傳熱效率(見(jiàn)圖6)。為推動(dòng)我國(guó)天然氣液化工廠建設(shè)，需開(kāi)展液化天然氣裝置主低溫?fù)Q熱器技術(shù)攻關(guān)，包括：液化流程與主低溫?fù)Q熱器一體化創(chuàng)新技術(shù)、多組分混合冷劑殼程降膜流動(dòng)與蒸發(fā)的耦合機(jī)理、復(fù)雜相態(tài)流態(tài)下多管程傳熱與流動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真、超大直徑殼程流體的分布技術(shù)、超長(zhǎng)小直徑鋁合金換熱管開(kāi)發(fā)、鋁合金換熱管與管板連接技術(shù)、智能化纏繞技術(shù)、特大型換熱器不停車檢測(cè)技術(shù)等。這些技術(shù)的突破將有助于實(shí)現(xiàn)我國(guó)天然氣液化裝備能力從100萬(wàn)m3/天到100萬(wàn)噸/年、再到800萬(wàn)噸/年的有序推進(jìn)，完善我國(guó)液化天然氣裝備的供應(yīng)鏈[67]。

(2)FSRU印刷電路板式換熱器。

近十年來(lái)，浮式再氣化裝置(Floating Storage Regasification Unit，F(xiàn)SRU)取得了很大發(fā)展，從2005年的單一終端發(fā)展到2021年2月的27座終端。盡管目前陸基氣化接收站和浮式終端的比例為4∶1，但浮式氣化裝置在近年里仍將穩(wěn)定增長(zhǎng)。2020年3月30日，滬東中華造船集團(tuán)有限公司為希臘船東建造的中國(guó)首艘浮式再氣化裝置FSRU如期出塢，但再氣化模塊核心技術(shù)仍需引進(jìn)?；谟∷㈦娐钒迨綋Q熱器(Printed Circuit Heat Exchanger，PCHE)的FSRU氣化技術(shù)研究成為突破模塊核心技術(shù)的焦點(diǎn)。圖7為FSRU印刷電路板式換熱器。

圖6 天然氣液化主低溫?fù)Q熱器

圖7 FSRU印刷電路板式換熱器

根據(jù)液化天然氣的再氣化流程，F(xiàn)SRU印刷電路板式換熱器需要克服的技術(shù)難點(diǎn)包括：超臨界壓力低溫LNG在微小通道內(nèi)的傳熱與流動(dòng)機(jī)理、易燃烴在微小通道內(nèi)的冷凝機(jī)制、乙二醇水溶液與蒸汽(或海水)在PCHE的傳熱技術(shù)、海洋晃蕩工況印刷電路板式換熱器機(jī)械熱力協(xié)同設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)完整性技術(shù)等，最終研制LNG出口壓力12 MPa、LNG流量230 t/h、天然氣出口溫度0～10 ℃的再氣化模塊印刷電路板式換熱器[68]。

(3)LNG運(yùn)輸船用壓力容器。

LNG運(yùn)輸船主要有球罐型、薄膜型和自持式棱柱型三種壓力容器，其在長(zhǎng)度、寬度和容積上都超出了常規(guī)容器，需要承受較大的內(nèi)部液體載荷和劇烈海況，若加強(qiáng)結(jié)構(gòu)布置不合理，則容器剛性不足，容易導(dǎo)致容器壁板發(fā)生翹曲；焊接過(guò)程中若出現(xiàn)不均勻加熱和冷卻，則會(huì)導(dǎo)致各區(qū)域出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的塑性變形，影響結(jié)構(gòu)尺寸精度[69]。為此，針對(duì)大型LNG運(yùn)輸船用壓力容器特殊結(jié)構(gòu)需求，考慮低溫應(yīng)用環(huán)境影響，開(kāi)展多種結(jié)構(gòu)壓力容器分析設(shè)計(jì)、多維度變形協(xié)調(diào)、外加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、現(xiàn)場(chǎng)焊接無(wú)損檢測(cè)和熱處理工藝等核心技術(shù)研發(fā)，保證儲(chǔ)罐在內(nèi)部載荷和劇烈海況下結(jié)構(gòu)的完整性和安全性。

2.2.3 極端載荷

(1)深海探測(cè)外壓容器。

深海圈擁有的油氣、礦物和生物等寶貴資源是陸上資源的數(shù)千倍，具有極高的商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值和科學(xué)意義。深海探測(cè)裝備是實(shí)現(xiàn)深海探測(cè)與深海資源開(kāi)發(fā)的重要裝備，承受海水高靜水壓力作用，作為主要承力結(jié)構(gòu)的外壓容器的屈曲失穩(wěn)是必須考慮的重要失效模式之一[70]。根據(jù)深海探測(cè)裝備的工作深度與水域環(huán)境不同，其外壓容器可選擇圓柱殼、球殼、橢球殼或組合殼等結(jié)構(gòu)形式，其中圓柱形耐壓殼體往往設(shè)置環(huán)向的肋骨加強(qiáng)筋。殼體結(jié)構(gòu)形式、肋骨形式、初始缺陷、動(dòng)態(tài)干擾等因素對(duì)深海探測(cè)外壓容器穩(wěn)定性的影響有待進(jìn)一步澄清。為此，需要研究外壓容器的屈曲、后屈曲失效行為，發(fā)展彈塑性后屈曲判定方法和數(shù)值仿真技術(shù)，開(kāi)展容器外壓試驗(yàn)驗(yàn)證，建立相應(yīng)的極限承載力判據(jù)，為深海探測(cè)外壓容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

(2)深?？臻g站外壓容器。

深?？臻g站已被先后列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》前沿技術(shù)領(lǐng)域和“科技創(chuàng)新2030-重大項(xiàng)目”，其外壓容器需承受15 MPa以上靜水壓力，且在海水中連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十天，所以“海洋金屬”鈦合金成為外壓容器首選主體材料，但大潛深、高壓載、長(zhǎng)停留和長(zhǎng)壽命服役需求帶來(lái)的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題比“蛟龍?zhí)枴陛d人深潛器(停留時(shí)間僅10 h左右)和高強(qiáng)鋼制潛艇(潛深百米級(jí))研制時(shí)遇到的問(wèn)題更為棘手，對(duì)其材料性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)等均提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[71]。需要根據(jù)深?？臻g站的服役工況與設(shè)計(jì)壽命需求，探明大型外壓容器的主導(dǎo)失效模式與損傷機(jī)理，明確國(guó)產(chǎn)鈦合金材料在極端工況下的服役性能與失效演化規(guī)律(包括屈曲、蠕變、疲勞等)，突破大型厚壁鈦合金焊接結(jié)構(gòu)基于壽命的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、殘余應(yīng)力表征與控制、焊接與焊后熱處理工藝、焊接結(jié)構(gòu)保形控性等關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)用于深?？臻g站的大型鈦合金外壓容器，為我國(guó)深?？臻g站的技術(shù)攻關(guān)提供重要支撐。

(3)重載火箭壓力容器重復(fù)使用技術(shù)。

經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，我國(guó)運(yùn)載火箭已具備了自主載人發(fā)射能力、高密度發(fā)射能力、深空探測(cè)與空間軌道轉(zhuǎn)移能力，可實(shí)現(xiàn)低、中、高不同軌道以及不同有效載荷的發(fā)射過(guò)程。目前，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始向技術(shù)難度更高、能夠大幅降低成本的“可重復(fù)使用領(lǐng)域”邁進(jìn)[72]。由于火箭在返回著陸飛行中，經(jīng)歷從亞軌道高度逐漸下降到地面的過(guò)程，飛行環(huán)境復(fù)雜且存在較多隨機(jī)性的擾動(dòng)因素；返場(chǎng)后需要在短時(shí)間內(nèi)對(duì)箭體狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)與維修。為縮短發(fā)射周期和降低成本、實(shí)現(xiàn)重載火箭壓力容器的重復(fù)使用，需要開(kāi)展適應(yīng)運(yùn)載火箭重復(fù)發(fā)射和返回過(guò)程中壓力容器的失效模式與損傷機(jī)理識(shí)別、基于風(fēng)險(xiǎn)與壽命的設(shè)計(jì)制造及檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)壓力容器剩余壽命評(píng)估和無(wú)拆卸快速檢測(cè)維修技術(shù)。

2.3 雙碳戰(zhàn)略需求

2.3.1 氫能安全高效利用技術(shù)

氫能是未來(lái)國(guó)家能源體系重要組成部分，有助于促進(jìn)我國(guó)能源體系綠色低碳轉(zhuǎn)型、推動(dòng)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。氫能儲(chǔ)運(yùn)作為氫能產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)與工藝，目前處于發(fā)展初期，仍存在技術(shù)裝備水平不高等問(wèn)題。為滿足氫能動(dòng)力運(yùn)輸裝備(如氫能源汽車、氫動(dòng)力鐵路機(jī)車、氫動(dòng)力輪船、氫動(dòng)力飛機(jī)等)安全高效用氫需求，需加快研發(fā)高性能碳纖維、改性塑料、高耐候性樹(shù)脂等基礎(chǔ)材料，開(kāi)發(fā)高壓或深冷臨氫環(huán)境服役的特種閥門、密封件等核心基礎(chǔ)零部件，發(fā)展氫能儲(chǔ)運(yùn)壓力容器基于失效模式設(shè)計(jì)制造、產(chǎn)品性能測(cè)試與質(zhì)量評(píng)價(jià)、在役運(yùn)行維護(hù)等關(guān)鍵共性技術(shù)，突破塑料內(nèi)膽精密成型與焊接、Ⅳ型瓶充壓纏繞與固化、塑料內(nèi)膽和金屬閥座長(zhǎng)壽命可靠連接等基礎(chǔ)制造工藝，研制出高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、深冷液態(tài)儲(chǔ)氫、深冷-高壓超臨界儲(chǔ)氫(-240 ℃/20～35 MPa)、高壓-固態(tài)(35 MPa)復(fù)合儲(chǔ)氫等高端產(chǎn)品，確保核心技術(shù)自主可控，推動(dòng)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展(如圖8所示)[73]。

圖8 典型氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備

2.3.2 重型壓力容器輕量化技術(shù)

考慮產(chǎn)品全壽命周期環(huán)境影響和資源效益，壓力容器輕量化制造技術(shù)可以從低合金高強(qiáng)鋼開(kāi)發(fā)、低溫應(yīng)變強(qiáng)化工藝控制等方面展開(kāi)研究，如開(kāi)發(fā)低成本高錳奧氏體鋼HMA400，替代3.5%Ni，5%Ni，9%Ni鋼，大幅降低低溫容器建造成本；開(kāi)發(fā)-253 ℃低溫容器用9%Ni鋼(Rm≥680 MPa)、-269 ℃低溫容器用超高強(qiáng)度奧氏體不銹鋼(含氮，Rm≥690 MPa)，通過(guò)微合金彌散強(qiáng)化，進(jìn)一步提高材料強(qiáng)度，降低溫度下限，減少材料消耗；如開(kāi)發(fā)低溫環(huán)境奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化工藝，進(jìn)一步降低移動(dòng)式壓力容器自重，提高運(yùn)載效率。

2.3.3 基于泄漏率控制的法蘭密封技術(shù)

針對(duì)過(guò)程工業(yè)廣泛使用的法蘭連接產(chǎn)生的泄漏源，今后仍需深入研究高溫高壓有毒介質(zhì)環(huán)境法蘭密封失效機(jī)理、長(zhǎng)周期服役密封性能衰減規(guī)律，建立密封泄漏關(guān)系圖譜及特征數(shù)據(jù)庫(kù)；研究密封泄漏率分級(jí)、基于泄漏率控制的法蘭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)相關(guān)設(shè)計(jì)軟件；研發(fā)有毒有害介質(zhì)環(huán)境低泄漏率密封元件，研究揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)泄漏監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)，建立密封泄漏監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，制修訂法蘭密封相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，為我國(guó)在源頭上抑制法蘭連接VOCs的無(wú)序排放提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

2.3.4 換熱器能效監(jiān)/檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)

節(jié)能和提高能效是能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)二氧化碳大規(guī)模減排的最主要途徑?！短胤N設(shè)備安全與節(jié)能事業(yè)發(fā)展十四五規(guī)劃》強(qiáng)調(diào)要實(shí)施熱交換器的能效提升行動(dòng)。目前，我國(guó)擁有換熱器300余萬(wàn)臺(tái)，具有量大面廣、節(jié)能潛力大的特點(diǎn)，而國(guó)內(nèi)外尚未提出換熱器的能效理論體系與定量評(píng)價(jià)方法。為此建議研究典型間壁式(板式、螺旋板、空冷器等)與接觸式(接觸式空冷和脫硫系統(tǒng)接觸式)換熱器內(nèi)熱質(zhì)輸運(yùn)機(jī)理，分析不同結(jié)構(gòu)參量、熱工參量對(duì)間壁式與接觸式換熱器宏觀熱力特性的影響規(guī)律，獲取傳熱傳質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)與能耗之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立典型間壁式與接觸式換熱器能效指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)方法，最終指導(dǎo)換熱器的高效設(shè)計(jì)與低能耗運(yùn)行，提高能源利用效率[74]。圖9為換熱器能效檢測(cè)評(píng)估相關(guān)參數(shù)。

(a)

2.3.5 壓力容器極限壽命研究及超長(zhǎng)期服役保障技術(shù)

我國(guó)是壓力容器使用大國(guó)，在用壓力容器439萬(wàn)臺(tái)(截至2020年底統(tǒng)計(jì))，其中一部分壓力容器耗材多、價(jià)值高，過(guò)去要么設(shè)計(jì)制造沒(méi)有明確提出設(shè)計(jì)使用壽命；要么簡(jiǎn)單一刀切地按20年確定使用壽命。對(duì)于這批壓力容器，若盲目服役可能導(dǎo)致不安全；若盲目報(bào)廢會(huì)造成資源的巨大浪費(fèi)。為此，建議開(kāi)展壓力容器極限壽命預(yù)測(cè)及超長(zhǎng)期服役安全保障技術(shù)研究，攻克高溫、高壓、低溫、深冷、復(fù)雜介質(zhì)腐蝕等極端工況多參數(shù)綜合模擬測(cè)試技術(shù)，探明極端條件壓力容器宏微觀服役性能退化規(guī)律，建立壓力容器極限壽命預(yù)測(cè)方法，開(kāi)發(fā)超長(zhǎng)期服役壓力容器安全狀況檢測(cè)與診斷評(píng)估技術(shù)，希望成果推廣應(yīng)用使得我國(guó)壓力容器能夠安全健康服役50年。如針對(duì)服役30年以上加氫反應(yīng)器[75]，研究潛在失效機(jī)制的發(fā)生、發(fā)展和終止規(guī)律，考慮氫脆、回火脆導(dǎo)致的材料韌性降低、缺陷容限下降以及其他可能存在的缺陷與損傷，開(kāi)發(fā)高精度無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，建立極限壽命預(yù)測(cè)、安全狀況診斷和在役維護(hù)技術(shù)方法，保障中石化、中石油所屬企業(yè)數(shù)百臺(tái)在役加氫反應(yīng)器的超長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 新一代信息技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

2.4.1 基于人工智能的材料性能調(diào)控技術(shù)

材料基因組學(xué)方法能突破依賴經(jīng)驗(yàn)與試錯(cuò)的傳統(tǒng)材料研究方法的局限性，顯著加快材料研發(fā)速度，開(kāi)發(fā)滿足預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)與壽命需求的材料成分與組織性能調(diào)控技術(shù)。“十三五”以來(lái)，針對(duì)乙烯裂解爐管材料性能提升需求，合肥通用院等單位基于材料基因組學(xué)思想，通過(guò)相圖計(jì)算及元胞自動(dòng)機(jī)方法，研究了材料成分、制備工藝對(duì)顯微組織的影響，基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法，分析了爐管材料成分、顯微組織與宏觀性能的關(guān)聯(lián)規(guī)律，通過(guò)材料成分與組織信息融合方法，初步建立了爐管服役性能預(yù)測(cè)模型(如圖10所示)[76-77]。未來(lái)將進(jìn)一步聚焦高溫合金爐管長(zhǎng)周期服役需求，研究高溫合金爐管長(zhǎng)時(shí)服役過(guò)程的顯微組織演變規(guī)律，開(kāi)展組織性能劣化行為模擬預(yù)測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)高溫耐熱合金爐管材料成分和組織性能的按需設(shè)計(jì)、按需調(diào)控。其他壓力容器新材料開(kāi)發(fā)也可通過(guò)此途徑來(lái)進(jìn)行，按所需性能來(lái)設(shè)計(jì)材料成分和微觀組織。

圖10 高溫合金爐管材料基因組技術(shù)

2.4.2 復(fù)雜結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)

粉末床增材制造具有設(shè)計(jì)自由度大、短流程、效率高、精度好等優(yōu)點(diǎn)，是一種相對(duì)低成本的生產(chǎn)方式，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造方面極具應(yīng)用潛力。例如鑄造金屬換熱器(Cast Metal Heat Exchanger，CMHE)換熱效率高、通道選擇自由，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜(圖11為一種用于CMHE的反向旋轉(zhuǎn)雙螺旋結(jié)構(gòu))，此時(shí)如果采用傳統(tǒng)的鑄-鍛-熱-削-焊分段加工技術(shù)，不但工序多、流程長(zhǎng)、焊縫多，而且無(wú)法整體成形、材料浪費(fèi)嚴(yán)重[78]。針對(duì)這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)換熱器，可開(kāi)展粉末床增材制造技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)CMHE換熱器粉末床增材制造專用材料設(shè)計(jì)方法，攻克粉末制備、形狀精準(zhǔn)控制、組織性能調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)，最終形成CMHE換熱器高性能、高效率粉末床增材制造成套工藝。

2.4.3 智能化遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)

今后伴隨石油化工新工藝不斷應(yīng)用，以及氫能利用、新材料制備、深海油氣開(kāi)發(fā)等新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，壓力容器及其系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期安全運(yùn)行還面臨諸多挑戰(zhàn)。對(duì)于已知的損傷機(jī)理，需要借助大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，研究建立設(shè)備損傷演變規(guī)律與操作工藝之間的定量關(guān)系模型，智能調(diào)控操作工藝參數(shù)，以延緩設(shè)備過(guò)早失效。對(duì)于一些未知損傷機(jī)理[79]，需要在已有風(fēng)險(xiǎn)分析和失效數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，借助新一代人工智能技術(shù)在統(tǒng)計(jì)分析、知識(shí)推理、智能診斷、優(yōu)化調(diào)控等方面的優(yōu)勢(shì)，探明壓力容器在復(fù)雜服役條件下的損傷演化機(jī)制，開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)壓力容器運(yùn)行數(shù)據(jù)的高效采集、海量數(shù)據(jù)的智能分析、健康狀況的智能診斷、失效故障的自主調(diào)控和狀態(tài)自愈，這是壓力容器智能化遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)發(fā)展的重要方向。

圖11 CMHE的反向旋轉(zhuǎn)雙螺旋結(jié)構(gòu)(淺色代表熱側(cè)，深色代表冷側(cè))

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，憑借持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品質(zhì)量提升以及完善的供應(yīng)鏈體系和比較價(jià)格優(yōu)勢(shì)，我國(guó)已成為壓力容器制造大國(guó)，總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。未來(lái)面向國(guó)家“十四五”和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)，面向制造強(qiáng)國(guó)、質(zhì)量強(qiáng)國(guó)建設(shè)和碳達(dá)峰、碳中和重大部署，面向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，我們要實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先，仍需持續(xù)在壓力容器高性能制造技術(shù)方面尋求突破，目標(biāo)導(dǎo)向與問(wèn)題導(dǎo)向相結(jié)合，加強(qiáng)上中下游、大中小企業(yè)融通創(chuàng)新，突破高性能制造基礎(chǔ)前沿和共性關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)高性能關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、核心零部件、關(guān)鍵基礎(chǔ)工藝、核心工業(yè)軟件，夯實(shí)壓力容器產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)，持續(xù)提升我國(guó)壓力容器的質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)力，支撐壓力容器相關(guān)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展。