壓力容器的發(fā)展趨勢

    壓力容器的發(fā)展趨勢

    一、前言

    壓力容器基本都是在承壓狀態(tài)下工作，并且所處理的介質(zhì)多為高溫或易燃易爆，危險性極高 ，因此世界各國均將壓力容器作為特種設備予以強制性管理。壓力容器的類型和功能也隨應用場合的不同而隨之變化，其整個設計，制造和使用過程涉及冶金、結(jié)構設計、機加工、焊接、熱處理、無損檢測，自動化等專業(yè)技術門類。因此，壓力容器的技術發(fā)展是在建立在各專業(yè)技術綜合發(fā)展的基礎之上。

    二、 壓力容器本體的發(fā)展方向：

    隨著國際經(jīng)濟，技術的貿(mào)易交流日漸加強和壓力容器的設計，制造及使用管理的成熟化，國內(nèi)外壓力容器的發(fā)展逐漸呈現(xiàn)出以下幾個方向：

    1、 通用化與標準化：

    壓力容器通用化和標準化已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢之一。這是因為通用化與標準化也就意味著互換性的提高，這不僅有利于壓力容器使用單位日常維護與后勤保障，而且能夠最大限度地減少設計和制造成本。同時，對于像我們這樣的出口大國，標準化也意味著獲得了走向國際的通行證。從世界范圍內(nèi)的壓力容器出口大國的實踐分析可以看出，國際化的工程公司可以帶動本國的壓力容器行業(yè)的發(fā)展和標準的國際化認可，從而獲得更大的國際發(fā)言權和豐厚的經(jīng)濟利潤。

    2，特殊化與專業(yè)化：

    通用化與標準化雖然有許多優(yōu)點，但在這類壓力容器只能用在一些普通場合，在具有特殊要求的工作環(huán)境下必須使用具有特殊功能的壓力容器。如核反應容器，水晶加工容器和火箭燃料箱等就要求壓力容器必須具備極強的耐腐蝕，耐高壓和耐高溫能力。正是這些特殊的需求促使壓力容器向著特殊化與專業(yè)化的方向不斷地發(fā)展和進步。

    （1）超高壓容器：它是指工作壓力大于或等于100MP的容器，這類容器在乙烯的聚合，人工水晶的制造等方面已經(jīng)得到了廣泛應用。但其依然存在著制造成本高昂和安全性不夠理想的問題。現(xiàn)在隨著新型材料出現(xiàn)和冶金業(yè)的發(fā)展超高壓容器的耐壓能力和強度極限也在逐步提升，這都將促使超高壓容器進一步發(fā)展。

    （2）高溫壓力容器：所謂高溫﹐通常是指壁溫超過容器材料的蠕變起始溫度(對于一般鋼材約為 350℃)?；鹆Πl(fā)電站的鍋爐汽包﹑煤轉(zhuǎn)化反應器﹐某些堆型(高溫氣冷堆和增殖反應堆)核電站的反應堆壓力容器等﹐都是高溫壓力容器。高溫壓力容器因材料的蠕變會產(chǎn)生形狀和尺寸的緩慢變化。材料在高溫的長期作用下﹐其持久強度較短時抗拉強度低得多。因此選擇材料的主要依據(jù)是高溫持久強度和耐腐蝕性。高溫壓力容器的應力分析比較復雜﹐求理論解相當困難?，F(xiàn)代實踐表明﹐采用有限元法分析是切實可行的。如果容器承受交變載荷(例如反復升壓和降壓)﹐還應考慮疲勞(見疲勞強度設計)和蠕變的交互作用。

    （3）耐強腐蝕壓力容器：由于壓力容器常與酸，堿，鹽等強腐蝕性介質(zhì)接觸，腐蝕不僅造成材料的消耗，而且會引起設備的損壞，原料及產(chǎn)品的流失，污染環(huán)境，甚至造成中毒，火災和爆炸等惡性事故。如運輸硫酸，鹽酸的槽罐，不僅要具備強的耐腐蝕能力，而且對其安全性的要求也非常嚴格，這不是一般的壓力容器所能滿足的。

    （4）低溫壓力容器：它主要應用在液氧，液氮等介質(zhì)的制取，存儲以及低溫超導體的制造過程中，由于其工作溫度一般在-100℃左右甚至更低，這時材料的晶體結(jié)構會發(fā)生變化，造成材料 的強度和塑性大幅度下降，給安全運行帶來隱患。這都要求這類壓力容器在選材上必須注意。

    （5）除此之外，還有容器的大型化與微型化等特殊應用場合。

    三、 壓力容器的專業(yè)技術發(fā)展方向：

    壓力容器是一個涉及多行業(yè)、多學科的綜合性產(chǎn)品，其建造技術涉及到冶金、機械加工、腐蝕與防腐、無損檢測、安全防護等眾多行業(yè)。隨著冶金、機械加工、焊接和無損檢測等技術的不斷進步，特別是以計算機技術為代表的信息技術的飛速發(fā)展，帶動了相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在世界各國投入了大量人力物力進行深入的研究的基礎上，壓力容器技術領域也取得了相應的進展。為了生產(chǎn)和使用更安全、更經(jīng)濟的壓力容器產(chǎn)品，傳統(tǒng)的設計、制造、焊接和檢驗方法已經(jīng)和正在不同程度地為新技術、新產(chǎn)品所代替。

    1、 壓力容器所用材料的技術進展

    近年來壓力容器產(chǎn)品大型化、高參數(shù)化的趨勢日益明顯，千噸級的加氫反應器、二千噸級的煤液化反應器、一萬立方米的天然氣球罐（日本最大的天然氣球罐為三萬立方米）等已經(jīng)在我國大量應用，壓力容器在石油化工、核工業(yè)、煤化工等領域中的應用場合也日益苛刻。因此，耐高溫、高壓和耐腐蝕的壓力容器用材料的研制與開發(fā)一直是壓力容器行業(yè)所面臨的重大課題。對此，各國均投入了大量的人力物力從事相關的研究工作。目前，壓力容器用材料的主要研究成果和技術進步表現(xiàn)在以下幾個方面：

    材料的高純凈度：冶金工業(yè)整體技術水平和裝備水平的提高，極大地提高了材料的純凈度，提高了壓力容器用材料的力學性能指標，提高了壓力容器的整體安全性；

    材料的介質(zhì)適用性：針對各種腐蝕性介質(zhì)和操作工況，已研究開發(fā)出超級不銹鋼、雙相鋼、特種合金等金屬材料，使之適合各種應用條件，給設計者以更多選擇的空間，為長周期安全生產(chǎn)提供了保證；

    材料的應用界限：針對高溫蠕變、回火脆化、低溫脆斷所進行的研究，準確地給出材料的應用范圍。

    更高強度材料的應用：在設備大型化的要求下，傳統(tǒng)的材料已經(jīng)無法解決諸如3萬立方米天然氣球罐、鋼廠的大型球罐、20萬立方米原油儲罐以及超高壓容器的選材問題。目前σb≥800MPa 高強材料的應用正在引起國內(nèi)研究人員的廣泛關注。

    2、 計算機技術的廣泛應用

    在信息時代的今天，計算機技術應用已經(jīng)滲透到壓力容器行業(yè)的每一個領域。計算機軟、硬件的每一個進步都極大地影響著壓力容器行業(yè)的技術進展，其主要表現(xiàn)為：

    設計：傳統(tǒng)的計算機輔助設計（CAD）已逐步向計算機輔助工程(CAE)的方向發(fā)展。隨著計算機能力的不斷增強和分析手段的日益多樣化，設計者在結(jié)構設計階段就可以預見到諸如焊接過程中所產(chǎn)生的殘余應力、設備組裝和運輸過程中可能會出現(xiàn)的碰撞等問題，并在設計階段消除這些問題，分析設計和結(jié)構優(yōu)化設計已經(jīng)逐漸為設計者所掌握；

    制造：計算機輔助制造(CAM)技術正在逐步改變壓力容器制造廠傳統(tǒng)的工藝生產(chǎn)方式，質(zhì)量管理意識和生產(chǎn)方式已經(jīng)發(fā)生了深刻的變革。壓力容器全過程的計算機管理使得所有控制點均能得到有效的控制，極大地減少了人為失誤，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，保證了生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本的降低；

    焊接：計算機控制的仿形焊機、激光焊機和全位置自動焊機的應用，極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；

    無損檢測：計算機射線實時成像、超聲掃描模擬成像和多通道聲發(fā)射等技術的應用，再配以專門研制的專家系統(tǒng)，使檢測的結(jié)果更加準確和客觀。特別是超聲掃描模擬成像缺陷探察技術（TOFD）已經(jīng)成功地用于核設備、加氫反應器等厚度大于100mm的重型容器。這對提高重型容器的生產(chǎn)效率和減少射線污染起到了積極的作用。我國在煤液化裝置反應器的建造中開始應用該技術解決現(xiàn)場進行無損檢測的問題。

    3、 結(jié)構設計

    現(xiàn)代的壓力容器結(jié)構設計正在逐步擺脫傳統(tǒng)觀念的束縛，體現(xiàn)真正滿足工藝要求的設計理念，追求實效性、安全性和經(jīng)濟性的和諧統(tǒng)一。

    結(jié)構的合理性設計：標準中對壓力容器的具體結(jié)構形式不予限制，因此壓力容器結(jié)構所受的制約較少，給設計者很大的發(fā)揮空間，有利于設計出更加合理的結(jié)構。另外，分析設計手段的運用和驗證性試驗的實施為結(jié)構的合理性設計提供了必要的保障。例如模塊化的設計方法，它是按照壓力容器上各個部件功能的不同將完成同一功能的各部件作為一個小的整體來進行研究，像安全防護裝置部分，罐體部分等，它不僅使得壓力容器的維護更加簡便，而且能在很大程度上能夠縮短研制周期，加速技術升級。

    結(jié)構的經(jīng)濟性設計：壓力容器的安全性和經(jīng)濟性的和諧統(tǒng)一一直是設計者的追求，應力分析標準就是應此要求而出現(xiàn)的。焊接鋼管的使用和特殊結(jié)構的應用，在很大程度上是考慮了壓力容器結(jié)構的經(jīng)濟性。

    結(jié)構的可靠性設計：傳統(tǒng)的安全系數(shù)設計法為了“保險”起見，往往將安全系數(shù)的取值偏大，使得所設計的壓力容器及零件的結(jié)構尺寸偏大，不僅浪費材料，而且由于各個零件的壽命和強度難以保證合理的匹配，結(jié)果造成最終產(chǎn)品1+1<2的情況。而可靠性設計中將部分參數(shù)作為隨機變量來處理，對其進行統(tǒng)計并建立統(tǒng)計模型，用概率統(tǒng)計法進行計算，能夠全部掃描設計對象，所得結(jié)果更符合世界情況。
   

    4、 安全系數(shù)的降低

    為了增加本國產(chǎn)品的競爭性，降低安全系數(shù)是目前世界各國和地區(qū)壓力容器標準的普遍傾向，我國也提出了將特定材料按分析設計方法設計的安全系數(shù)nb降為2.4的提案。安全系數(shù)的降低關系到壓力容器標準的基礎，對壓力容器行業(yè)的經(jīng)濟性及安全性影響極大，必須慎之又慎。降低安全系數(shù)的前提條件是： 結(jié)構分析設計水平的提高； 制造經(jīng)驗的積累和制造技術水平的提高；更嚴格的材料技術要求；更科學的質(zhì)量保證體系。

    四、壓力容器行業(yè)的發(fā)展趨勢：

    進入了經(jīng)濟全球化的發(fā)展時期，經(jīng)濟全球化的一個必然趨勢是標準的國際化。

    美歐等各大經(jīng)濟實體都把爭奪標準的主導權作為爭奪市場的主要目標，投入了大量的人力物力，在標準技術上推出了新的內(nèi)容；

    1、行業(yè)標準的國際化：

    標準國際化是標準技術內(nèi)容與國際標準相容，而不是簡單地照搬國際標準的所有內(nèi)容。對國際標準應進行系統(tǒng)的分析研究，在基本要求上符合國際標準，在特殊問題上突出自己的特有技術和管理方式，最終階段性地實現(xiàn)標準間的互相認可。

    趨同性：信息技術的高速發(fā)展，使世界范圍內(nèi)的先進技術迅速普及，圍繞技術發(fā)展的技術標準也必然為技術的使用者所接受，因此世界范圍內(nèi)的壓力容器技術要求正在向統(tǒng)一的方向發(fā)展。

    相容性：盡管世界上的各國的技術標準的技術內(nèi)容不完全相同，但各國都把自己的標準與其它標準相容作為目標，以實現(xiàn)標準的互相認可。ASME（日本技術標準）在1999年進行一個研究項目，對PED（歐洲技術標準）進行徹底分析，并將PED的ESR與VIII-1對設計、建造和行政管理的要求進行系統(tǒng)的比較，證明ASME標準增加一些內(nèi)容以后就可以滿足PED的要求。

    貿(mào)易性：標準是國際貿(mào)易規(guī)則的組成部分和貿(mào)易糾紛仲裁的重要依據(jù)，主宰國際標準將有利于獲得巨大的市場份額和經(jīng)濟利益實施國際標準化戰(zhàn)略的實質(zhì)是爭奪國際市場的控制權。

    2，技術法規(guī)和技術標準之間的相互協(xié)調(diào)：

    國家的技術法規(guī)是國家為保證壓力容器產(chǎn)品的安全而設立的強制性法規(guī)，任何其管轄范圍內(nèi)的產(chǎn)品都必須遵守它的安全原則；技術標準是推薦性的，規(guī)定保證壓力容器安全所相應的產(chǎn)品質(zhì)量技術指標，但標準所規(guī)定的技術指標應該符合技術法規(guī)的安全原則，可以指導壓力容器的設計、建造、檢驗和驗收，是壓力容器產(chǎn)品建造和貿(mào)易中的技術評價平臺。因此，技術標準與技術法規(guī)應該是總體協(xié)調(diào)的，但在作用和其它方面是有區(qū)別的。

    原則性和工程性：技術法規(guī)管轄產(chǎn)品的最基本的安全要求;標準除了要符合這些基本要求之外，還要規(guī)定在工程上滿足基本安全要求的具體方法和合格指標。技術法規(guī)的數(shù)量很少，但管轄的范圍很寬；與之配套的協(xié)調(diào)標準會涉及到材料、設計計算方法、成形，焊接、無損檢測、壓力試驗等一系列技術標準內(nèi)容。

    穩(wěn)定性和時效性：國家的技術法規(guī)是國家的行政法規(guī)的一部分，其內(nèi)容的相對穩(wěn)定不變對行業(yè)的安全管理有利；而協(xié)調(diào)標準是實現(xiàn)產(chǎn)品安全質(zhì)量的技術規(guī)則，要與時俱進，隨時反映行業(yè)的綜合能力和相應技術的發(fā)展。

    因此，研究調(diào)整技術法規(guī)與技術標準之間的協(xié)調(diào)關系，明確技術法規(guī)與技術標準的界定范圍，應引起國家有關機構的充分重視。

    3、產(chǎn)業(yè)市場化和生產(chǎn)專業(yè)化；

    競爭必然導致生產(chǎn)模式的改變，形成以核心企業(yè)為主導、大中小企業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展、分層次競爭的產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構。市場配套和專業(yè)化生產(chǎn)是今后壓力容器行業(yè)的主要格局，也是發(fā)展的方向；加強標準化工作有助于實現(xiàn)專業(yè)化協(xié)作，這種強調(diào)市場配套和專業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構必須以技術上的高度統(tǒng)一為前提，標準化恰恰是實現(xiàn)技術統(tǒng)一的基礎，因此標準是專業(yè)化協(xié)作的橋梁和紐帶。

    總結(jié)：壓力容器本體，專業(yè)技術及行業(yè)的發(fā)展是相互影響，相互促進的。只有在材料，冶金，加工工藝，檢測等技術得到了實質(zhì)性的發(fā)展的基礎上，壓力容器的安全性，可靠性才能得到提高，壓力容器性能的提升又將促使行業(yè)標準的提高，而這又將反過來進一步促進壓力容器的專業(yè)技術與本體的繼續(xù)發(fā)展。合理地處理好三者之間的相互關系，將使壓力容器行業(yè)進入一個健康，有序的發(fā)展軌道。