承压设备技术进展(节选)
The Achievements on the Technology of the Pressure Equipment

中国特种设备检测研究院 寿比南
Shou Binan China Special Equipment Inspection & Research Institute

近期欧洲和美国相继颁布了新的承压设备标准,特别在压力容器领域,欧洲的EN13445和美国的ASME VIII-2 2007全面整理和改编了原有的技术内容,提出了全新的设计理念和设计方法。本文将简要介绍目前承压设备技术的进展状况,同时讨论我国承压设备技术领域的发展方向和需要深入研究的课题。
Abstract Recently European and U.S have issued their pressure equipment codes.Especially in the pressure vessel code, The EN 13445 from European and the ASME VIII-2 2007 from U.S significantly changed the technical contents and hand out the new design model and the methods.. In this paper, an introduction of main achievements on the technology of pressure equipment is given, and some discussions of the projects for the researching in detail are opened up.

承压设备,设计,进展
Pressure Equipment,Design,Progress

一、引言

世界已经进入了经济全球化的发展时期,经济全球化的一个必然趋势是标准的国际化。随着国际资本进入中国建设大型工程装置和国内企业扩大生产装置能力,国际化的工程项目给我国的压力容器行业带来了国际上最先进的技术和管理模式,已经不可避免地给我国的压力容器行业提出了国际竞争,建造大型和高参数承压设备的机会与挑战。
事实上这些装置的建设需求是承压设备行业发展的动力,是发展我国承压设备行业的最好时机,也是和世界技术和管理方式融合的最好时机。因此研究承压设备设计方法和使用最先进的技术手段,是目前行业关注的焦点。
承压设备是一个涉及多行业、多学科的综合性产品,其建造技术涉及到冶金、机械加工、腐蚀与防腐、无损检测、安全防护等众多行业。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,带动了相关产业的发展,在世界各国投入了大量人力物力进行深入的研究的基础上,承压设备技术领域也取得了相应的进展。为了生产和使用更安全、更具有经济性的承压设备产品,传统的设计、制造、焊接和检验方法已经和正在不同程度地为新技术、新产品所代替,而冶金、机械加工、焊接和无损检测等承压设备相关行业的技术进步,是承压设备行业整体技术水平提高的前提条件。
技术发展的动力在于经济的竞争。经济全球化和激烈的竞争使得世界各国必须考虑承压设备的安全性和经济性的和谐统一,因此新的设计方法出现,研究也在不断深入。
当前标准技术的发展趋势有如下特点:
1.针对失效模式的设计方法;
2.计算机技术的广泛应用;
3.更经济的建造方法;
4.体现综合建造技术的技术要求;
5.更广的产品标准适用范围。
本文重点讨论承压设备技术的进展,结合我国的现状,提出关于标准技术的研究方向。希望行业内能够充分重视我国在技术上与先进国家的差距,提高承压设备的建造水平,提高全行业的国际竞争力。

二、承压设备设计技术进展
1、承压设备用材料的技术进展
近年来承压设备产品大型化、高参数化的趋势日益明显,千吨级的加氢反应器、二千吨级的煤液化反应器、一万立方米的天然气球罐、大直径的长输管线和超超临界动力锅炉等已经在我国大量应用,承压设备在电力、石油化工、核工业、煤化工等领域中的应用场合也日益苛刻。因此,耐高温、高压和耐腐蚀的承压设备用材料的研制与开发一直是承压设备行业所面临的重大课题。
对此,各国均投入了大量的人力物力从事相关的研究工作。目前,承压设备用材料的主要研究成果和技术进步表现在以下几个方面:
● 材料的高纯净度:冶金工业整体技术水平和装备水平的提高,极大地提高了材料的纯净度,提高了承压设备用材料的力学性能指标,提高了承压设备的整体安全性。欧洲标准EN 10028和我国的标准GB/T 713、GB3531、GB 19189等都对承压设备用材料提出了更严格的要求;美国ASME现在已经在全面评估承压设备材料标准与实际材料的性能指标的差异,准备修改关于材料的要求。
● 新材料的不断出现、复合材料的使用:ASME Code Case 2390-2规定了复合增强材料容器的结构设计制造检验要求。但仅仅是不完整的设计方法,没有包含任意缠绕角度的设计方法。
● 材料的介质适用性:针对各种腐蚀性介质和操作工况,已研究开发出超级不锈钢、双相钢、特种合金等金属材料,使之适合各种应用条件,给设计者以更多选择的空间,为长周期安全生产提供了保证;
● 材料的应用界限:针对高温蠕变、回火脆化、低温脆断所进行的研究,规定材料的气体含量、J系数、焊接材料的X系数,准确地给出材料的应用范围。
● 更高强度材料的应用:在设备大型化的要求下,传统的材料已经无法解决诸如2.5万立方米天然气球罐、钢厂的大型球罐、20 万立方米原油储罐、大口径管线以及超高压容器的选材问题。目前 σ b≥ 800MPa 的高强容器材料和X80~X100的高强管线用材料的应用正在引起国内研究人员的广泛关注。

2、设计技术进展
现代的承压设备结构设计正在逐步摆脱传统观念的束缚,体现真正满足工艺要求的设计理念,基于承压设备的失效模式,在保证本质安全的前提下,追求实效性、安全性和经济性的和谐统一。在信息时代的今天,计算机技术应用已经渗透到承压设备行业的每一个领域。计算机软、硬件的每一个进步都极大地影响着承压设备行业的技术进展。

(1)以失效模式为依据的设计方法
国际标准ISO 16528综合世界主要工业国家的技术标准规定,参照欧洲标准的内容,针对锅炉和压力容器常见的失效形式,在标准中将其归类为三大类、14种失效模式,明确了针对失效模式的设计技术应用理念:
短期失效模式(Short term failure modes)
● 脆性断裂(Brittle fracture)
● 韧性断裂(Ductile rupture)
● 超量变形引起的接头泄露(Leakage at joints due to excessive deformations)
● 超量局部应变引起的裂纹形成或韧性撕裂(Crack formation or ductile tearing due to excessive local strains)
● 弹性、塑性或弹塑性失稳(垮塌)(Instability– elastic, plastic or elastic-plastic)
长期失效模式(Long term failure modes)
● 蠕变断裂(Creep Rupture)
● 蠕变-在机械连接处的超量变形或导致不允许的载荷传递(Creep - excessive deformations at mechanical joints or resulting in unacceptable transfer of load)
● 蠕变失稳(Creep instability)
● 冲蚀、腐蚀(Erosion, corrosion)
● 环境助长开裂如:应力腐蚀开裂、氢致开裂(Environmentally assisted crackinge.g. stress corrosion cracking, hydrogen induced cracking, etc)
循环失效模式(Cyclic failure modes):
● 扩展性塑性变形Progressive plastic deformation
● 交替塑性Alternating plasticity
● 弹性应变疲劳(中周和高周疲劳)或弹-塑性应变疲劳(低周疲劳)Fatigue under elastic strains (medium and high cycle fatigue) or under elastic-plastic strains (low cycle fatigue)
● 环境助长疲劳Environmentally assisted fatigue
对于压力设备标准,在确定设计准则和方法中至少要考虑如下失效模式:
● 脆性断裂(Brittle fracture)
● 韧性断裂(Ductile rupture)
● 接头泄露(Leakage at joints)
● 弹性或塑性失稳(Elastic or plastic instability)
● 蠕变断裂(Creep rupture)

(2)复杂本构关系和结构
随着计算机能力的飞速发展,承压设备设计技术已经可以解决具有高度复杂本构关系或者复杂结构的工程问题如:
● 各向异性的材料:复合材料、纤维缠绕容器;
● 结构组合分析设计:法兰、垫片和螺栓组成的密封结构、多层壳体的接触问题;
● 复杂结构的曲屈和后屈曲:大型杆、壳组合结构的稳定性分析;
● 组合结构的动力响应:地震响应、管道振动,流体诱导振动等。

(3)大规模数值分析
传统的计算机辅助设计( CAD )已逐步过渡到计算机辅助工程 (CAE)。随着计算机能力的不断增强和分析手段的日益多样化,设计者在结构设计阶段就可以预见到诸如焊接过程中所产生的残余应力、设备组装和运输过程中可能会出现的碰撞等问题,并在设计阶段消除这些问题,分析设计和结构优化设计已经逐渐为设计者所掌握。
计算机硬件技术:技术发展方向的大型计算机、多CPU并行计算系统。计算软件全面发展,针对强度、变形、稳定性、多物理场、流体、爆炸模拟仿真、碰撞模拟仿真等应用,出现了一批商业化的工程软件。
现代软件是集功能完整性、技术先进性与易学易用性于一体的高端通用机械分析软件,以结构力学分析为主,涵盖线性、非线性、静力、动力、疲劳、断裂、复合材料、优化设计、概率设计、热及热结构耦合、压电等机械分析中几乎所有的功能。在特种设备的强度分析方面应用广泛,其中的电磁和声学计算功能可用于特种设备的无损检测方法仿真研究。

(4)多物理场耦合分析
(略)

(5)变设计安全系数的方法
(略)。

(6)安全理念所导致的结构变化
(略)

三、国际承压设备标准技术发展趋势
国际承压设备标准技术的发展方向有以下特点:
(略)

四、承压设备设计技术发展方向
(略)

五、结束语
技术的发展是没有止境的,承压设备的技术发展现在进入了一个高速发展的时期。我衷心地希望业内的专家、学者认真地研究不断出现的新技术,研究成果用于标准化工作,前面推进我国承压设备行业的技术进步。

参考文献
[1] 2007 ASME Boiler & Pressure Vessel Code, VIII Division 2, Alternative Rules, Rules for Construction of Pressure vessels, July 1, 2007.
[2] EN13445:2002 (E) Unfired Pressure Vessels, Part 3: Design, Oct. 14, 2002
[3] 固定式压力容器安全技术监察规程(送审稿)2008
[4] ISO/CD 16528-2004

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