压力容器技术进展..

压力容器技术进展

北京化工大学机械工程学院CAE中心徐鸿2006-5-12

1.引言

压力容器技术是从上个世纪初叶开始发展的一门应用技术。这门技术的主要目标是处理好压力容器中安全与经济这对矛盾。经过上个世纪的发展，现代压力容器技术已成为一门涉及设计、材料、制造、检验、使用和管理等多种技术领域的综合技术。

压力容器技术的发展主要取决于两方面的因素:

（1）经济发展对能源和人造（合成）新材料的需要;

（2）相关科学技术的发展与进步。不是仅仅取决于单项相关科学技术的发展，而是取决于多项相关科学技术的集成，也就是说，只有各相关科学技术的协调发展才能有效地促进压力容器技术的进步。

2.压力容器的设计与安全分析

计算机技术介入压力容器的设计与安全分析，使压力容器的设计与分析发生了革命性的变化。

2.1 常规设计效率大大提高

（1）按常规设计规范的压力容器设计计算已有计算机软件可用，软件带有丰富的数据库，并有自动纠错功能，还可将结果直接打印成完整的设计计算书；

（2）铅笔-图版-丁字尺的制图方式已被CAD技术所淘汰，CAD软件带有丰富的图形库和数据库，设计制图的效率与质量都有极大的提高。

2.2 设计的一大进展还体现在安全系数的降低上：美国 n b 由4.0降至

3.5；欧洲 n b,min = 1.875；我国正在研究将 n b 降至2.6。安全系数的降低反映了下列多方面的技术进展：结构分析水平的提高；制造技术的提高；更严格的材料技术要求；更科学的质保体系等。

2.3 分析设计能更理性地处理安全与经济这对矛盾

（1）计算机和有限元分析法的发展使基于应力分析的压力容器分析设计成为可能。比常规设计法更为理性化的分析设计法对压力容器的安全与经济这对矛盾处理得更好，可在保证容器更安全（例如，可预测容器在多种工况下的性能，使得在设计阶段就可消除将来可能发生的许多问题；可预防塑性铰失稳、塑性疲劳、棘轮效应和疲劳断裂等失效的出现）的条件下达到壁厚更薄、重量更轻、成本更低的目的；还可进行结构优化分析，使容器结构更为合理。

（2）发展了和正在发展多种压力容器及其零部件的安全分析技术：如，静密封结构的紧密性（泄漏率）分析；容器的低周疲劳分析；蠕变分析；缺陷评定（残余寿命预测）；事故分析；压力容器可靠性分析和风险分析；膨涨节分析；换热器管板分析；换热器管束流体诱导振动分析，等等。

3.压力容器用材

3.1 压力容器对材料要求很高：高强度，高韧性；高温强度；低温韧性；耐腐蚀性；良好的工艺性能（主要是可焊性）等。这是促进压力容器用材不断发展的基本动力。

3.2 冶金科学技术的进步，如炉外精炼、真空处理、连续铸锭、控轧工艺、微合金化等技术，使压力容器用钢的性能得到了显著提高。主要是大大提高了钢的洁净度，降低杂质和气泡含量；精确控制合金元素成分与钢的组织结构，可得到质量良好的压力容器用钢。

3.3 材料的介质适用性研究针对介质和工况开发出适用的材料；针对高温蠕变、回火脆化、低温脆断的研究准确给出了各种钢材的应用范围，大大提高了设计时选材的可靠性。

3.4 新型压力容器用材开始部分代替传统的压力容器用钢：有色金属材料；非金属材料；复合材料。

4.压力容器制造技术

大多数压力容器制造的特点主要是单件小批生产。容器制造技术的进展体现在焊接、热处理、压力加工和机械加工等各个方面。容器制造技术进展的结果是劳动生产率大幅度提高、质量提高、劳动强度降低、劳动环境改善、产品范围扩大。

4.1 焊接技术的进展对压力容器制造技术促进最大。

（1）针对容器制造发展了多种焊接设备，如全位置自动化电焊机、智能灵巧型焊接系统和专用焊接设备。（2）针对各种压力容器用钢研究出了它们的整套的具体焊接工艺条件，如焊前预热条件、焊接电流电压电极等工艺参数、焊后热处理条件等。

（3）针对各种压力容器用钢研究出了相应的焊接材料。

（4）发展了超薄超厚钢板焊接和超窄焊缝的焊接技术。

4.2 其它压力容器的重要制造技术进展举例

(1)旋压法制造容器封头技术

(2)液压胀管技术

(3)大型容器或设备现场焊后热处理技术

4.3 压力容器的专业化社会化生产

压力容器的专业化主要是指容器中已标准化的零部件由专业化的厂家生产, 压力容器生产厂家购进后再装配成非标准的压力容器. 压力容器标准化零部件的专业化社会化生产一方面可以克服“大而全”、“小而全”、设备利用率低、机构臃肿、生产成本高等缺点；另一方面可以保证或提高标准化零部件的生产质量。因而是发展方向。

5. 无损检测技术

5.1 无损检测技术是保证压力容器可靠性的关键技术

压力容器用原材料质量检验、制造过程中焊缝的质量检验、使用过程中缺陷的状态监测都要用到无损检测技术。已经发展了许多种无损检测技术，例如，X射线或 射线探伤、超声波探伤、声发射探伤、磁粉探伤等。

5.2 无损检测技术发展趋势

——发展重点已从射线探伤转向超声波探伤和声发射探伤。等，主要是要减轻射线对环境的污染。

——用计算机技术和数字化技术来处理无损检测结果，如计算机射线实时成像技术、超声扫描模拟成像技术、多通道声发射技术等，配以专家系统，结果准确、客观，并便于记录保存。

6. 使用、维护和管理

6.1 在线监测系统对使用中的压力容器的状态进行连续的监测与记录，并与正常状态对比以确定偏离是否在允许范围之内。

6.2 故障诊断专家系统如在线监测系统发现偏离超出了允许范围，在线监测系统一方面将发出警告，另一方面将启动故障诊断专家系统，对出现问题的原因提出参考意见，以利于工程负责人做出正确的处理决定。

6.3 安全评定技术如在线监测系统检测到容器出现了缺陷，可以利用安全评定技术来评定该容器是否还可以带缺陷工作，以及该容器还有多长的剩余寿命。

6.4 加强管理：建立质量保证体系（QA）或质量控制体系（QC）

现代质量保体系理论的要点是：

A）生产中的问题应通过工人与管理阶层的合作来解决；

B）质量问题要在制造过程中的每个阶段上都予以强调；

C）大多数产品缺陷和服务问题并不是由于工人的粗心造成的，而是由于管理上的错误造成的。

现代质保体系理论在工业实践中得到了极大的成功，产品质量提高，生产利润增加，企业发展加速。现在，加强管理，建立严格与科学的质量保证体系已成共识。

7. 压力容器标准的国际化趋势

压力容器标准国际化，既是全球经济一体化趋势的要求，也是这一趋势发展的必然结果。这一进程目前正在加速进行：

A）1997.5欧洲议会批准了“欧洲统一的压力设备指令”；1999.11该指令已成为欧盟各成员国的法规；

B）欧洲统一压力容器标准正由欧洲标准化委员会组织制订之中；

C）ISO/TC11提出了ISO-16528国际锅炉压力容器标准草案。这是一个设备标准通则，其目的是消除各国标准中可能出现的技术壁垒，实现全球压力容器产品的自由贸易。

8. 我国压力容器行业面临的机遇与挑战

加入WTO是我国压力容器行业参与国际竞争的绝好机遇与挑战。

——说是机遇，是因为：

A）从压力容器生产的数量和吨位来说，我国是压力容器生产大国；但从产品质量和技术含量来说，我国又不是压力容器生产强国。

B）我国压力容器生产的整体技术水平与国际先进水平差距不大。

C）我国有劳动力成本低的优势。

——说是挑战，是因为要抓住这一绝好机遇，打入国际大市场，还必须尽快解决许多弱点问题，主要的如下： A）提高压力容器用钢的国产化水平；

B）提高管理水平和质量意识，创造企业名牌；

C）了解与适应国际化的市场竞争；

D）提高社会化、专业化的生产能力；

E）提高企业的研究开发能力，发展有自主知识产权的高

技术含量产品；

F）提高企业标准，使之高于国家标准。