论文部分内容阅读
摘要:隨着社会的不断发展与进步,重视压力容器现代技术进展具有重要的意义.本文主要探讨压力容器现代技术进展的有关内容.
关键词:技术压力 容器 强度 刚度
Abstract: with the continuous development of society and progress, and pay attention to the pressure vessel modern technology progress is of great significance. This article mainly discusses the pressure vessel the relevant contents of the modern technology progress.
Keywords: technology pressure vessel strength stiffness
中图分类号： TH49文献标识码：A文章编号：
引言
压力容器是一种应用广泛的重要工程装置。大型压力贮罐、氨合成塔、尿素合成塔、石油加氢反应器、导弹壳体和液氢、液氧燃料压力容器，以及核堆压力壳等是国际上公认的高科技重大承压装备。纤维复合材料和普通钢制是当今世界压力容器技术的两大种类。作者开创了一种新的具有优良综合特性，已含国家发明奖励和18项中美专剁成果的抗爆钢复合材料压力容器技术，使压力容器的使用安全性和制造经济性发生了极大的变革；其典型代表钢带缠绕式压力容器，已被美国机械工程师学会正式列入ASME标准，居国际领先水平，将为21世纪国际压力容器的设计、制造和安全保障技术的发展开创出新的局面。
1.压力容器的重要应用和基本特点
压力容器在压力、温度、介质和长期操作循环作用下，应力状态十分复杂，主要有：环向应力为轴向应力的2倍，解决其轴向强度问题却十分困难，因容器往往长达40 m或更长；内壁环向应力总是大于外壁，壁厚大时内壁会先行屈服失效；筒壁裂纹尖端的应力强度因子或裂纹张开位移可能超过材料的断裂韧性而扩张和失稳断裂；随着使用时间的推移，容器材质性能指标有恶化倾向，尤其在腐蚀或辐射介质作用下，断裂韧性甚至可能严重丧失。
压力容器是当代化工、炼油、石化、冶金、轻工、食品、宇航、海洋以及核站等广泛应用的关键设备。其中，诸如大型压力贮罐、氨合成塔、尿素合成塔、石油加氢反应器，以及核堆压力壳等都是国际上公认的高科技重大装备。应力状态复杂，使用条件苛刻，大型化，制造运输困难，安全状态难以实现自动监控，潜在断裂爆破危险等，是当代压力容器技术的基本特点。国际上压力容器单台造价超千万美元和发生突然断裂、泄漏、爆炸、燃烧、中毒等严重后果的事例常见，因此，发展科学合理的压力容器技术关系重大。
2.技术先进的压力容器的“多功能”特性
1)具有足够的强度和刚度。压力容器应满足设计工况下的静压强度、刚度、温差应力、疲劳强度、断裂韧性、介质腐蚀作用及其安全裕量等方面的要求，且受力静定。现有国际上各种压力容器的壳壁均仅具有这些功能。这些功能只是压力容器的最基本的功能。
2)裂纹缺陷被自然分散。即使是造价高昂的电渣重熔整体锻造大型厚壁高压容器，其隐藏和萌生的疲劳、腐蚀等裂纹缺陷往往也难以避免。如果原始制造缺陷和萌生的腐蚀与疲劳裂纹，均能被容器壳壁“自然分散”，且其尺寸都很小，就可根本避免因裂纹扩展而引发灾难性断裂爆破的后果。
3)自我抑爆或抗爆。压力容器发生爆破将带来极其严重的破坏后果。所以，压力容器不论大小和厚薄，其壳体均应具有在工作压力条件下即使发生严重裂纹扩展，也具有自我抑爆或抗爆的功能。
4)自动收集泄漏介质。压力容器设备由于各种原因易发生内部介质严重泄漏的事故。为防止因泄漏而引发燃烧、爆炸、中毒等严重后果，作为压力容器设备的壳体结构，也应具备自动作出收集泄漏介质，并自动作出适当安全处理的功能。
5)继续保持暂时工作的能力。压力容器设备即使因内部介质发生泄漏而引发突然紧急停车或停用，不论对大型化工或能源生产过程，还是对小型车用燃气贮存系统，都将带来严重的后果。所以，作为压力容器，即使发生严重介质泄漏时，其壳体结构也应具有继续保持暂时工作状态的功能，为作出较为妥善的安全处理赢得时间。
6)实现经济可靠全面的在线安全状态自动监控。任何压力容器始终潜在因腐蚀、疲劳及韧性恶化等原因而引发的突然断裂破坏的危险。所以，作为压力容器的壳体结构应能具备自我抑爆和实现经济可靠的在线安全状态，包括内壁的腐蚀状态及时自动报警监控的功能。从长远发展观点看，实际上这比采取其他安全技术措施要彻底和有效得多。
7)按需改变内外层构造材料。除了内壁衬里或堆焊耐腐蚀层以外，作为压力容器，其壳体应具有可按需灵活改变内外层构造材料的功能，包括铝和钛合金的合理应用，以改变壳壁功能和合理复合承力，适应各种应用需求。
8)适应其他特殊需要。除可按需开孑L接管外，压力容器设备壳体也应可在内壁、外壁和层间，按需便于设置壳体内壁直接冷却或加热系统，及其他如阻隔辐射等某种特殊发展需要的功能。
9)尽量减少焊接和整体精密机械加工。大量的焊接工作和整体大型精密机械加工，以及因焊接而引起质量检验与整体热处理的要求，是使压力容器设备形成制造缺陷和显著增加制造成本的基本因素。因此，壳壁结构减少焊接，尤其是纵向与环向的深厚焊缝，以及整体大型精密机械加工的特性，将可使压力容器带来成倍提高制造工效和显著降低成本的突出效果。
10)适当降低设计安全系数。由于隐藏的裂纹等缺陷可被壳体结构(如与单层壳体厚度相同的“双层结构”)自然分散而显著减小，采用窄薄截面原材料的断裂韧性还可被显著提高。因而，据现代静压强度、断裂疲劳和可靠性理论，即使采用现有相同化学成份，但轧压比或锻造比可比筒节锻造高20倍的窄薄截面材质来制造压力容器，其强度设计安全系数也可从目前普遍采用的3降低至2．5左右，而仍可保持比单层结构更高的可靠性或更低的失效概率(如低达1×10-10／台琠)。若以上述多功能壳的新理念来衡量现有国际上各种纤维缠绕和各种钢制压力容器的壳壁，不论其大小和厚薄，也不论单层、多层或缠绕结构，即使对当代应用于制造核堆压力壳的最重要的压力容器壳壁，也均显得甚为欠缺，许多如抑爆抗爆等重要功能特性都不具备。因为，它们在构造技术理念上均主要只限于要具有足够的强度与剐度，以及必要时的减轻质量、开孔接管和堆焊内壁耐腐蚀层等方面的功能。
3.压力容器技术发展趋势
（1）标准和规范国际化、一体化。受经济全球化趋势的影响，压力容器产品也将在国际上实现流通贸易。首先压力容器产品的设计制造所依据的标准规范必须为各方所认可，其前提是各国参与技术交流、标准制定，而近年来这方面的工作已得到开展。我国2001年11 月已加入WTO ，这对于我国的压力容器行业而言，是一次极大的机遇与挑战，是参与国际竞争的一个重要前提，是与国际接轨的标准化工作。
（2）压力容器领域里计算机技术的应用将得到全面发展与完善。主要体现在以下几个方面：压力容器设计；应用计算机技术开发出的压力容器设计软件程序，能够获取设计过程中所要的设计参数、结构优化、应力计算、材料选用等。压力容器制造；模拟压力容器的制造过程，焊接过程中的残余应力及其设备组装过程，还可仿真所设计制造的压力容器工作原理、运动过程。缺陷检测，应用计算机技术的先进检测方法有计算机射线实时成像、超声扫描模拟成像以及多通道声发射技术，配以专门研制的专家系统和人工智能系统，实现缺陷识别的自动化和智能化，结果更加客观准确。
（3）专业化的生产。市场经济激烈的竞争和压力容器产品固有的苛刻要求，使得压力容器产品的生产专业化程度越来越高，随之出现了标准零部件制造、供应单位，如专业封头制造厂，管件制造厂，热处理单位，无损检测单位等，这互相独立的制造厂和单位，使得压力容器产品的生产更高效，检测更得力。
（4）过程质量与安全监控技术。利用信息技术、传感技术、互联网络技术等现代技术对压力容器设计、制造、服役阶段等过程质量与安全进行检验与监控，实现基于网络技术的信息共享与技术集成，从而使整体技术水平大大提升。
（5）以信息技术和新材料技术为基础的先进再制造技术在过程工业领域的应用将会有极大的发展，特别是在已有的过程装置的运行中将有所作为，并为过程装备逐步过渡到新一代产品的转型提供技术保证。
结束语
随着冶炼、机械加工、焊接和无损检测技术的不断进步，特别是计算机技术的飞速发展，压力容器技术在材料、设计、制造工艺、缺陷分析、探伤与检验等方面都有了长足的进步，其规范和标准也日趋完善。
参考文献
[1] 朱国辉，郑津洋．新型绕带式压力容器[M]．北京：机械工业出版社，2010
[2] Fryer D M，John F，Harvey J F．High pressure ves—sels[M]．US，Chapman&Hall，2010
[3] Manesh Shah，Zhu Guohui．Burst resistant ribbonwound pressure vessels for ammonia plants[J]，Pro—cess Safety Progress，AICHE，2009，17
[4] Fryer D M，Zhu Guohui，Lee Shihming．Applyingrecent ASME BPV code case 2229 for flat—ribbonwound layered pressure vessels，PVP，344，ASME，2011
关键词:技术压力 容器 强度 刚度
Abstract: with the continuous development of society and progress, and pay attention to the pressure vessel modern technology progress is of great significance. This article mainly discusses the pressure vessel the relevant contents of the modern technology progress.
Keywords: technology pressure vessel strength stiffness
中图分类号： TH49文献标识码：A文章编号：
引言
压力容器是一种应用广泛的重要工程装置。大型压力贮罐、氨合成塔、尿素合成塔、石油加氢反应器、导弹壳体和液氢、液氧燃料压力容器，以及核堆压力壳等是国际上公认的高科技重大承压装备。纤维复合材料和普通钢制是当今世界压力容器技术的两大种类。作者开创了一种新的具有优良综合特性，已含国家发明奖励和18项中美专剁成果的抗爆钢复合材料压力容器技术，使压力容器的使用安全性和制造经济性发生了极大的变革；其典型代表钢带缠绕式压力容器，已被美国机械工程师学会正式列入ASME标准，居国际领先水平，将为21世纪国际压力容器的设计、制造和安全保障技术的发展开创出新的局面。
1.压力容器的重要应用和基本特点
压力容器在压力、温度、介质和长期操作循环作用下，应力状态十分复杂，主要有：环向应力为轴向应力的2倍，解决其轴向强度问题却十分困难，因容器往往长达40 m或更长；内壁环向应力总是大于外壁，壁厚大时内壁会先行屈服失效；筒壁裂纹尖端的应力强度因子或裂纹张开位移可能超过材料的断裂韧性而扩张和失稳断裂；随着使用时间的推移，容器材质性能指标有恶化倾向，尤其在腐蚀或辐射介质作用下，断裂韧性甚至可能严重丧失。
压力容器是当代化工、炼油、石化、冶金、轻工、食品、宇航、海洋以及核站等广泛应用的关键设备。其中，诸如大型压力贮罐、氨合成塔、尿素合成塔、石油加氢反应器，以及核堆压力壳等都是国际上公认的高科技重大装备。应力状态复杂，使用条件苛刻，大型化，制造运输困难，安全状态难以实现自动监控，潜在断裂爆破危险等，是当代压力容器技术的基本特点。国际上压力容器单台造价超千万美元和发生突然断裂、泄漏、爆炸、燃烧、中毒等严重后果的事例常见，因此，发展科学合理的压力容器技术关系重大。
2.技术先进的压力容器的“多功能”特性
1)具有足够的强度和刚度。压力容器应满足设计工况下的静压强度、刚度、温差应力、疲劳强度、断裂韧性、介质腐蚀作用及其安全裕量等方面的要求，且受力静定。现有国际上各种压力容器的壳壁均仅具有这些功能。这些功能只是压力容器的最基本的功能。
2)裂纹缺陷被自然分散。即使是造价高昂的电渣重熔整体锻造大型厚壁高压容器，其隐藏和萌生的疲劳、腐蚀等裂纹缺陷往往也难以避免。如果原始制造缺陷和萌生的腐蚀与疲劳裂纹，均能被容器壳壁“自然分散”，且其尺寸都很小，就可根本避免因裂纹扩展而引发灾难性断裂爆破的后果。
3)自我抑爆或抗爆。压力容器发生爆破将带来极其严重的破坏后果。所以，压力容器不论大小和厚薄，其壳体均应具有在工作压力条件下即使发生严重裂纹扩展，也具有自我抑爆或抗爆的功能。
4)自动收集泄漏介质。压力容器设备由于各种原因易发生内部介质严重泄漏的事故。为防止因泄漏而引发燃烧、爆炸、中毒等严重后果，作为压力容器设备的壳体结构，也应具备自动作出收集泄漏介质，并自动作出适当安全处理的功能。
5)继续保持暂时工作的能力。压力容器设备即使因内部介质发生泄漏而引发突然紧急停车或停用，不论对大型化工或能源生产过程，还是对小型车用燃气贮存系统，都将带来严重的后果。所以，作为压力容器，即使发生严重介质泄漏时，其壳体结构也应具有继续保持暂时工作状态的功能，为作出较为妥善的安全处理赢得时间。
6)实现经济可靠全面的在线安全状态自动监控。任何压力容器始终潜在因腐蚀、疲劳及韧性恶化等原因而引发的突然断裂破坏的危险。所以，作为压力容器的壳体结构应能具备自我抑爆和实现经济可靠的在线安全状态，包括内壁的腐蚀状态及时自动报警监控的功能。从长远发展观点看，实际上这比采取其他安全技术措施要彻底和有效得多。
7)按需改变内外层构造材料。除了内壁衬里或堆焊耐腐蚀层以外，作为压力容器，其壳体应具有可按需灵活改变内外层构造材料的功能，包括铝和钛合金的合理应用，以改变壳壁功能和合理复合承力，适应各种应用需求。
8)适应其他特殊需要。除可按需开孑L接管外，压力容器设备壳体也应可在内壁、外壁和层间，按需便于设置壳体内壁直接冷却或加热系统，及其他如阻隔辐射等某种特殊发展需要的功能。
9)尽量减少焊接和整体精密机械加工。大量的焊接工作和整体大型精密机械加工，以及因焊接而引起质量检验与整体热处理的要求，是使压力容器设备形成制造缺陷和显著增加制造成本的基本因素。因此，壳壁结构减少焊接，尤其是纵向与环向的深厚焊缝，以及整体大型精密机械加工的特性，将可使压力容器带来成倍提高制造工效和显著降低成本的突出效果。
10)适当降低设计安全系数。由于隐藏的裂纹等缺陷可被壳体结构(如与单层壳体厚度相同的“双层结构”)自然分散而显著减小，采用窄薄截面原材料的断裂韧性还可被显著提高。因而，据现代静压强度、断裂疲劳和可靠性理论，即使采用现有相同化学成份，但轧压比或锻造比可比筒节锻造高20倍的窄薄截面材质来制造压力容器，其强度设计安全系数也可从目前普遍采用的3降低至2．5左右，而仍可保持比单层结构更高的可靠性或更低的失效概率(如低达1×10-10／台琠)。若以上述多功能壳的新理念来衡量现有国际上各种纤维缠绕和各种钢制压力容器的壳壁，不论其大小和厚薄，也不论单层、多层或缠绕结构，即使对当代应用于制造核堆压力壳的最重要的压力容器壳壁，也均显得甚为欠缺，许多如抑爆抗爆等重要功能特性都不具备。因为，它们在构造技术理念上均主要只限于要具有足够的强度与剐度，以及必要时的减轻质量、开孔接管和堆焊内壁耐腐蚀层等方面的功能。
3.压力容器技术发展趋势
（1）标准和规范国际化、一体化。受经济全球化趋势的影响，压力容器产品也将在国际上实现流通贸易。首先压力容器产品的设计制造所依据的标准规范必须为各方所认可，其前提是各国参与技术交流、标准制定，而近年来这方面的工作已得到开展。我国2001年11 月已加入WTO ，这对于我国的压力容器行业而言，是一次极大的机遇与挑战，是参与国际竞争的一个重要前提，是与国际接轨的标准化工作。
（2）压力容器领域里计算机技术的应用将得到全面发展与完善。主要体现在以下几个方面：压力容器设计；应用计算机技术开发出的压力容器设计软件程序，能够获取设计过程中所要的设计参数、结构优化、应力计算、材料选用等。压力容器制造；模拟压力容器的制造过程，焊接过程中的残余应力及其设备组装过程，还可仿真所设计制造的压力容器工作原理、运动过程。缺陷检测，应用计算机技术的先进检测方法有计算机射线实时成像、超声扫描模拟成像以及多通道声发射技术，配以专门研制的专家系统和人工智能系统，实现缺陷识别的自动化和智能化，结果更加客观准确。
（3）专业化的生产。市场经济激烈的竞争和压力容器产品固有的苛刻要求，使得压力容器产品的生产专业化程度越来越高，随之出现了标准零部件制造、供应单位，如专业封头制造厂，管件制造厂，热处理单位，无损检测单位等，这互相独立的制造厂和单位，使得压力容器产品的生产更高效，检测更得力。
（4）过程质量与安全监控技术。利用信息技术、传感技术、互联网络技术等现代技术对压力容器设计、制造、服役阶段等过程质量与安全进行检验与监控，实现基于网络技术的信息共享与技术集成，从而使整体技术水平大大提升。
（5）以信息技术和新材料技术为基础的先进再制造技术在过程工业领域的应用将会有极大的发展，特别是在已有的过程装置的运行中将有所作为，并为过程装备逐步过渡到新一代产品的转型提供技术保证。
结束语
随着冶炼、机械加工、焊接和无损检测技术的不断进步，特别是计算机技术的飞速发展，压力容器技术在材料、设计、制造工艺、缺陷分析、探伤与检验等方面都有了长足的进步，其规范和标准也日趋完善。
参考文献
[1] 朱国辉，郑津洋．新型绕带式压力容器[M]．北京：机械工业出版社，2010
[2] Fryer D M，John F，Harvey J F．High pressure ves—sels[M]．US，Chapman&Hall，2010
[3] Manesh Shah，Zhu Guohui．Burst resistant ribbonwound pressure vessels for ammonia plants[J]，Pro—cess Safety Progress，AICHE，2009，17
[4] Fryer D M，Zhu Guohui，Lee Shihming．Applyingrecent ASME BPV code case 2229 for flat—ribbonwound layered pressure vessels，PVP，344，ASME，2011