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1、专题报告 我国压力容器设计制造与维护的绿色化与智能化 陈学东， 范志超， 陈永东， 崔军， 章小浒， 王冰， 艾志斌 ( 合肥通用机械研究院 国家压力容器与管道安全工程技术研究中心， 安徽 合肥230031) 摘要:本世纪以来， 我国压力容器科技工作者解决了过程工业生产规模大型化、 介质环境苛刻化及 安全长周期运行所面临的诸多技术难题， 建立了基于全寿命周期风险可控的设计制造与维护技术 方法， 使得我国重要压力容器基本不再依赖进口， 万台设备失效事故率逐年下降。然而， 过程工业 装置大型化导致的压力容器重型化问题愈发突出， 不仅造成耗材耗能费工、 加工制造困难， 而且可 能存在一定的安全隐患。
2、如何在确保本质安全的前提下实现压力容器轻量化绿色设计制造， 如何 减少灾害条件下压力容器失效对环境造成的破坏污染， 是我国“十二五” 期间两个重点研究解决的 突出问题。同时， 近年来物联网、 大数据等现代信息技术与人工智能技术快速发展， 给我国压力容 器传统技术带来了前所未有的机遇与挑战。如何与现代信息和人工智能技术深度融合， 促进我国 压力容器技术向数字化、 网络化、 智能化方向发展， 也是我国压力容器技术工作者在“十二五” 期间 开始探索解决的另一个重要问题。本文简要回顾了“十二五” 以来我国压力容器绿色化设计制造 与维护、 网络化远程运维技术进展， 结合中国制造 2025 战略要求， 提
3、出了“十三五” 期间以及今 后人工智能发展背景下开展压力容器材料基因组与增材制造、 网络协同制造与智能工厂、 智能运行 与维护等若干研究方向建议。 关键词:压力容器; 设计; 制造; 维护; 绿色; 智能 中图分类号: TH49; TQ050 2; TQ050 7文献标志码: B文章编号: 1001 4837( 2017) 11 0012 16 doi: 10 3969/j issn 1001 4837 2017 11 003 Green and Intelligent Design， Manufacturing and Maintenance of Pressure Vessels in C
4、hina CHEN Xue dong， FAN Zhi chao， CHEN Yong dong， CUI Jun， ZHANG Xiao hu， WANG Bing， AI Zhi bin ( Hefei General Machinery esearch Institute， National Safety Engineering Technology esearch Center for Pressure Vessels and Pipelines， Hefei 230031， China) Abstract: Since the beginning of this century， C
5、hinese scientific and technical workers in the field of pres- sure vessels have solved many technical problems brought by production scale upsizing， harsh medium en- vironment and long- term safe operation of process industries， and established the technological methods of design， manufacturing and
6、maintenance based on life- cycle risk control Based on these achievements， the important pressure vessels in China are no longer depend on importation， and the failure rate per ten thou- sand sets of equipment is decreasing year by year However， the problem of heavy- duty trend of pressure vessels d
7、ue to scale upsizing of the process industry plants becomes increasingly prominent， which not only causes large material， energy and labor consumption， and makes processing and manufacturing difficult， 21 but also there may exist certain safety risks The lightweighting， green design and manufacturin
8、g of pres- sure vessels under the premise of ensuring their inherent safety， and the reduction of environmental pollu- tion caused by the failure of pressure vessels subjected to disasters， are two outstanding problems that need to be solved focally during Chinas“12thFive- Year Plan”period At the sa
9、me time， in recent years， the rapid development of modern information technology， such as Internet of Things， big data etc and artificial intelligence technology has brought unprecedented opportunities and challenges to the traditional technolo- gy of pressure vessels in China Another important prob
10、lem that Chinese pressure vessel technical workers began to explore and solve in the“ 12thFive- Year Plan”period， is to deeply integrate with modern infor- mation and artificial intelligence technology so as to promote the development of Chinese pressure vessel technology toward the direction of dig
11、italization， networking and intelligentization This paper briefly re- views the progress of the green design， manufacturing and maintenance， network- based remote operation and maintenance technology of Chinese pressure vessels since the“ 12thFive- Year Plan” In combination with the strategic requir
12、ements of“Made in China 2025” ， this paper also proposes some research sugges- tions during the“ 13thFive- Year Plan”period and in the future， including the genome program of pressure vessel materials and additive manufacturing， network- based collaborative manufacturing and intelligent factory， int
13、elligent operation and maintenance， etc Key words: pressure vessel; design; manufacture; maintenance; green; intelligent 1引言 本世纪初以来， 伴随着世界经济形势快速变 化、 资源品质劣化和能源结构调整， 压力容器逐渐 向高温、 深冷、 复杂腐蚀、 超大容积、 超大壁厚等极 端方向发展， 传统压力容器设计制造与维护技术 面临严峻挑战 1 2 。我国压力容器技术工作者在 国家质检总局和国家科技部支持下， 通过国际合 作 ， “产学研用” 协同攻关， 在先后解决了典型腐 蚀介质
14、环境下含缺陷结构合于使用评价 3 5 、 成 套装置失效风险评估 6 9 以及关键基础材料、 关 键加工工艺 10 11 等技术难题基础上， 突破了“拓 边界、 修准则、 控风险” 技术瓶颈， 在国际上首次 提出并建立了基于全寿命周期风险控制的设计制 造与维护技术方法 12 13 ， 研制出千万吨炼油、 百 万吨乙烯、 50 万吨/年醋酸大型煤化工等国家重 大工 程 建 设 急 需 的 多 种 国 产 首 台 套 重 大 装 备 14 15 ， 使得我国重要压力容器基本不再依赖进 口， 万台设备失效事故率逐年下降达到发达国家 先进水平 16 ， 标志着我国压力容器设计制造与维 护技术实现了从跟
15、跑到整体并跑、 局部领跑的 跨越 17 。 极端条件导致压力容器不断大型化， 大型化 往往导致重型化， 壁厚达到 400 mm， 有的甚至超 过 500 mm， 重量超千吨， 不仅耗材耗能费工， 而且 加工制造困难， 甚至超出现有建造能力， 产生的新 失效模式和机理留下安全隐患。国内外都曾出现 多次重型压力容器失效事故18 24 ， 如近年来十多 起厚壁压力容器由于设计制造能力限制， 存在先 天性裂纹， 材料韧性差， 设备在水压试验过程中就 发生了脆性断裂。因此， 如何在确保本质安全的 前提下， 实现超大型重型压力容器的轻量化绿色 设计制造， 是我国 “十二五” 期间重点解决的突出 问题之一
16、25 。研究重要压力容器在脆性断裂、 塑 性失稳以外失效模式下的安全性以及台风、 火灾、 地震等灾害条件下的灾前预防与灾后控制技术， 减少失效事故对环境造成的破坏污染、 实现绿色 运行， 也是 “十二五” 期间努力解决的另一突出问 题 26 。同时， 近年来全球物联网、 大数据等现代 信息技术与人工智能技术快速发展， 正孕育新一 轮的科技革命和产业变革， 给我国传统压力容器 设计制造与维护技术带来了前所未有的机遇与挑 战。如何与现代信息技术、 人工智能技术深度融 合， 促进我国压力容器技术向数字化、 网络化、 智 能化方向发展， 也是我国压力容器技术工作者 “十二五” 期间开始探索解决的另一重
17、要问题27 。 本文简要回顾了“十二五” 以来我国压力容 31 第 34 卷第 11 期压力容器总第 300 期 器绿色化设计制造与维护、 网络化远程运维技术 进展， 结合 中国制造 2025 战略要求， 提出了 “十 三五” 期间以及今后人工智能发展背景下开展压 力容器材料基因组与增材制造、 网络协同制造与 智能工厂、 智能运行与维护等若干研究方向建议。 2我国压力容器设计制造与维护的绿色化 压力容器设计制造与维护的绿色化， 包括设 计方法的绿色化使得产品节材节能与高效运行， 制造过程中的绿色化如优化流程、 改进焊接热处 理工序等导致的节能减排， 以及运行过程中维护 方式的绿色化实现安全节能
18、环保， 如合于使用评 价、 基于风险的检验等， 都是绿色维护技术。本文 重点从压力容器轻量化设计制造、 灾前预防与灾 后恢复控制两个方面， 介绍近年来我国相关技术 进展。 2 1轻量化绿色设计制造技术 国内外压力容器的轻量化途径一般有以下 5 种， 一是通过降低压力容器材料控制与设计、 制 造、 检验各环节的不确定性， 科学调整材料许用强 度系数， 减少设计冗余、 降低容器壁厚; 二是开发 强韧性相匹配的低合金高强钢并研究其生产工艺 控制方法合理提高材料强度， 安全地减少用材; 三 是利用奥氏体不锈钢应变强化技术来提高不锈钢 低温压力容器的承载能力， 实现减重; 四是针对换 热器采取传热流动与
19、管子、 管板强度、 刚度协同优 化设计的方法， 同时减薄管板厚度和提高传热效 率， 实现节能节材; 五是复合材料的应用。然而， 上述这些方法过去都因存在不同的技术难题， 无 法保证压力容器使用安全性而没有得到广泛 使用 。 “十二五” 期间， 合肥通用院、 中国一重、 中石 化洛阳工程公司、 浙江大学、 中国特检院、 华东理 工大学等单位承担了国家国际科技合作计划、 863 计划等项目课题 28 32 ， 通过“产学研用” 密切合 作， 攻克了材料许用强度调整对重型压力容器失 效模式与损伤机理影响、 低合金高强钢成分与性 能控制、 传热流动与强度刚度协同设计、 应变强化 工艺控制等关键技术，
20、建立了一整套重型压力容 器轻量化设计制造共性技术方法， 研制出大型加 钒钢加氢反应器、 超大型丁辛醇换热器、 大型高参 数低温乙烯球罐、 奥氏体不锈钢深冷储运容器等 典型轻量化重大装备， 在国内压力容器设计制造 单位以及中石油、 中石化、 空气化工等国内外用户 企业广泛应用， 为突破我国重型压力容器设计制 造技术瓶颈、 提高企业产品国际竞争力、 保障国家 重大工程建设顺利进行发挥了重要作用， 推动了 我国压力容器轻量化绿色制造技术进步。 ( 1) 材料许用强度系数调整。 压力容器材料许用强度系数是考虑材料、 设 计、 制造、 检验各环节不确定性而设置的冗余保险 系数。在保证本质安全前提下合理调
21、整材料许用 强度， 是实现压力容器轻量化设计制造的重要途 径之一。近年来， 我国压力容器工作者开展了大 量试验和工业规模验证， 深入研究了高温、 高压、 低温、 深冷、 复杂腐蚀等苛刻条件下压力容器材料 的适应性， 建立了高温蠕变疲劳、 超高压疲劳、 低 温深冷脆性断裂、 应力腐蚀、 腐蚀疲劳等损伤评价 和寿命预测方法 33 36 ， 提出了材料纯净度、 组织 与性能均匀性、 冲击韧性、 耐腐蚀性等关键指标控 制要求， 减小了材料性能的不确定性。系统研究 了我国压力容器典型材料与四大类失效模式、 83 种损伤机理之间的关联规律32 ， 温度 应力 浓 度等复杂物理场精细化分析计算技术37 39
22、 ， 成形 焊接等制造工艺对材料性能损伤程度、 检测方法 及性能恢复技术 40 43 。基于风险防控理论， 在设 计制造阶段提出了结构设计、 制造工艺、 检验检测 等环节的风险控制关键参量及其指标要求， 减小 了设计制造的不确定性， 在使用维护阶段提出了 有针对性的在役检维修策略， 包括检测方法、 重点 部位、 检测范围、 检测频次等， 减小了在役检验检 测的不确定性。基于上述技术进步、 全行业设计 制造能力和技术水平提高， 2011 年修订的 GB 150 压力容器 对材料许用强度系数进行了调整， 将 常规设计材料许用抗拉强度系数由 3 0 调整为 27、 许用屈服强度系数由 1 6 调整为
23、 1 5。理论 上讲， 按调整后的许用强度系数， 压力容器最大可 节省约 10% 的金属材料， 节材效果显著， 使我国 走上了在确保压力容器本质安全基础上通过调整 材料许用强度来实现轻量化设计制造的良性发展 之路。 ( 2) 高强钢开发应用与生产工艺控制。 高强钢开发应用是实现重型压力容器轻量化 的重要手段。提高碳钢或低合金钢材料强度一般 有增加碳含量和微合金弥散强化两种途径， 但分 41 CPVT我国压力容器设计制造与维护的绿色化与智能化Vol. 34 No. 11 2017 别会带来材料韧性与可焊性变差、 焊接冷裂纹与 再热裂纹等问题。近年来， 我国钢材生产厂和容 器研发制造企业协同创新，
24、 通过微合金弥散强化、 组织均匀性、 厚度均匀性控制， 轧制、 锻造和热处 理工艺改进等措施， 开发了一批高纯净度、 高性 能、 低成本压力容器用低合金高强钢， 并较好解决 了低合金高强钢生产工艺控制技术难题44 45 。 例如， 针对大型加氢反应器， 我国近年来在 12Cr2Mo1 钢基础上添加合金元素 V， 开发出 12Cr2Mo1V 低合金高强钢， 使得抗拉强度下限 值由 520 MPa 提高到 590 MPa， 并通过炉外精炼、 化学成分与微观组织调控、 热处理工艺优化等手 段， 使 CrMoV 钢的纯净度、 冲击韧性等技术指标 达到或超过国外同类水平 46 47 。但 V 元素的加
25、入也带来了焊接冷裂纹与再热裂纹控制难题。为 此， 合肥通用院、 全国锅容标委、 中国一重、 中石化 洛阳院等单位通过国家 863 计划、 973 计划等课 题支持 30 31 ， 突破了焊接热力模拟、 应力松弛损 伤预测、 开裂敏感温区调控等关键技术 48 51 ， 提 出了 CrMoV 钢避免冷裂纹与再热裂纹的焊接热 处理工艺。研制出的国产首批轻量化加钒钢加氢 反应器( 见图 1) 应用于中石油广西石化 400 万吨 渣油加氢装置 52 ， 实现节材 6% 10%， 之后在 国内石油化工、 煤化工等企业推广， 并出口印度、 伊朗等 “一带一路” 沿线国家， 因节省材料和建造 成本取得了显著的
26、经济效益。 图 1国产首批轻量化加钒钢制加氢反应器 又如， 针对百万吨乙烯工程建设所需大型低 温乙烯球罐( 2000 3000 m3) ， 我国通过 Ni， Mo， Nb 微合金弥散强化、 材料成分和工艺调控等措 施， 开发出 50 低合金高强钢板 07MnNiMoD 及配套锻件 10Ni3MoVD， 实现了全厚度高强度与 高韧性匹配。在此基础上， 通过焊接冷裂纹、 再热 裂纹、 焊接线能量、 焊后热处理、 焊接返修等方面 系统试验， 掌握了焊接裂纹控制关键技术， 实现了 从低合金高强钢材料开发、 大球壳板结构设计到 制造工艺全套技术的国产化 53 55 。研制出的国 产首批轻量化 07MnN
27、iMoD 钢制 2000 m3大型低 温乙烯球罐( 见图 2) 在天津石化成功应用， 之后 在国内多个百万吨乙烯工程建设中推广， 打破了 国外技术封锁， 相比传统 15MnNiNbD 中强度 钢， 实现节材 20%， 受到国内石油化工、 煤化工企 业的普遍欢迎。 图 2国产首批轻量化低温乙烯球罐 再如， 针对移动式压力容器， 我国近期开发了 正火型低合金高强度钢 Q42056 57 ， 相比传统 Q345， 材料标准抗拉强度下限值由 510 MPa 提 高到 590 MPa， 可有效降低容器壁厚， 提高运载效 率; 研制出系列化低温压力容器用钢板( 3 5%Ni， 5%Ni， 9% Ni) 5
28、8 60 ， 实现了 100 196 用 钢全覆盖， 可充分利用材料承载能力、 降低低温压 力容器制造成本。 图 3中国一重加氢反应器组焊生产线 此外， 我国压力容器材料生产企业不断优化 生产工艺流程， 提高材料生产过程的要素精益管 理和资源配置水平， 实现产品质量精确控制、 机械 设备高效可靠、 生产过程节能环保。如中国一重 51 第 34 卷第 11 期压力容器总第 300 期 为提高产品生产效率， 建立了加氢反应器组焊专 用生产线( 见图 3) ， 兰石重装等单位为降低大型 压力容器现场制造成本， 研发了可移动、 能重复使 用的超大型容器移动工厂， 将重型加工装备、 生产 车间和热处理屋
29、移动至项目现场临时组装， 完成 压力容器的加工、 制造与质检。 ( 3) 奥氏体不锈钢应变强化。 奥氏体不锈钢具有优良的塑性、 韧性及低温 性能， 被广泛应用于液氮、 液氧、 液氢、 液氩、 液氦、 液化天然气等低温深冷储运容器的制造。利用材 料应变强化效应来提高材料的屈服强度和承载能 力， 是实现奥氏体不锈钢深冷储运容器轻量化的 关键。以浙江大学郑津洋团队、 合肥通用院国家 工程中心、 中国特检院寿比南团队、 华东理工大学 涂善东团队等为代表的研究人员， 在国家国际合 作计划、 科技支撑计划等课题支持下29， 32 ， 系统 研究了应变强化量、 强化速率对国产材料母材及 焊接接头力学性能、
30、组织稳定性、 应力腐蚀性能的 影响规律 61 65 ， 提出了国产材料应变强化适应性 判据和验收指标要求66 ; 探明了压力容器应变强 化过程应力应变响应规律， 考虑结构深冷疲劳、 深 冷失稳、 塑性垮塌、 塑性棘轮和交变塑性破坏， 提 出了压力容器结构强度设计、 安定性分析和疲劳 强度设计方法 67 69 ， 编制形成我国首部应变强化 技术标准 GB/T 18442 7固定式真空绝热深冷压 力容器 第 7 部分: 内容器应变强化技术规定 。 基于以上技术， 联合中集集团等装备制造企业， 研 制出轻量化深冷储运容器， 最大容积达 550 m3 ( 见图 4) ， 内容器减重 45%。相关产品国
31、内市场 占有率超过 90%， 并出口澳大利亚、 新加坡等 20 多个国家， 全球市场份额从零跃升至 30%以上。 图 4世界首台 550 m3奥氏体不锈钢 应变强化深冷储运容器 ( 4) 换热器传热流动与强度刚度协同设计。 换热器是石油、 化工、 电力、 燃气等流程工业 的重要设备， 也是高耗能特种设备。因此， 提高传 热效率与降低结构厚度都具有明显的绿色化特 征。多场协同耦合分析、 结构优化设计、 高效传热 元件开发等， 是实现换热器轻量化与高效节能的 重要途径。 对于尺寸超出我国换热器国家标准适用范 围、 集反应 换热功能于一体的超大型管壳式换 热器， 合肥通用院、 中国一重等单位在国家
32、863 计 划 30 与中石化课题70 支持下， 考虑浓度场、 温度 场和应力场耦合作用， 建立分布式参数模型， 分析 浓度、 温度和应力的时空变化规律， 建立了热物性 与传热推动力协同计算、 传热流动与强度刚度协 同设计方法， 降低了传热设计冗余; 开发出大直径 薄壁换热管( 88 9 mm 3 2 mm) ， 有效降低了 导热热阻， 提高了传热效率。变刚性管板为柔性 管板连接， 开发出碟形薄管板和整体锻环组合结 构， 降低热应力 40% 以上， 解决了传统厚管板热 应力大、 耗材多、 制造成本高、 制造周期长等问题。 开发出网格栅式支撑折流装置， 控制介质流动方 向， 解决了超大直径换热器
33、流致振动疲劳与轴向 失稳控制难题 15， 71 。基于以上技术， 研制出国际 首台轻量化超大型丁辛醇装置换热器( 见图 5) ， 应用于世界最大规模 25 万吨/年丁辛醇装置， 管 板厚度由原来的 260 mm 减薄至 40 mm， 节材 20%以上， 并在山东兖矿、 天津渤海等多家企业推 广， 目前产品最大直径达 5400 mm， 管板厚度减薄 至 40 mm。 图 5国际首台轻量化丁辛醇装置换热器 此外， 在换热器能效检测评价方面， 我国高 耗能特种设备节能监督管理办法 及 GB/T 151 2014 均对换热器节能设计提出要求， 即将实施的 行业标准 NB/T 47004板式热交换器 将
34、综合考 61 CPVT我国压力容器设计制造与维护的绿色化与智能化Vol. 34 No. 11 2017 虑传热系数和流动压降影响， 对板式换热器能效 进行定量考核 72 ， 典型接触式换热器能效评价技 术研究也正在开展 73 。相信今后随着换热器能 效评价技术研究的不断深入与考核范围的不断扩 展， 必将会进一步提升我国换热器节能设计水平。 ( 5) 复合材料应用。 碳纤维复合材料具有质量轻、 比强度/比刚度 大、 可设计性强、 耐腐蚀等优点， 适用于新能源汽 车、 航空航天及船舶等领域对压力容器重量有苛 刻要求的场合。近年来， 哈尔滨工业大学杜善义、 赫晓东团队及浙江大学、 合肥通用院、 中国
35、特检院 等国内科研机构， 针对复合材料高压气瓶， 开展了 大量理论和试验研究并取得进展 74 。识别了复 合材料层与内衬的失效机理75 79 ， 建立了复合材 料压力容器渐进损伤规律分析方法; 考虑充气过 程温升效应， 建立了复合材料压力容器爆破强度 与疲劳寿命预测方法 80 82 ; 发展了变强度、 变刚 度缠绕结构设计理论， 提出了纤维增强材料、 树脂 基体与内衬材料的选择原则和材料特性参数确定 方法， 建立了基于滑线系数的轨迹设计方法， 实现 了纤维取向的精确控制， 开发出纤维缠绕仿真软 件平台， 并针对复层与内衬变形协调难题， 利用仿 生学原理， 提出碳纳米管聚合物接枝技术， 提高界
36、面强度， 针对复合材料层间开裂， 探索粒子增韧原 理， 开发微胶囊自修复技术等74， 83 。 2 2灾前预防与灾后恢复控制技术 存储有毒有害介质的重要压力容器一旦发生 失效事故， 将造成严重的环境污染。如何确保危化 品储运压力容器在台风、 火灾、 地震等灾害条件下 的抵抗能力， 降低失效一旦发生时的事故损失和对 环境造成的破坏污染， 是需要研究解决的技术难 题 。“十二五” 期间， 在国家科技支撑计划 “危化品 储运压力容器防灾减灾关键技术 ” 、 “海底管道检 测及完整性评价技术与工程示范” 等课题支持 下 84 85 ， 合肥通用院、 浙江大学、 中国特检院、 广东 特检院、 中石化管道
37、储运分公司等单位， 围绕危化 品储运压力容器与管道开展了灾前预防与灾后恢 复控制技术研究， 建立了高耸塔器风致疲劳寿命预 测和防风抗振结构优化设计、 基于金相和硬度的火 灾后压力容器损伤快速甄别及合于使用评价、 大型 储罐抗震安全性评价与结构优化设计、 海底输油管 道大尺度悬跨和偏移结构完整性评价等技术方法。 成果应用有效提高了我国危化品储运压力容器的 灾前预防和灾后恢复控制能力。 ( 1) 高耸塔器防风抗振技术。 针对台风条件， 合肥通用院与天津大学谭蔚 等都做了研究， 通过数值模拟与试验验证相结合， 分析了不同风速风向条件下沿海沿江高耸塔器与 塔群结构的流场分布和结构压力分布规律， 基于
38、谐波叠加法、 随机振动和疲劳损伤累积理论， 建立 了高耸塔器顺风向与横风向的振动响应分析、 振 动弯矩估算、 考虑风速风向联合分布的风致疲劳 寿命预测和扰流减振技术方法 86 88 。相关技术 克服了以往国内外标准将风载荷等效成静载荷存 在的不足， 为提高高耸塔器防风抗振能力提供了 技术支撑。 ( 2) 火灾后压力容器合于使用评价技术。 针对火灾条件， 试验模拟与现场检测相结合， 系统研究了热暴露温度、 热暴露时间和冷却速度对 典型材料显微组织、 力学性能、 腐蚀性能及断裂疲 劳性能的影响， 在分析研究美国 API 579 标准基础 上， 攻克了火灾过烧热模拟和损伤再现关键技术， 基于硬度和金
39、相相似原理， 提出一种在火灾过程信 息不清楚、 热暴露区域难以划分、 现场取样受限情 况下的结构完整性评估技术方法， 相比美国 API 579标准， 更快速、 简单， 适用于遭受较严重火 灾、 处于高等级热暴露区域的压力容器 26， 89 91 。 该方法已被即将颁布的国家标准 承压设备合于使 用评价 采纳， 并在多家企业成功应用， 为减少事故 损失、 帮助企业尽快恢复生产提供了重要技术支 撑， 取得了显著的经济和社会效益。 ( 3) 地震条件下大型储罐安全性评价与结构 优化设计技术。 针对地震条件， 浙江大学陈志平通过数值模 拟和试验验证等手段， 开展了大型石油储罐地震 响应分析、 安全性评
40、价和结构优化设计等方面研 究。采用 “组合圆柱壳” 理论， 建立了大型石油储 罐罐壁应力分析和强度优化计算技术方法92 94 ， 提出了大型石油储罐“象足屈曲” 安全性评价模 型。在此基础上， 形成了在大型石油储罐底部危 险区域设置轻质加强圈的结构抗震优化设计技术 方法 95 。相关技术已在国家战略石油储备库 10 万 m3， 15 万 m3大型石油储罐抗震评价工作中 得到了应用， 为提高地震条件下大型石油储罐抗 屈曲能力提供了有效技术手段。 ( 4) 大尺度悬跨和偏移条件下海底管道结构 71 第 34 卷第 11 期压力容器总第 300 期 完整性评价技术。 海底管道是海上油气开采的生命线，
41、 一旦发 生开裂泄漏， 将造成巨大的经济损失和严重的海 洋生态破坏。合肥通用院关卫和、 董杰等针对上 述需求， 通过国家科技支撑计划项目支持 85 ， 与 挪威船级社( DNV) 、 英国焊接研究所( TWI) 等国 际机构合作， 攻克了大尺寸结构件快速加载、 应变 动态测量与控制等关键技术， 研制出高频率、 大直 径、 全尺寸海底管道疲劳试验系统; 考虑波浪、 土 壤、 海流等复杂因素影响， 建立了海底管道大尺度 悬跨和偏移安全性评价工程技术方法 96 99 。相 关技术已在我国杭州湾海底管道进行了成功应 用， 为科学制定治理方案、 确保今后服役安全提供 了技术支撑。 3基于特征安全参量在线
42、监控预警的网络化远 程运维技术探索 3 1传统在役安全保障技术存在的不足 压力容器制造投用之后要经历数十年漫长的 服役过程， 部分设备还要经历高温、 超高压、 低温、 深冷、 复杂介质腐蚀等苛刻条件考验。对这类设 备进行检验监测维护不仅是要确保长周期安全运 行， 而且也是对压力容器设计理论和制造方法可 靠性的检验。 历经 30 多年发展， 我国已研究建立了一套国 际先进、 具有中国特色的在役重要压力容器安全 保障技术体系， 从停车检验检测， 发展到高温、 不 停车、 不拆保温在线检测监测， 从脆性断裂、 塑性 垮塌等简单失效模式安全评定， 发展到腐蚀与高 温等苛刻环境与时间相关的复杂失效模式安
43、全评 定， 从单体设备的在役保障， 发展到成套装置系统 的风险识别、 评价与控制， 从事后经验总结的被动 预防发展到设计制造早期的风险主动防控。取得 的一系列技术进步为我国石化等过程工业装置连 续运行周期延长和万台设备失效事故率下降提供 了坚实技术保障 100 103 。 但需要指出的是， 以往我国压力容器在役安 全保障技术方法均以定期检验评估为主， 这种方 法本质上都是在研究与时间相关失效模式的基础 上， 探索失效机制的生成、 扩展与终止规律， 将某 一时间节点缺陷或损伤的检测数据作为初始依 据， 来分析未来一段时间缺陷或损伤的变化是否 满足容限要求。这些技术方法是否可靠， 依赖于 人们在某
44、一时间节点获取初始数据的真实性以及 对失效生成演化规律认识的准确性。通常情况 下， 人们对一般条件、 单一机制、 工艺较平稳工况 的失效演化规律认知较为清晰， 但对复杂条件、 多 种机制、 工艺易波动工况的失效演化规律、 主导失 效机制、 关键影响因素及临界判定条件认知不一 定十分准确 104 105 ， 使得设备失效往往比人们的 预期提前甚至是突然发生， 如石化装置高温硫与 环烷酸共同作用下的腐蚀泄漏、 高压空冷器硫氢 化铵腐蚀泄漏、 常减压装置塔顶冷凝器腐蚀泄漏 等。此时如果仅依靠传统定期检验方法， 无法从 根本上控制压力容器服役风险、 确保压力容器的 长周期运行安全， 但若能获取任意时间
45、( 而不是 某一时间点) 设备缺陷或损伤数据并加以实时分 析， 则不但会加深人们对压力容器失效生成演化 规律的认识， 使完整性评估结果更加可靠， 而且又 能不断验证压力容器设计理论与制造工艺的可靠 性。近年来， 传感测量、 工业互联网、 物联网、 大数 据等技术快速发展， 给远程实时监测、 控制和降低 重要压力容器未知失效风险提供了可能。 3 2基于特征安全参量在线监控预警的网络化 远程运维 106 基于特征安全参量的在役压力容器网络化远 程运维， 即是融合物联网、 大数据技术， 在线测量、 远传针对特定失效模式的特征安全参量， 结合特 征安全参量与结构完整性的关联规律， 确定设备 是否临近失
46、效状态， 并进行失效早期预警， 以达到 控制和降低压力容器失效风险的目的。 ( 1) 若干失效模式的特征安全参量。 选取对损伤或失效敏感的特征安全参量是实 现压力容器远程在线监控预警的首要环节。任何 失效模式中缺陷或损伤的表征方式都是多元的， 影响因素更是千变万化。如高温环烷酸与硫腐 蚀， 主要影响因素包括温度、 材料、 酸值、 流速、 硫 含量、 相态等 107 ( 见图6) 。通过监测这些参数当 然可以分析设备的腐蚀状态， 但前提条件是这些 参数与设备腐蚀状态的关联规律是稳定、 明确的。 如果存在其他影响因素， 如局部结构突变导致冲 刷角、 流速、 流态发生变化( 见图 7 中直管与弯头
47、结构差异导致冲刷角度及湍流强度变化) ， 则监 测这些参数的变化就不一定能真实反映设备的腐 蚀状态。 81 CPVT我国压力容器设计制造与维护的绿色化与智能化Vol. 34 No. 11 2017 图 6 20G 与 Cr5Mo 在不同温度与冲刷角下的 环烷酸腐蚀速率 ( a) 直管( 冲刷角 0) ( b) 弯头( 冲刷角 90) 图 7直管( 冲刷角 0) 与弯头( 冲刷角 90) 试样中的 湍流强度分布云图 因此， 特征安全参量要尽可能选取那些与设 备安全状况直接相关的参数。如对于高温环烷酸 腐蚀， 选取剩余壁厚要比酸值、 流速、 温度等参数 更合理， 因为: 一是剩余壁厚对失效状态比较
48、敏 感， 剩余壁厚减少本身就是高温环烷酸腐蚀失效 的最终表现形式; 二是该参量可实时在线测量并 可远传; 三是剩余壁厚本身就是结构完整性评估 中的控制参数， 控制它就可以保证承压设备安全。 当然， 针对一些失效模式， 目前尚无办法找到 或获取与设备安全状况直接相关的参量， 此时， 采 用有限特定条件下的间接参量来对设备安全状况 进行表征也是可以的， 但前提是要求该间接参量 的变化在特定条件下与设备缺陷或损伤状态存在 稳定的对应关系。例如， 对某一特定材料， 当温度 和流速在一定范围内变化时， 在设备外壁测量氢 通量值， 可以换算成设备剩余壁厚， 则此时就可以 把氢通量作为表征高温环烷酸腐蚀状态
49、的间接特 征安全参量 108 。退一步说， 如剩余壁厚或氢通 量都无法获得时， 通过温度、 流速、 酸值等参数的 间接分析也可以对承压设备的腐蚀状况进行表 征， 但要限定条件， 并不断对这种相对间接的评估 结果进行验证， 以便不断完善这些参数变化与结 构缺陷或损伤状态的对应规律。 又如， 针对长期服役可能发生蠕变或渗碳、 脱 碳的高温设备， 最直接的特征安全参量应当是金 相组织的改变， 如蠕变空洞数量、 大小等， 但该参 量不便于在线实时测量， 而几何尺寸变化( 蠕 胀) 、 硬度变化却可能可以实时获取， 为此， 需要 针对特定设备( 特定材料与结构) 建立变形、 硬度 与蠕变、 渗碳乃至剩余寿命的关联关系， 通过变形 和硬度等参数的变化来间接反映设备的损伤状 态， 从而使得这些参量具有特征性。 此外， 间接特征安全参量也可通过缺陷或损 伤引起的结构物理化学特性变化来表征。例如， LNG 泄漏会局部产生低温， 利用该特点可开发出 基于拉曼散射原理的分布式光纤测温技术， 对双 层 LNG 储罐进行泄漏监测和预警109 。 ( 2) 临界特征安全参量的确定。 当设备在某种失效模式中处于临界失效状态 时的特征安全参量值就是临界特征安全参量。对 于剩余厚度、 裂纹尺寸等直接特征安全参量， 可直 接借用断裂力学、 塑性极限理论、 损伤力