搜索壓力容器最新技術發展方向
2017-03-07 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
一、關于壓力容器
壓力容器是指盛裝氣體或液體,在工業生產中用于完成反應、換熱、分離、儲存等生產工藝過程,并具有特定功能的承受一定壓力的密閉設備。壓力容器制造業是石化通用機械制造業的一個重要分支,是裝備制造業的重要組成部分。
壓力容器基本都是在承壓狀態下工作,并且所處理的介質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、結構設計、機加工、焊接、熱處理、無損檢測,自動化等專業技術門類。因此,壓力容器的技術發展是在建立在各專業技術綜合發展的基礎之上。
二、 壓力容器本體的發展方向
隨著國際經濟,技術的貿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,國內外壓力容器的發展逐漸呈現出以下幾個方向:
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的發展和標準的國際化認可,從而獲得更大的國際發言權和豐厚的經濟利潤。
2,特殊化與專業化
通用化與標準化雖然有許多優點,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化的方向不斷地發展和進步。
(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?，F在隨著新型材料出現和冶金業的發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℃)。火力發電站的鍋爐汽包﹑煤轉化反應器﹐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,原料及產品的流失,污染環境,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,這時材料的晶體結構會發生變化,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、 壓力容器的專業技術發展方向
壓力容器是一個涉及多行業、多學科的綜合性產品,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。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展,帶動了相關產業的發展,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。為了生產和使用更安全、更經濟的壓力容器產品,傳統的設計、制造、焊接和檢驗方法已經和正在不同程度地為新技術、新產品所代替。
1、 壓力容器所用材料的技術進展
近年來壓力容器產品大型化、高參數化的趨勢日益明顯,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)等已經在我國大量應用,壓力容器在石油化工、核工業、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一直是壓力容器行業所面臨的重大課題。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在以下幾個方面:
材料的高純凈度:冶金工業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;
材料的介質適用性:針對各種腐蝕性介質和操作工況,已研究開發出超級不銹鋼、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,傳統的材料已經無法解決諸如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滲透到壓力容器行業的每一個領域。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的技術進展,其主要表現為:
設計:傳統的計算機輔助設計(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,設計者在結構設計階段就可以預見到諸如焊接過程中所產生的殘余應力、設備組裝和運輸過程中可能會出現的碰撞等問題,并在設計階段消除這些問題,分析設計和結構優化設計已經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的工藝生產方式,質量管理意識和生產方式已經發生了深刻的變革。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,有效地保證了產品質量的穩定,保證了生產周期和生產成本的降低;
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,極大地提高了生產效率和產品質量;
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射等技術的應用,再配以專門研制的專家系統,使檢測的結果更加準確和客觀。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場進行無損檢測的問題。
3、 結構設計
現代的壓力容器結構設計正在逐步擺脫傳統觀念的束縛,體現真正滿足工藝要求的設計理念,追求實效性、安全性和經濟性的和諧統一。
結構的合理性設計:標準中對壓力容器的具體結構形式不予限制,因此壓力容器結構所受的制約較少,給設計者很大的發揮空間,有利于設計出更加合理的結構。另外,分析設計手段的運用和驗證性試驗的實施為結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。
結構的經濟性設計:壓力容器的安全性和經濟性的和諧統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的。焊接鋼管的使用和特殊結構的應用,在很大程度上是考慮了壓力容器結構的經濟性。
結構的可靠性設計:傳統的安全系數設計法為了“保險”起見,往往將安全系數的取值偏大,使得所設計的壓力容器及零件的結構尺寸偏大,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,結果造成最終產品1+1<2的情況。而可靠性設計中將部分參數作為隨機變量來處理,對其進行統計并建立統計模型,用概率統計法進行計算,能夠全部掃描設計對象,所得結果更符合世界情況。
4、 安全系數的降低
為了增加本國產品的競爭性,降低安全系數是目前世界各國和地區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nb降為2.4的提案。安全系數的降低關系到壓力容器標準的基礎,對壓力容器行業的經濟性及安全性影響極大,必須慎之又慎。降低安全系數的前提條件是:
結構分析設計水平的提高;
制造經驗的積累和制造技術水平的提高;
更嚴格的材料技術要求;
更科學的質量保證體系。
四、壓力容器行業的發展趨勢
世界已經進入了經濟全球化的發展時期,經濟全球化的一個必然趨勢是標準的國際化。
美歐等各大經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容;
1、行業標準的國際化
標準國際化是標準技術內容與國際標準相容,而不是簡單地照搬國際標準的所有內容。對國際標準應進行系統的分析研究,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,最終階段性地實現標準間的互相認可。
趨同性:信息技術的高速發展,使世界范圍內的先進技術迅速普及,圍繞技術發展的技術標準也必然為技術的使用者所接受,因此世界范圍內的壓力容器技術要求正在向統一的方向發展。
相容性:盡管世界上的各國的技術標準的技術內容不完全相同,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的比較,證明ASME標準增加一些內容以后就可以滿足PED的要求。
貿易性:標準是國際貿易規則的組成部分和貿易糾紛仲裁的重要依據,主宰國際標準將有利于獲得巨大的市場份額和經濟利益實施國際標準化戰略的實質是爭奪國際市場的控制權。
2、技術法規和技術標準之間的相互協調
國家的技術法規是國家為保證壓力容器產品的安全而設立的強制性法規,任何其管轄范圍內的產品都必須遵守它的安全原則;技術標準是推薦性的,規定保證壓力容器安全所相應的產品質量技術指標,但標準所規定的技術指標應該符合技術法規的安全原則,可以指導壓力容器的設計、建造、檢驗和驗收,是壓力容器產品建造和貿易中的技術評價平臺。因此,技術標準與技術法規應該是總體協調的,但在作用和其它方面是有區別的。
原則性和工程性:技術法規管轄產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。技術法規的數量很少,但管轄的范圍很寬;與之配套的協調標準會涉及到材料、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容。
穩定性和時效性:國家的技術法規是國家的行政法規的一部分,其內容的相對穩定不變對行業的安全管理有利;而協調標準是實現產品安全質量的技術規則,要與時俱進,隨時反映行業的綜合能力和相應技術的發展。
因此,研究調整技術法規與技術標準之間的協調關系,明確技術法規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、產業市場化和生產專業化
競爭必然導致生產模式的改變,形成以核心企業為主導、大中小企業協調發展、分層次競爭的產業組織結構。市場配套和專業化生產是今后壓力容器行業的主要格局,也是發展的方向;加強標準化工作有助于實現專業化協作,這種強調市場配套和專業化生產的產業組織結構必須以技術上的高度統一為前提,標準化恰恰是實現技術統一的基礎,因此標準是專業化協作的橋梁和紐帶。
主要是三大體系,ASME,EN 13445和гост。
ASME系統: 亞太、北美地區,GB 150、JB 4732和JIS標準主要參照ASME規范。
EN 13445系統: 歐洲大陸地區,主要參照BS 5500 (現改為PD 5500),CODAP和AD規范。
гост系統: 俄羅斯及原東歐國家,現國內很少關心。
20世紀末歐共體提出PED(承壓設備指令)并統一成EN 13445后,形成歐美體系的競爭,所以ASME(特別是Ⅷ-2)和EN有相互靠近的趨勢。
是美國機械工程師學會(ASME)的行業標準,只有在地方政府的安全監察部門以法律形式認可情況下才能成為法定控制產品質量的技術法規。未提及容器分類。
ASME規范的卷、版本、增補、條款解釋、規范案例。
ASME鍋爐及壓力容器規范共12卷,包括鍋爐、壓力容器(移動式和固定式)、核容器、各種材料、無損檢測、焊接和釬接評定等,一切鍋爐和壓力容器的建造(包括材料、設計、制造、檢驗、試驗、檢查、認證和泄壓等)工作,都可以在ASME規范范圍內解決 。
本世紀起陸續補充了建造后的指導性規則,如PCC-1、2和3等(Post Construction Committee,PCC),即不僅要符合建造規則,還要遵守裝配、修復等規則,以保證安全使用。
ASME Ⅷ壓力容器規范是壓力容器的建造規則。
規范制定了強制性要求、特殊禁用規定以及非強制性指南。
是包括多種制造方法、多種材料容器的建造規則。
ASME Ⅷ-1、Ⅷ-2是包括立式或臥式容器、換熱器、膨脹節等在內各種壓力容器的建造規則。
Ⅷ-1、Ⅷ-2、Ⅷ-3共三冊各適用于不同的對象。
關于計算機和有限元的使用,設計用線算圖和擬合曲線。
GB 150、JB 4732實際上主要引自ASME Ⅷ-1和Ⅷ-2,但由于各種原因(國內具體情況,技術政策,也包括某些誤引和漏引)而造成某些區別。
ASME Ⅷ-1適用于所設計容器的壓力不超過20MPa的固定式壓力容器,但符合規范相應要求的任何壓力容器,可以打ASME U鋼印。
ASME Ⅷ-2也適用于固定式壓力容器,其規則沒有規定的壓力范圍(但一般為70MPa),但并不包括所有的結構型式。對極高的壓力,可能需要作出某些補充,容器仍能滿足規范一切要求后,可以打規范鋼印。
ASME Ⅷ-3適用于通常超過70MPa的金屬固定式壓力容器。但既不旨在規定Ⅷ-1或Ⅷ-2的壓力上限,也不旨在規定Ⅷ-3的壓力下限。
規范案例2695對Ⅷ-1的元件如采用Ⅷ-2第4篇設計時的各有關要求作了規定。
各冊都適用于疲勞分析容器,但未涉及達到蠕變溫度的疲勞分析容器。
用戶、制造廠、AI三方,用戶提交用戶設計說明書給制造廠(responsibilities,責任)13年版增加了非強制性附錄NN:對用戶及其指定代理人責任的指導。
制造廠(或委讬其它單位)提出設計計算書,施工圖,制造完成后提出制造廠數據報告、制造廠建造記錄和竣工圖并在容器上蓋鋼印等,對容器因質量而可能引起的后果承擔責任(responsibilities,責任)。
由保險公司聘用的AI跟蹤各環節,對用戶設計說明書、制造廠設計報告、制造廠數據報告等予以證明,并在各制造環節中實施檢驗。對容器因質量而可能引起的后果不承擔任何法律責任(duties,任務)。
設計不需取證。見U-2節,Ⅷ-2的2.1節規定得更詳細、具體。
前言:強制性要求必須不折不扣地執行,特殊禁用規定必須不折不扣地禁用(如禁用的角接接頭),規范沒有提及建造工作的所有方面,對于沒有提及的方面,不宜認為它是被禁用的。非強制性指南則僅供參考。
當規范公式是強制性時,應按規范公式計算,規范既不要求、也不禁止使用計算機對按規范建造的部件進行分析或設計。但設計師要對程序中固有的一切技術上的假定負責,且要對設計上使用這些程序負責。
規范的規則不能理解為對任何一種專利或特定設計的批準、推薦或認可,也不能理解為以任何形式限制制造廠自行選擇符合規范規則的任何設計方法或任何結構型式(新GB 150基本上增加了這一前言內容)。
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