壓力容器的發(fā)展趨勢

1、壓力容器的開展趨勢、前言壓力容器根本都是在承壓狀態(tài)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治理.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(yè)技術門類.因此,壓力容器的技術開展是在建立在 各專業(yè)技術綜合開展的根底之上.二、壓力容器本體的開展方向：隨著國際經濟,技術的貿易交流日漸增強和壓力容器的設計,制造及使用治理的成熟化,國內外壓力容器的開展逐漸呈現(xiàn)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.這是由

2、于通用化與標準化也就意味著互換性的提升,這不僅有利于壓力容器使用單位日常維護與后勤保證,而且能夠最大限度地減少設計和制造本錢.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(yè)的開展和標準的國際化認可,從而獲得更大的國際發(fā)言權和豐厚的經濟利潤.2,特殊化與專業(yè)化：通用化與標準化雖然有許多優(yōu)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(huán)境下必須使用具有特殊功能的壓力容器.如核反響容器,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,耐高壓和耐高溫水

3、平. 正是這些特殊的需求促使壓力容器向著特殊化與專業(yè)化的方向不斷地開展和進步.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本錢高昂和平安性不夠理想的問題.現(xiàn)在隨著新型材料出現(xiàn)和冶金業(yè)的開展超高壓容器的耐壓水平和強度極限也在逐 步提升,這都將促使超高壓容器進一步開展.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350C.火力發(fā)電站的鍋爐汽包、煤轉化反響器,某些堆型高溫氣冷堆和增殖反應堆核電站的反響堆壓力容器等,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

4、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擬復雜,求理論解相當困難.現(xiàn)代實踐說明,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(huán)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水平,而且對其平安性的要求也非常嚴格,這不是一般的壓力容器所能滿足的.(

5、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 C左右甚至更低,這時材料的晶體結構會發(fā)生變化, 造成材料的強度和塑性大幅度下降,給平安運行帶來隱患.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(yè)技術開展方向：壓力容器是一個涉及多行業(yè)、 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、平安防護等眾多行業(yè).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開展,帶動了相關產業(yè)的開展,在世界各

6、國投入了大量人力物力進行深入的研究的根底上,壓力容器技術領域也取得了相應的進展.為了生產和使用更平安、更經濟的壓力容器產品,傳統(tǒng)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(shù)化的趨勢日益明顯,千噸級的加氫反響器、 二千噸級的煤液化反響器、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(yè)、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(fā)一直是壓力容器行業(yè)所面臨的 重大課題.對此,各國均投入了大量的人力物

7、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(xiàn)在以下幾個方面：材料的高純潔度：冶金工業(yè)整體技術水平和裝備水平的提升,極大地提升了材料的純潔度,提升了壓力容器用材料的力學性能指標,提升了壓力容器的整體平安性；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(fā)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,給設計者以更多項選擇擇的空間,為長周期平安生產提供了保證；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(tǒng)的材料已經無法解決諸如 3萬立方 米天然氣球罐、鋼

8、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 bb>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(yè)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(yè)的技術進展,其主要表現(xiàn)為：設計：傳統(tǒng)的計算機輔助設計CAD已逐步向計算機輔助工程CAE兩方向開展.隨著 計算機水平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剩余應力、設備組裝和運輸過程中可能會出現(xiàn)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(yōu)化設計已經逐漸為設計者

9、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(tǒng)的工藝生產方式, 質量治理意識和生產方式已經發(fā)生了深刻的變革.壓力容器全過程的計算機治理使得所有控制點均能得到有效的限制,極大地減少了人為失誤,有效地保證了產品質量的穩(wěn)定,保證了生產周期和生產本錢的降低；焊接：計算機限制的仿形焊機、 激光焊機和全位置自動焊機的應用,極大地提升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(fā)射等技術的應用,再配以專門研制的專家系統(tǒng),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、加氫反響器等厚度大于100mm的重型容

10、器.這對提升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響器的建造中開始應用該技術解決現(xiàn)場進行無損檢測的問題.3、結構設計現(xiàn)代的壓力容器結構設計正在逐步擺脫傳統(tǒng)觀念的束縛,表達真正滿足工藝要求的設計理念,追求實效性、平安性和經濟性的和諧統(tǒng)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(fā)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證.例如模塊化的設計方法,它是根據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,像平

11、安防護裝置局部,罐體局部等,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：壓力容器的平安性和經濟性的和諧統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)的平安系數(shù)設計法為了 “保險起見,往往將平安系數(shù)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.而可靠性設計中將局部參數(shù)作為隨機變量來處理, 對其進行統(tǒng)計并建立統(tǒng)計模型,用概率統(tǒng)

12、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、平安系數(shù)的降低為了增加本國產品的競爭性, 降低平安系數(shù)是目前世界各國和地區(qū)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平安系數(shù)nb降為2.4的提案.平安系數(shù)的降低關系到壓力容器標準的根底,對壓力容器行業(yè)的經濟性及平安性影響極大,必須慎之又慎.降低平安系數(shù)的前提條件是：結構分析設計水平的提升； 制造經驗的積累和制造技術水平的提升；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(yè)的開展趨勢：進入了經濟全球化的開展時期,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

13、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(yè)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(tǒng)的分析研究,在根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治理方式,最終階段性地實現(xiàn)標準間的互相認可.趨同性：信息技術的高速開展, 使世界范圍內的先進技術迅速普及,圍繞技術開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(tǒng)一的方向開展.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(xiàn)標準的互相認可.AS

14、ME 日本技術標準在 1999年進行一個研究工程,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、 建造和行政治理的要求進行系統(tǒng)的比擬,證實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(guī)那么的組成局部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(zhàn)略的實質是爭奪國際市場的限制 權.2,技術法規(guī)和技術標準之間的相互協(xié)調：國家的技術法規(guī)是國家為保證壓力容器產品的平安而設立的強制性法規(guī),任何其管轄范圍內的產品都必須遵守它的平安原那么；技術標準是推薦性的, 規(guī)定保證壓力容器平安所相應的產品質量技術指

15、標, 但標準所規(guī)定的技術指標應該符合技術法規(guī)的平安原那么,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(guī)應該是總體協(xié)調的,但在作用和其它方面是有區(qū)別的.原那么性和工程性：技術法規(guī)管轄產品的最根本的平安要求；標準除了要符合這些根本要求之外,還要規(guī)定在工程上滿足根本平安要求的具體方法和合格指標.技術法規(guī)的數(shù)量很少,但管轄的范圍很寬；與之配套的協(xié)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(wěn)定性和時效性：國家的技術法規(guī)是國家的行政法規(guī)的一局部,其內容的相對穩(wěn)定不變對行業(yè)的平安治理有利； 而協(xié)調

16、標準是實現(xiàn)產品平安質量的技術規(guī)那么,要與時俱進,隨時反映行業(yè)的綜合水平和相應技術的開展.因此,研究調整技術法規(guī)與技術標準之間的協(xié)調關系,明確技術法規(guī)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(yè)市場化和生產專業(yè)化；競爭必然導致生產模式的改變,形成以核心企業(yè)為主導、大中小企業(yè)協(xié)調開展、分層次競爭的產業(yè)組織結構. 市場配套和專業(yè)化生產是今后壓力容器行業(yè)的主要格局,也是開展的方向；增強標準化工作有助于實現(xiàn)專業(yè)化協(xié)作,這種強調市場配套和專業(yè)化生產的產業(yè)組織結構必須以技術上的高度統(tǒng)一為前提,標準化恰恰是實現(xiàn)技術統(tǒng)一的根底,因此標準是專業(yè)化協(xié)作的橋梁和紐帶.總結：壓力容器本體,專業(yè)技術及行業(yè)

17、的開展是相互影響,相互促進的.只有在材料, 冶金,加工工藝,檢測等技術得到了實質性的開展的根底上,壓力容器的平安性,可靠性才能得到提升,壓力容器性能的提升又將促使行業(yè)標準的提升,而這又將反過來進一步促進壓力容器的專業(yè)技術與本體的繼續(xù)開展.合理地處理好三者之間的相互關系,將使壓力容器行業(yè)進入一個健康,有序的開展軌道.復合材料壓力容器的開展始于20世紀60年代,在空間系統(tǒng)中首先使用玻璃纖維和凱夫拉-49纖維纏繞金屬內襯壓力容器來取代傳統(tǒng)的全金屬壓力容器.在20世紀80年代中期,隨著高強度碳纖維的普遍應用和推廣,使得質量輕、強度高、可靠性高的高壓容器生產目前,航天系統(tǒng)中各類飛行器以及空間運載器對復合

18、材料壓力容器的需求非常普遍.特別是航天飛機和運載火箭系統(tǒng),需要大量壓力容器來維持各個系統(tǒng)的正常工作.以美國nasa航天飛機為例,包括推進系統(tǒng)、流體治理系統(tǒng)、生命保證系統(tǒng)和科學實驗系統(tǒng)在內,共應用了24個壓力容器,其工作壓力為1.06-50mpa、容積為 5-6001、長度為 470-5776mm、直徑為146-1336mm ,存儲的氣體包括氫氣、氧氣、氮氣、僦氣、空氣和二氧化碳等.航天系統(tǒng)中 如今使用的復合材料壓力容器大多是由雙層結構組成,內層為金屬內襯層, 外層為樹脂基體增強的纖維纏繞層. 內襯層材料大多項選擇用金屬,包括monel合金、鋁合金、不銹鋼、鈦合金等.對高循環(huán)壽命應用的壓力容器采

19、用如鈦合金、不銹鋼、因科乃爾內襯如：.另外,還應考慮成形、質量、制造費用等技術因素及腐蝕、污染、氧化等風險問題,應該針對不同的包容介質選擇相應的內襯材料,以保證兩者的相容性.比方儲氧壓力容器一般采用與氧相容性很好的monel合金.一般不采用鈦合金.對于儲氫壓力容器,要考慮抗氫脆特性,多采用鋁合金或不銹鋼 材料復合材料壓力容器外層材料主要選擇玻璃纖維、玻璃纖維具有強度高、伸長率大、抗沖擊性能好、價格低廉等特點,但彈性模量較低,通常采用高強玻璃纖維在壓力容器外外表纏 繞數(shù)層作外表抗沖擊保護層.凱芙拉纖維具有高強度、高模量、沖擊性能好以及良好的化學 穩(wěn)定性和耐熱性的特點,主要用于航空、航天等對質量要求特別嚴格的壓力容器上.碳纖維具有密度小、比強度、比模量高的特點,是目前最主要采用的增強材料,包括參加低模量纖維(纖維玻璃、凱夫拉纖維)改良抗沖擊性能的壓力容器新型航天器不斷追求高效能、低成本、長壽命、高可靠性.其中低本錢的要求更是重中之重.無內襯復合材料壓力容器在這種需求下應運而生.這種新型無內襯復合材料壓力容器取消了傳統(tǒng)的金屬內襯,使其在增加容積的同時減輕約25左