金属压力容器制造行业最新技术应用状况及趋势

第一节 行业 最新科技应用状况

压力容器的专用材料对韧性、塑性、延性有着特殊要求，因此对钢材来说，其碳含量应不大于0.25%，其硫、磷含量应分别不大于0.020%和0.030%，对屈强比也有一定限制。低合金钢是含有少量合金元素（如Mn、V、Mo、Nb等）的低碳结构钢，它不仅价廉、强度也比同等低碳钢高得多，而且具有良好的焊接性能和一定的耐蚀性能。我国开发的这类钢种较多，在国际市场上也颇有优势，今后还将继续冶炼出新品种，特别是能防止低温脆断的耐低温低合金钢，以供用户选用。

压力容器用材还需考虑与介质、环境等的相容性，当前令人关注的是抗氢钢种，耐腐蚀不锈钢种，耐深冷低温钢种和耐高温抗氧化钢种等。由于石油化工装置中加氢反应器的不断涌现，国内外对Cr-Mo系抗氢钢种正在积极开发。这类钢种主要能防止氢脆、氢腐蚀、氢剥离等氢致缺陷，又有良好的可焊性和长期的组织稳定性。对这类钢种的选材是决定加氢反应器技术经济指标的重要因素。为了满足不同介质的相容性要求，覆有不同材料复层或堆焊层的复合型钢板正在迅速进入市场。不过，在选用这类复合钢板时，必须与相应的加工工艺规程、焊接工艺指导书、热处理要求及检测试验方法等配套进行。

有色金属制压力容器（如铝、钛、铜、镍及其合金）正在逐渐增多，尤其是钛容器因强度质量比很高，已被某些产业广泛选用。然而，这类压力容器的设计、制造、检验与验收只能适当参考有关的钢制压力容器，不能全套搬用，必须重视它们各自的特殊性。

值得注意的是新世纪纳米技术正在试制出轻质、高强度、热稳定的新型材料，甚至能自动修复磨损或裂纹等缺陷的智能材料。所谓纳米技术新材料的特点是先形成超微粒子，在使化学成分不再改变的前提下，设法调整其介质常数、熔点、硬度、韧性等物理力学性能；或者通过原子操纵配制出符合压力容器受力特点的非匀质功能性梯度材料。选用这类材料进行加工成形时，不再是传统的"去材法"或"变形法"制造理念（即先按设计几何结构适当留出余量，再通过切削磨铣或锻压冲延来达到设计要求的产品），而是运用“增材法”制造理念，通过分层实体造形，逐层堆积金属微粒子，快速制成所需产品，并使产品的材料性能可逐层满足加载后的强度、刚度和其它要求。这样既大大节省了原材料，降低了环境污染，又可使不同材料层起到不同的特殊功能。例如，压力容器的接管区属复杂的高应力、高应变区，也是裂纹生成、扩展以至断裂失效的不安全区域，如果其内侧又接触腐蚀、冲蚀或磨蚀性介质，则该区域对材料性能的要求就将十分苛刻。目前，一般只能采用补强圈或整体补强，并在内侧敷以耐蚀耐磨涂层等措施，以适当改善该局部区域的承载状况。但是，若能运用纳米技术配制出新材料，以高强度、高冲击韧性材料为基体层，然后在接管与筒体连接区堆积一层高断裂韧性、抗裂纹扩展的材料，并在内侧再堆积一层耐蚀耐磨材料，组成所谓非匀质梯度“理想材料”，则通过数字化快速成形技术就能生成接管区承压部件。上述生产制造过程，似乎有些不可思议，但确实已列入国内外材料科学的R&D计划。

第二节 行业 科技发展趋势

压力容器是一个涉及多 行业 、多学科的综合性产品，其建造技术涉及到冶金、机械加工、腐蚀与防腐、无损检测、安全防护等众多 行业 。随着冶金、机械加工、焊接和无损检测等技术的不断进步，特别是以计算机技术为代表的信息技术的飞速发展，带动了相关产业的发展，在世界各国投入了大量人力物力进行深入的 研究 的基础上，压力容器技术领域也取得了相应的进展。为了生产和使用更安全、更经济的压力容器产品，传统的设计、制造、焊接和检验方法已经和正在不同程度地为新技术、新产品所代替。

1、 压力容器所用材料的技术进展 

近年来压力容器产品大型化、高参数化的趋势日益明显，千吨级的加氢反应器、二千吨级的煤液化反应器、一万立方米的天然气球罐（日本最大的天然气球罐为三万立方米）等已经在我国大量应用，压力容器在石油化工、核工业、煤化工等领域中的应用场合也日益苛刻。因此，耐高温、高压和耐腐蚀的压力容器用材料的研制与开发一直是压力容器 行业 所面临的重大课题。对此，各国均投入了大量的人力物力从事相关的 研究 工作。目前，压力容器用材料的主要 研究 成果和技术进步表现在以下几个方面：

材料的高纯净度：冶金工业整体技术水平和装备水平的提高，极大地提高了材料的纯净度，提高了压力容器用材料的力学性能指标，提高了压力容器的整体安全性； 

材料的介质适用性：针对各种腐蚀性介质和操作工况，已 研究 开发出超级不锈钢、双相钢、特种合金等金属材料，使之适合各种应用条件，给设计者以更多选择的空间，为长周期安全生产提供了保证； 

材料的应用界限：针对高温蠕变、回火脆化、低温脆断所进行的 研究 ，准确地给出材料的应用范围。 

更高强度材料的应用：在设备大型化的要求下，传统的材料已经无法解决诸如3万立方米天然气球罐、钢厂的大型球罐、20万立方米原油储罐以及超高压容器的选材问题。目前σb≥800MPa 高强材料的应用正在引起国内 研究 人员的广泛关注。

2、 计算机技术的广泛应用 

在信息时代的今天，计算机技术应用已经渗透到压力容器 行业 的每一个领域。计算机软、硬件的每一个进步都极大地影响着压力容器 行业 的技术进展，其主要表现为：

设计：传统的计算机辅助设计（CAD）已逐步向计算机辅助工程(CAE)的方向发展。随着计算机能力的不断增强和 分析 手段的日益多样化，设计者在结构设计阶段就可以预见到诸如焊接过程中所产生的残余应力、设备组装和运输过程中可能会出现的碰撞等问题，并在设计阶段消除这些问题， 分析 设计和结构优化设计已经逐渐为设计者所掌握；

制造：计算机辅助制造(CAM)技术正在逐步改变压力容器制造厂传统的工艺生产方式，质量管理意识和生产方式已经发生了深刻的变革。压力容器全过程的计算机管理使得所有控制点均能得到有效的控制，极大地减少了人为失误，有效地保证了产品质量的稳定，保证了生产周期和生产成本的降低；

焊接：计算机控制的仿形焊机、激光焊机和全位置自动焊机的应用，极大地提高了生产效率和产品质量；

无损检测：计算机射线实时成像、超声扫描模拟成像和多通道声发射等技术的应用，再配以专门研制的专家系统，使检测的结果更加准确和客观。特别是超声扫描模拟成像缺陷探察技术（TOFD）已经成功地用于核设备、加氢反应器等厚度大于100mm的重型容器。这对提高重型容器的生产效率和减少射线污染起到了积极的作用。我国在煤液化装置反应器的建造中开始应用该技术解决现场进行无损检测的问题。

3、 结构设计 

现代的压力容器结构设计正在逐步摆脱传统观念的束缚，体现真正满足工艺要求的设计理念，追求实效性、安全性和经济性的和谐统一。 

结构的合理性设计：标准中对压力容器的具体结构形式不予限制，因此压力容器结构所受的制约较少，给设计者很大的发挥空间，有利于设计出更加合理的结构。另外， 分析 设计手段的运用和验证性试验的实施为结构的合理性设计提供了必要的保障。例如模块化的设计方法，它是按照压力容器上各个部件功能的不同将完成同一功能的各部件作为一个小的整体来进行 研究 ，像安全防护装置部分，罐体部分等，它不仅使得压力容器的维护更加简便，而且能在很大程度上能够缩短研制周期，加速技术升级。

结构的经济性设计：压力容器的安全性和经济性的和谐统一一直是设计者的追求，应力 分析 标准就是应此要求而出现的。焊接钢管的使用和特殊结构的应用，在很大程度上是考虑了压力容器结构的经济性。 

结构的可靠性设计：传统的安全系数设计法为了“保险”起见，往往将安全系数的取值偏大，使得所设计的压力容器及零件的结构尺寸偏大，不仅浪费材料，而且由于各个零件的寿命和强度难以保证合理的匹配，结果造成最终产品1+1<2的情况。而可靠性设计中将部分参数作为随机变量来处理，对其进行统计并建立统计模型，用概率统计法进行计算，能够全部扫描设计对象，所得结果更符合世界情况。

4、安全系数的降低 

为了增加本国产品的竞争性，降低安全系数是目前世界各国和地区压力容器标准的普遍倾向，我国也提出了将特定材料按 分析 设计方法设计的安全系数nb降为2.4的提案。安全系数的降低关系到压力容器标准的基础，对压力容器 行业 的经济性及安全性影响极大，必须慎之又慎。
 

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