压力容器设计新进展

承压设备设计技术进展[摘要]近期欧洲和美国相继颁布了新的承压设备标准，特别在压力容器领域，欧洲的EN13445和美国的ASMEVIII-2：2007全面整理和改编了原有的技术内容，提出了全新的设计理念和设计方法。本文将简要介绍目前承压设备设计技术的技术进展，同时讨论我国承压设备设计技术领域的发展方向和需要深入研究的课题。[关键词]承压设备；设计；进展一引言世界已经进入了经济全球化的发展时期，经济全球化的一个必然趋势是标准的国际化。随着国际资本进入中国建设大型工程装置和国内企业扩大生产装置能力，国际化的工程项目给我国的承压设备行业带来了国际上最先进的技术、标准和管理模式，既给我国承压设备行业参与建造大型和高参数承压设备带来了机会和挑战，也给我国承压设备技术标准和监管模式的改革提供了动力和样板。因此，当前既是发展我国承压设备行业的最好时机，也是和世界技术标准和管理模式融合的最好时机。而研究承压设备设计方法和使用最先进的技术手段，是目前行业关注的焦点。承压设备是一个涉及多行业、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，承压设备技术领域也取得了相应的进展。为了生产和使用更安全、更具有经济性的承压设备产品，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，而冶金、机械加工、焊接和无损检测等承压设备相关行业的技术进步，是承压设备行业整体技术水平提高的前提条件。技术发展的动力在于经济的竞争。经济全球化和激烈的竞争使得世界各国必须考虑承压设备的安全性和经济性的和谐统一，因此新的设计方法出现，研究也在不断深入。当前标准技术的发展趋势有如下特点：（1）针对失效模式的设计方法；（2）计算机技术的广泛应用；（3）更经济的设计方法；（4）体现综合建造技术的技术要求；（5）更广的标准适用范围。本文结合我国的设计技术和标准现状，重点讨论国外设计技术和标准的进展，提出关于标准技术的研究方向。希望行业内能够充分重视我国在设计技术上与先进国家的差距，提高设计和标准技术水平，提高全行业的国际竞争力。二承压设备设计技术进展1、承压设备用材料的技术进展近年来承压设备产品大型化、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、大直径的长输管线和超超临界动力锅炉等已经在我国大量应用，承压设备在电力、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、高压和耐腐蚀的承压设备用材料的研制与开发一直是承压设备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，承压设备用材料的主要研究成果和技术进步表现在以下几个方面：（1）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，提高了承压设备用材料的力学性能指标，提高了承压设备的整体安全性。欧洲和我国的标准EN10028、GB/T713、GB19189都提出了更严格的要求；（2）新材料的不断出现、复合材料的使用：ASMECodecase2390-2规定了复合增强材料容器的结构设计制造检验要求。但仅仅是不完整的设计方法，没有包含任意缠绕角度的设计方法；（3）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；（4）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，规定材料的气体含量、J系数、X系数，准确地给出材料的应用范围；（5）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、大口径管线以及超高压容器的选材问题。目前σb≥800MPa的高强容器材料和X80~X100的高强管线用材料的应用正在引起国内研究人员的广泛关注。2、设计技术进展承压设备用材料技术的进展为采用更加安全经济的设计计算方法奠定了基础，而焊接技术、无损检测技术的进步则为安全经济的设计提供了保障。正是在材料、焊接和无损检测等相关技术进步的基础上，世界各主要工业国家不断研发并在标准中采用新的设计计算方法，如EN13445采用的直接法和极限分析法以及美国ASME与欧洲合作编制分析设计标准，目的是提高其在国际市场上的竞争能力。此外，现代的承压设备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。在信息时代的今天，计算机技术应用已经渗透到承压设备行业的每一个领域。计算机软、硬件的每一个进步都极大地影响着承压设备行业的技术进展。当前承压设备设计技术发展趋势主要包括以下几个方面：A、以失效模式为依据的设计方法ISO16528综合了世界主要工业国家的技术标准规定，参照欧洲标准的内容，针对锅炉和压力容器常见的失效形式，在标准中提出三大类、14种失效模式，并提出了针对失效模式的设计技术应用理念：短期失效模式（shorttermfailuremodes）：（1）脆性断裂（brittlefracture）；（2）韧性断裂（ductilerupture）；（3）超量变形引起的接头泄露（leakageatjointsduetoexcessivedeformations）；（4）超量局部应变引起的裂纹形成或韧性撕裂（crackformationorductiletearingduetoexcessivelocalstrains）；（5）弹性、塑性或弹塑性失稳（垮塌）（instability-elastic,plasticorelastic-plastic）。长期失效模式（longtermfailuremodes）；（6）蠕变断裂（creeprupture）；（7）蠕变：在机械连接处的超量变形或导致不允许的载荷传递（creep-excessivedeformationsatmechanicaljointsorresultinginunacceptabletransferofload）；（8）蠕变失稳（creepinstability）；（9）冲蚀、腐蚀（erosion,corrosion）；（10）环境助长开裂如：应力腐蚀开裂、氢致开裂（environmentallyassistedcrackinge.g.stresscorrosioncracking,hydrogeninducedcracking,etc）；循环失效模式（cyclicfailuremodes）：（11）扩展性塑性变形（progr-essiveplasticdeformation）；（12）交替塑性（alternatingplasticity）；（13）弹性应变疲劳（中周和高周疲劳）或弹塑性应变疲劳（低周疲劳）[fatigueunderelasticstrains(mediumandhighcyclefatigue)orunderelastic-plasticstrains(lowcyclefatigue)]；（14）环境助长疲劳（enviro-nmentallyassistedfatigue）对于压力设备标准，在确定设计准则和方法中至少要考虑如下失效模式：——脆性断裂（brittlefracture）；——韧性断裂（ductilerupture）；——接头泄露（leakageatjoints）；——弹性或塑性失稳（elasticorplasticinstability）；——蠕变断裂（creeprupture）。B、复杂本构关系和结构随着计算机能力的飞速发展，承压设备设计技术已经可以解决具有高度复杂本构关系或者复杂结构的工程问题如：（1）各向异性的材料：复合材料、纤维缠绕容器；（2）结构组合分析设计：法兰、垫片和螺栓组成的密封结构、多层壳体的接触问题；（3）复杂结构的曲屈和后屈曲：大型杆、壳组合结构的稳定性分析；（4）组合结构的动力响应：地震响应、管道振动，流体诱导振动等。3、大规模数值分析传统的计算机辅助设计（CAD）已逐步过渡到计算机辅助工程（CAE）。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。计算机硬件技术：技术发展方向的大型计算机、多CPU并行计算系统。计算软件全面发展，针对强度、变形、稳定性、多物理场、流体、爆炸模拟仿真、碰撞模拟仿真等应用，出现了一批商业化的工程软件。现代软件是集功能完整性、技术先进性与易学易用性于一体的高端通用机械分析软件，以结构力学分析为主，涵盖线性、非线性、静力、动力、疲劳、断裂、复合材料、优化设计、概率设计、热及热结构耦合、压电等机械分析中几乎所有的功能。在特种设备的强度分析方面应用广泛，其中的电磁和声学计算功能可用于特种设备的无损检测方法仿真研究。4、多物理场耦合分析现代承压设备需要精确地解决流体和固体之间的相互作用问题，同时热分析和冲击分析也是不可缺少的技术手段。所以也要解决如下问题：（1）流固耦合问题：大型容器、移动容器、管道内流动；（2）多相流问题：锅炉燃烧、流化床燃烧和反应；（3）传热和传质问题：板式换热器、塔板效率、分配器效率；（4）冲击载荷：水锤现象、撞击。5、变设计安全系数的方法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，美国（ASME）和欧洲统一压力容器标准（正在制定中）均降低了相应的安全系数，美国ASMEVIII-1：2007将nb由4.0降为3.5，ASMEVIII-2：2007nb由3.0降为2.4，欧洲统一压力容器标准的nb最小值为1.875。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。传统的降低安全系数的前提条件是：（1）结构分析设计水平的提高；（2）制造经验的积累和制造技术水平的提高；（3）更严格的材料技术要求；（4）更科学的质量保证体系。在设计技术和制造水平协调一致的今天，研究成果已经证实，安全系数的降低并不直接影响安全性。标准应该根据实际工况和设计条件的差异、设计计算的精确程度、材料、计算方法、制造质量、检验的综合可靠性，考虑风险工程的能量、后果、人的因素，确定相应的设计裕量。6、安全理念所导致的结构变化现代承压设备的设计不仅要考虑安全和满足工艺要求，还要考虑环保和节约资源的要求：（1）突破传统的埋地压力容器:设计压力低、消防间距小、失效模式主要考虑土壤腐蚀；（2）体现环保要求的双层埋地容器，可以实现远距离实时监测；（3）由于高参数所研发的容器：复合材料、缠绕容器。三、国际承压设备标准技术发展趋势国际承压设备标准技术的发展方向有以下特点：（1）趋同性：信息技术的高速发展，使世界范围内的先进技术迅速普及，围绕承压设备技术发展的技术标准也必然为技术的使用者所接受，因此世界范围内的承压设备技术要求正在向统一的方向发展。特别在设计方法、焊接和无损检测等技术领域，统一要求的趋向明显。（2）区域性：由于历史的原因和贸易区域的原因，目前已经形成了以北美国家、以日本为代表的亚洲国家所形成的ASME体系和欧洲的PED及其协调标准体系的区域性格局。两个体系的竞争日益激烈，目的在于占领国际市场份额。（3）相容性：尽管世界上的各国的技术标准的技术内容和具体技术指标不完全相同，但各国都把自己的标准与其它国家标准相容作为目标，以实现标准的互相认可和促进贸易的发展。ASME在1999年进行一个研究项目，对PED进行彻底分析，并将PED的ESR与VIII-1对设计、建造和行政管理的要求进行系统的比较，证明ASME标准增加一些内容以后就可以满足PED的要求。（4）贸易性：标准是国际贸易规则的组成部分和贸易纠