浅谈我国压力容器技术发展及其趋势（下）

            浅谈我国压力容器技术发展及其趋势蒋小文 ，杜侠鸣，齐一华(中国寰球工程有限公司北京分公司，中国.北京 100029)

3.2 压力容器设计手段的发展趋势

我国压力容器的设计手段随着计算机软硬件技术的快速更新，经过60多年的发展，经历了从最初的手工计算+绘图板绘图到计算尺或计算器计算+绘图板绘图，再到计算机辅助计算+二维绘图（即计算机辅助设计），再到目前的计算机辅助计算+部分参数化绘图及三维可视化绘图等几个阶段。应该说目前的压力容器设计手段大大提高了压力容器的设计效率，然而随着近些年来计算机技术、网络技术、大数据及人工智能技术的快速发展，这种设计手段仍存在以下几个方面的不足：
（1）国内大部分压力容器的设计还停留在计算机辅助计算+二维绘图阶段，仅有一些先进的企业部分实现了计算机辅助计算+参数化绘图或三维可视化绘图，设计效率无法满足现阶段的实际需求，如对于企业降本增效的需求；
（2）设计计算与绘图仍处理脱节状态，未能形成协同，即设计计算的结果不能直接被绘图软件直接读取并进行自动绘图；
（3）设计工作对于压力容器设计工程师的依赖性依然比较高，而压力容器设计工程师每天面对的是大量规律性的重复工作：如打开压力容器设计计算软件，输入参数，计算，根据计算结果绘制图纸等；
（4）即便相同的压力容器设计条件，不同的工程师进行设计，设计的结果往往会出现多样性，比如不同的壁厚取值，不同的技术要求，不同的结构形式等。
（5）历史项目中的海量压力容器设计成品文件利用率低，这些成品文件并未成为有价值的数据资产。
因此，借助于未来技术的发展及“工业4.0”智能化时代对于压力容器行业数字化、智能化的要求，压力容器的设计手段将在以下两个方面得到发展：
3.2.1 标准化设计
通常来讲，标准化设计是指在一定时期内面向通用产品，依据共性条件，通过制定统一的标准和模式来开展适用范围比较广泛的设计。对于非标压力容器，我们也一直在提要实现标准化设计。然而如何才算标准化设计，评判标准是什么？具体工程实践中该如何进行？行业内恐怕没有具体而明确的定义和指导意见。笔者以为，未来非标压力容器的设计标准化程度会越来越高，要实现标准化设计，应从以下几个方面着手：
（1）设计模板文件、标准图、通用图、通用工程规定的编制、进一步完善和补充。这一方面应是行业内做的比较好的，各工程公司、设计院和制造单位或多或少地都建立了本单位的这些文件服务于压力容器设计。如能够集行业之力，形成我国压力容器行业性的一套工程设计模板、标准图、通用图及通用的工程规定，类似于HG/T 20668《化工设备设计文件编制规定》这样统一性的指导文件，将能大大地提高我国压力容器标准化设计的水平和质量；
（2）基于全行业长期而丰富的工程实践和经验，进行总结，提炼和提高并将其固化下来并形成文字性的指导手册，指南等文件（甚至类似于设计输入、输出专家系统），用于规范设计输入以及输出结果，从而指导设计。例如压力容器的承压部件（如筒体，法兰，管板）的设计厚度取值，不同的人基于工程经验等各种因素的差异，会出现不同的结果，而且有时结果相差比较大（甚至造成过渡设计）。如果能针对不同的设备类型，不同的情况，基于大量的工程经验和实践以及对历史设备数据的分析，给出一个厚度取用原则或指导意见，从而实现最大可能不同设计人员能给出基本一致的设计结果，这样不但实现了标准化设计，也能提高效率；
（3）对历史项目中的海量压力容器设计成品文件进行数据化处理，使得这些成品文件具有数据价值，例如能够进行检索、对比、分析判断等。
（4）非标压力容器的标准化设计还应实现设计管理与流程的标准化。
3.2.2 智能化设计
随着大数据、人工智能及其应用场景的发展，压力容器未来实现智能化设计将成为可能。实际上压力容器的标准化设计和智能化设计是相辅相成，互相促进的。当压力容器的标准化设计程度达到一定高度后，也为压力容器的智能化设计提供了保障和基础。也只有借助压力容器标准化设计过程中形成或确定的规则（例如统一的数据标准、数据接口）、模板、数据（库）资产等，再借助人工智能及深度学习，压力容器智能化设计才成为可能。
对于未来压力容器的智能化设计，笔者概念设计如下：设计或定义标准化的输入条件为输入端；中间为核心的智能设计端：它是以法规、产品标准&规范、零部件标准等形成的基础数据库，海量压力容器设计成品数据化后的资源数据库以及由大量的行业工程实践和经验总结提炼而成的专家库等三大数据库为支撑的深度学习及人工智能设计计算平台及自动化成图模块。即根据设计计算的结果，由资深的压力容器审核工程师进行判断并根据其经验微调设计结果（如果需要调整），最终确定的设计计算结果作为可被自动化成图模块识别的标准数据文件，输入到自动化成图模块进行自动化成图；输出端为能够满足设计各阶段要求压力容器设计图纸或数据文件：如二维工程图文件及施工图文件、三维的模型数据文件或用于智能制造的数据文件，其简单概念图如图（2）所示。由压力容器智能设计系统输出的设计文件：如计算书、图纸文件及模型文件只需要进行具有压力容器审核资质的工程师进行评阅，并根据评阅意见修改相应的设计结果或参数后重新让设计系统输出设计文件，最终的输出文件经审核人签署即可用于实际的工程设计或制造。



图2：压力容器智能设计概念流程图
如未来压力容器智能设计系统真正的得以实现并应用（实际上目前国内已有公司在进行这方面的开发和尝试），将革命性地改变传统的压力容器设计手段及设计管理模式，大大提高设计效率，降低人工成本。毫不夸张地说，相比于未来压力容器的人工智能设计，目前的计算机辅助设计类似于几十年前的手工计算和绘图板绘图。因此，目前的压力容器辅助设计的改变势在必行，采用智能化设计系统将在以下几个方面体现出巨大的优势：
（1）压力容器的智能化设计将打通设计、制造及产品的运行维护整个生命周期的数据流与业务流，为实现智能工厂提供支撑；
（2）大大提供设计效率，将工程师从大量规律性的重复工作中解放出来，从而有更多的精力投入到一些创新、开发&研发中去，实现压力容器行业的可持续高质量发展；
（3）实现了设计结果相对意义上的规范和统一，避免了设计结果的多样性。

4. 压力容器制造、检验技术的发展趋势
我国压力容器制造的发展始于上世纪五十年代，1956年，南京永利宁厂机械分厂（南化机前身）试制成功中国第一台多层包扎式高压容器。六十年代，我国的中小型化肥厂、各种化工厂及炼油厂所用的压力容器，除部分由苏联和东欧等国引进外，其余部分都是由我国工厂制造。七十年代中期，我国从国外引进成套大型化肥、石油化工装置，这使我国的压力容器制造安装水平有了大幅提高[5]。随后经过40多年的发展，我国压力容器制造业在技术水平、装备能力、产品质量、市场规模等方面有了飞速的发展，特别是“十三五”期间，随着我国从石化大国成为石化强国，我国的压力容器制造也向大型化、高端化、核心设备国产化迈进。但也应清醒地认识到我国压力容器制造的数字化、网络化方面距离世界强国还有一定距离，大量的中小企业基础设施薄弱、管理制度及生产设备落后，还在我们所说的工业1.0、2.0阶段停留。
现如今，随着德国“工业4.0”、美国GE“工业互联网”在全球范围内的推广和应用，以及“中国制造2025”战略的推进，以新一代信息技术与制造业深度融合为特点的智能制造已引发了全球性的新一轮工业革命，并将成为制造业转型升级的重要抓手和核心动力。未来压力容器制造行业也必将朝着采用先进制造、检测技术、智能化方向发展。笔者以下介绍未来可能会在压力容器制造、检测上进一步推广应用的几个新技术，这些新技术如能在石油化工行业得到推广和普遍应用，将对整个压力容器制造行业产生深远的影响，也为压力容器真正意义上的智能制造提供保障。
（1）微通道反应技术的应用
微通道反应技术自20世纪90年代中期兴起以来，由于其独特的特色和优势得以迅速发展，在医药、农药、特种材料以及精细化工产品及中间体的合成中得到了越来越多的应用。该技术的中“微通道反应器”是微反应器、微混合器、微换热器、微控制器等微通道化工设备的通称。微反应器从本质上讲是一种连续流动的管道式反应器，反应器中的微通道利用精密加工工艺制造而成，特征尺寸通常在10~1000微米之间。由于微反应器内工艺流体的通道尺寸非常小，相对于常规管式反应器而言，其比表面积体积比非常大（可达10000~50000 m2/ m3），因此微反应器具有极高的混合效率（毫秒级范围实现径向完全混合）、极强的换热能力（传热系数可达25000W/(m2.K))和极窄的停留时间分布（几乎无返混，基本接近平推流）。“微反应器”的两大特征——比表面积大及连续操作方式，使得对反应工艺的精确控制成为可能。因此，相对于传统的间歇反应工艺，微反应器具有高速混合、高效传热、反应物停留时间的窄分布、重复性好、系统响应迅速而便于操控、几乎无放大效应以及在线的化学品量少，从而达到的高安全性能等优势。
近几年国家出台了一系列鼓励扶持微反应技术的政策：例如2017年工信部发布《产业关键共性技术发展指南（2017年）》，石化联合会连续两年发布的《石化绿色工艺名录（2018年版）》、《石化绿色工艺名录（2019年版）》等都提到了微通道反应技术，同时微反应系统开发也入选2019年全球工程开发前沿。近一年来，微通道反应技术在科研开发及应用上也取得了一系列的成就：例如某公司的“新型（微通道）高效紧凑型焊接式热交换器”通过出厂技术鉴定；某公司单台年通量生产能力万吨级的反应器工业化成功应用等。因此，随着未来石油化工生产对于节能、环保、绿色以及生产本质安全的要求将越来越高，微通道反应技术将会是21世纪一项颠覆性技术。微反应器技术不再局限于需求量小的化学品的生产，而且可以扩大到几万吨甚至几十万吨的基本化学品的生产，它将改变传统化学化工的研发和生产方式。
（2）压力容器及其承压件增材制造的广泛应用
增材制造（Additive Manufacturing，AM）俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。该技术诞生于20世纪80年代的美国，经过40年的发展，特别是近20年来，AM技术得到了快速的发展：经历了从萌芽到产业化、从原型展示到零件直接制造的过程，发展十分迅速，已经在航空航天、核电、医疗器材、新材料等领域得到了一定的应用[6]。
在压力容器领域，与压力容器传统的“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）不同，金属增材制造技术是运用“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。近年来，金属增材制造技术在压力容器制造领域也取得了一些进展：例如，2016年我国首次采用3D打印技术实现了核反应堆压力容器试件的制造并通过技术鉴定。据报道，依托此技术成果，国内某大型核电公司未来将采用3D增材打印技术来制造某些小型反应堆的关键设备，这些设备包括压力容器和主蒸汽超级管道等。国外如巴斯夫公司3D打印了第一个通过欧洲压力设备标准（2014/68/EU）的高压反应釜，该设备由奥氏体不锈钢制成（工作压力=22.5Mpa）；英国克兰菲尔德大学的研究团队应用Wire+Arc增材制造工艺成功建造了第一个全尺寸钛压力容器原型，用于未来的太空探索载人任务。图3为3D打印压力容器的实例。




图3：3D打印压力容器
虽然增材制造技术目前还未在石油化工压力容器制造领域得到应用和推广，但随着现代制造领域数字化信息和控制技术、工业互联网技术、材料技术等的不断进步，压力容器及其承压件增材制造技术将以其具有的独特优势，满足非标压力容器未来轻量化制造、复杂结构零件成型、快速按需定制、高效和高质量生产的需求。可以预见未来该技术将在压力容器制造领域得到广泛的应用和推广。这一技术的推广，不但对传统的压力容器制造技术（如焊接、无损检测、热处理等）产生深远的影响和促进作用，还将带来压力容器设计技术的改变和革新。
（3）新型的焊接技术及检测自动化&智能化的应用
焊接技术是压力容器制造过程中最为关键的技术，它对于提高压力容器产品的质量及生产效率，降低压力容器产品的人工成本起着至关重要的作用。因此，未来压力容器制造过程中应用新型的焊接及检测技术将会是大趋势。例如摩擦焊接技术、激光复合焊接技术、全位置焊接机器人等先进的焊接技术在压力容器制造中的广泛采用。同时，为了满足各种不同类型，不同结构形式和特点压力容器焊缝无损检测的需求，超声相控阵技术、非接触超声技术、超声导波技术、射线成像技术和机器人辅助检测技术等将得到广泛研究和应用[7]。下表2列出了几种已开始在压力容器中得到应用的新型焊接及无损检测技术。
表2  压力容器焊接检测新技术

焊接检测新技术备注摩擦焊接技术利用工件接触面摩擦产生的热量为热源，使工件在压力作用下产生塑性变形而进行焊接的方法2019年，德国泽普林的摩擦焊接技术——F SW 生产系统首次用于料仓的焊接激光电弧复合焊接技术激光电弧复合焊接技术是一种新兴的特种制造技术，是将物理性质、能量传输机制截然不同的两种热源复合在一起，同时作用于同一加工位置进行焊接的技术在实现单面焊接双面成形、降低变形、减少材料热损伤，降低焊接热应力，提高焊接效率方面具有很大优势超声相控阵检测技术超声相控阵成像技术是通过控制换能器阵列中各阵元的激励（或接收）脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射（或接收）声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，完成声成像的技术目前超声相控阵技术在飞行器复合材料构件检测、复杂焊缝检测、压力管道腐蚀检测和大型板材检测中已得到较为广泛的应用
5. 结语
基于当前及未来新技术如大数据、人工智能等的发展现状和趋势的考虑，笔者对我国压力容器行业的标准体系、材料、设计方法及手段以及制造检验技术等未来的发展及趋势谈了一些个人的想法和理解，旨在引起行业内工程技术人员的共鸣、交流甚至讨论，同时在工作中能够主动作为，勇于创新，从而为我国压力容器行业未来的高质量、可持续发展做出贡献。
参考文献1寿比南. 中国压力容器标准现状及未来技术发展综述[J].压力容器, 2000 : 17(1): 1~42李世玉主编. 压力容器设计工程师培训教程——基础知识零部件[M] .北京：新华出版社, 20193陈学冬, 范志超, 陈永东等. 我国压力容器设计制造与维护的绿色化与智能化[J].压力容器, 2017 : 34(11): 12~274孙明月, 徐斌, 谢碧君等. 大锻件均质化构筑成形研究进展[J].科学通报, 2020 : 65(27): 44~585陈建俊. 我国部分主要压力容器制造厂的制造能力和技术进展[J].中国锅炉压力容器安全, 2002 : 18(01): 4~86卢秉恒. 增材制造技术——现状与未来[J].中国机械工程, 2020 : 31(01): 19~237周正干. 2016世界无损检测技术新进展（下）[C]. 第19届世界无损检测大会学术报告综述, 2016




联系人：蒋小文作者简介：蒋小文（1978.10），男（汉族），江西吉安人。2004年毕业于南京工业大学化工过程机械专业，工学硕士。设备高级工程师，主要从事石油化工设备设计、管理及相关技术工作。电话：（010）58676049，E-mail:jiangxiaowen-hqc@cnpc.com.cn。



         

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