我國壓力容器高性能制造技術進展

陳學東,范志超,崔 軍,陳永東,章小滸,程經緯

(合肥通用機械研究院有限公司 國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心,合肥 230031)

0 引言

壓力容器是具有潛在泄漏和爆炸危險的承壓類特種設備，量大面廣，在國民經濟各領域和國防事業中發揮著不可替代的作用。不同歷史時期,我國壓力容器存在不同問題急需解決，如20世紀80年代及以前含超標缺陷壓力容器的安全性問題，20世紀90年代以來介質苛刻化和超期服役帶來的安全性問題，21世紀初以來壓力容器極端化帶來的設計制造問題等。為此，國家對壓力容器技術創新和質量競爭力提升有重大需求，2005年，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)》[1]將極端制造、重大產品和重大設施壽命預測列為前沿技術，將重大生產事故預警與救援列為優先主題；2017年，中共中央、國務院發布《關于開展質量提升行動的指導意見》(中發[2017]24號)[2]，將壓力容器等特種設備列為高端裝備，要求提升國產裝備的質量競爭力；2021年初頒布的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》[3]提出制造業高端化智能化綠色化、產業基礎高級化和產業鏈現代化要求，以及重大裝備極限壽命和高性能制造要求，旨在推動研制具有高精度、高可靠、高效率、智能化、綠色化等高性能特征的基礎件、基礎制造工藝與裝備，實現高性能制造技術和重大裝備的自主可控，增強我國戰略性高端產品和重大關鍵裝備的核心競爭力；同年國家科技部開始設立“高性能制造技術與重大裝備”重點專項[4]。

高性能制造是與制造強國各項指標相一致的制造模式，它要求產品及生產過程具有較高的自主創新能力，產品具有長壽命、高可靠性且具有較高的質量品牌效應，產品的生產過程以綠色、智能的方式實現，產品的產業基礎進一步優化，產品的供應鏈穩定可控。壓力容器作為承壓類特種設備，其高性能制造涵蓋了產品全生命周期，是反映壓力容器本質安全性、工藝適用性、產品綠色性和智能性等綜合性能指標的制造模式，其中，本質安全性要求壓力容器設計壽命期間內不發生失效；工藝適用性要求壓力容器不斷適應新的極端條件和應用場景；產品綠色性要求壓力容器全生命周期對能源、資源和環境友好，如輕量化設計制造，實現節能、節材；產品智能性要求現代信息技術與傳統壓力容器技術深度融合。突破壓力容器高性能制造技術，是推動我國壓力容器從跟蹤模仿向自主創新轉變的內在需求，是保障壓力容器產業鏈自主可控、支撐壓力容器為制造強國、質量強國做貢獻的內在需求。

本文簡要回顧了“十三五”以來我國壓力容器設計制造與維護技術進展，包括標準體系建設、基于風險與壽命的設計制造、在役長周期安全保障等，面向“十四五”和2035遠景目標以及制造強國、質量強國和碳達峰、碳中和重大部署，提出了我國壓力容器高性能制造技術發展面臨的若干需求與挑戰。

1 “十三五”以來我國壓力容器設計制造與維護技術進展

1.1 安全技術規范與標準促進壓力容器技術創新

國家市場總局特種設備安全監察局不斷推進我國壓力容器法規標準體系建設，在21世紀初就已建立“以法律法規為依據、以安全技術規范為主要內容、以技術標準為基礎”的法規標準體系，形成了由法律、法規、規章、規范、標準等五個層次構成、覆蓋壓力容器全壽命周期的安全監管基本制度[5-9]，對壓力容器本質安全性、工藝適用性、產品綠色性和智能性提出了基本要求，促進了壓力容器技術創新和質量提升。

2016年，原國家質檢總局頒布了TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》[10]，規程在原有七個規范基礎上，增加了非金屬壓力容器、簡單壓力容器、超高壓容器，形成了固定式壓力容器的綜合性大規范，涵蓋材料、設計、制造、安裝、改造、修理、監督檢驗、使用管理、定期檢驗等環節，并將壓力容器設計階段的風險評估要求由第三類壓力容器推廣到所有類別壓力容器，為貫徹落實中國特種設備安全法提供了重要保證。

繼GB/T 150修訂之后，2018年全國鍋容標委啟動JB 4732—95《鋼制壓力容器——分析設計標準》[11]修訂工作。修訂后的標準總結JB 4732—95頒布實施以來積累的成熟經驗和研究取得的先進技術，吸納歐美新版標準先進、合理的規定，并根據TSG 21—2016提出的基本安全要求，引入基于風險的壓力容器設計制造技術理念與方法，綜合GB/T 150《壓力容器》等標準的實施情況，考慮脆性斷裂、塑性垮塌、局部過度應變、棘輪、疲勞、泄漏等13種失效模式，在相應章節給出選材、設計、制造和檢驗技術要求。2021年，全國鍋容標委再次啟動了GB/T 150修訂工作，將以國內近十年來研究成果和工程實踐為基礎，進一步完善基于風險的壓力容器設計制造技術方法，增加更多國產材料牌號，增加對冷成形、焊材、焊接和焊后熱處理的相關技術規定。修訂后的JB 4732標準將被納入國家標準，與修訂后的GB/T 150一起，為提高我國壓力容器的本質安全性、工藝適用性、產品綠色性和智能性提供技術保證。

1.2 基于風險與壽命的設計制造技術

壓力容器極端化帶來失效模式和機理的改變，傳統壓力容器設計制造技術不能適應這一需求。為此，近十年來，合肥通用院、華東理工大學、浙江大學、中國特檢院等單位通過系統的理論分析和試驗研究，建立了極端條件重要壓力容器基于風險與壽命的設計制造方法[12-17]，在設計制造早期預知全壽命過程風險，提出材料性能、結構設計、制造工藝、無損檢測等風險控制措施，使其安全服役到預定壽命，成果被國家安全技術規范(TSG R0004)和國家標準(GB/T 150.1～4)采納，產品本質安全性、工藝適用性、產品綠色性得到顯著提升。“十三五”以來，又在材料性能提升、高溫蠕變疲勞強度設計、低溫壓力容器基于斷裂力學的防脆斷設計等方面取得新進展。

1.2.1 材料性能提升技術

近年來，我國壓力容器用鋼冶煉技術水平取得了長足進步，形成了系統的低碳、超低磷、超低硫的潔凈鋼冶煉技術，如開發了KR鐵水預處理技術、以控制鐵水的硫磷含量，研發了LF爐外精煉、深脫硫工藝，可使制成品S含量控制在0.002%以下，創新了頂底復吹轉爐的單渣、雙渣、雙聯新工藝，可實現制成品P含量穩定控制在0.005%以下，開發了VD和RH真空脫氣技術，可大大降低As,Sn,Cu,O,H等雜質元素含量。在產品韌性調控方面，通過淬火+亞溫淬火+回火(QLT)熱處理工藝開發，淬火、回火和熱處理工藝優化，顯著提高了鋼板低溫韌性，得到了良好的強韌性匹配。采取上述技術創新，我國壓力容器材料實物性能得到大幅提高。同時，為更好地滿足壓力容器大型化和輕量化制造需求，開發了一批高性能、經濟型新材料，如加氫反應器用12Cr2Mo1VR高強鋼(抗拉強度由12Cr2Mo1R的520 MPa提高到590 MPa)、移動式壓力容器用正火型高強鋼Q420R(抗拉強度由Q345R的510 MPa 提高到590 MPa)；低溫壓力容器用鋼也實現了系列化和-60～-196 ℃全覆蓋；如-60 ℃的8～16萬m3大型丙烷儲罐用鋼13MnNiDR，-100 ℃煤化工裝置低溫甲醇洗滌塔用鋼3.5%Ni，-120 ℃液態乙烯儲存設備低溫用鋼5%Ni，-196 ℃的16～27萬m3超大型LNG儲罐用鋼9%Ni鋼等[18-20]。

1.2.2 高溫壓力容器蠕變疲勞強度設計

高溫壓力容器常表現出與時間相關的蠕變、疲勞及其交互作用失效模式，其強度設計一直是工程界急需解決的技術難題。近年來，華東理工大學、合肥通用院等單位基于“十五”以來高溫結構完整性評定技術研究成果，借鑒美國ASME、英國R5等標準規范，研究建立了避免蠕變疲勞裂紋萌生的高溫強度校核技術方法。“十三五”以來，針對高溫壓力容器焊接結構微觀組織不均勻、力學性能不匹配等特性，開發出基于數字圖像相關和分區引伸計的蠕變變形原位測量和表征技術(如圖1所示)[21]，并考慮焊縫應變集中效應，建立了基于壽命的高溫壓力容器焊接結構蠕變-疲勞強度設計方法[22]。相關成果已形成中國機械工程學會團體標準(T/CMES)《高溫壓力容器蠕變疲勞強度校核》(草案)，為提升高溫壓力容器本質安全提供技術手段。

圖1 基于數字圖像相關和分區引伸計的蠕變變形原位測量和表征技術

1.2.3 低溫壓力容器防脆性斷裂設計

壓力容器低溫脆性斷裂具有突發性，往往造成災難性后果。我國GB/T 150基于夏比沖擊的韌脆轉變溫度法來確定材料的最低使用溫度，其規定的夏比沖擊功合格指標與壓力容器低溫脆性斷裂失效并無定量關聯，導致最低設計溫度的確定缺乏理論依據，降低了我國低溫壓力容器產品國際競爭力。“十三五”以來，合肥通用院、中國特檢院等單位通過系統的理論研究、試驗測試和統計分析[22]，探明了我國低溫壓力容器典型用鋼夏比沖擊功與斷裂韌性的關聯規律，考慮應力水平、缺陷尺寸、熱處理狀態等因素影響，建立了基于斷裂力學的低溫壓力容器用鋼最低設計溫度確定方法，提出了壓力容器及其組成元件相應的防低溫脆性斷裂建造技術要求，相關成果已形成團體標準(T/CMES)《壓力容器防止低溫脆性斷裂技術要求》(草案)[23]。

1.2.4 高聳塔器防風抗振疲勞強度設計

針對高聳塔器風致疲勞失效，“十二五”以來，合肥通用院、天津大學、浙江工業大學等單位通過數值模擬與試驗驗證相結合，分析了不同風速風向條件下高聳塔器的應力位移時程響應規律，基于隨機振動疲勞損傷累積理論，建立了高聳塔器風致疲勞壽命預測、強度校核和擾流減振技術方法[24-27]。相關成果制定了T/CMES-16002—2019《鋼制塔式容器風致疲勞計算與評定方法》[28]，可為提高我國沿海沿江地區高聳塔器的防風抗振能力提供技術支撐。

1.2.5 超大容積LNG儲罐結構穩定性設計

隨著經濟發展，我國天然氣進口量逐年上升，急需建設一批LNG接收站，其中特大型LNG儲罐是核心設備。十多年來，在國家相關部委積極推動和行業共同努力下，國內現已解決了大跨度結構LNG儲罐罐頂和內罐穩定性設計、罐壁抗震和風雪載荷設計技術難題[29-30]，掌握了材料設計開發、焊接熱處理工藝篩選、壓力液位監控關鍵技術，研制出1～3萬m3LNG單容罐、20～22萬m3LNG全容罐，成果應用可大幅度降低LNG接收站建造成本，提高產品競爭力。

1.2.6 換熱器強化傳熱與強度剛度協同設計

反應器是一類集過程反應與熱量傳遞于一體的熱交換設備，在很多化工裝置中廣泛應用。“十二五”以來，合肥通用院、中國一重等單位針對此類熱交換設備，研究建立了強化傳熱與強度剛度協同設計方法[31-32]，通過熱物性與傳熱特性計算有效降低設計冗余；開發大直徑薄壁換熱管，有效降低導熱熱阻，提高傳熱效率；變剛性管板為柔性管板連接，開發碟形薄管板和整體鍛環組合結構，有效降低管板壁厚，由此解決了超大型管殼式熱交換器的輕量化設計制造技術難題，在丁辛醇裝置成功應用，實現了產品安全性、適用性和綠色性的有機統一。

1.2.7 復合材料壓力容器變強度剛度設計

碳纖維復合材料壓力容器與金屬壓力容器相比重量可減輕40%～60%，適用于對壓力容器產品輕量化要求較高的場合，如氫燃料電池汽車、航天運載火箭等。近年來，浙江大學、合肥通用院等單位聯合國內相關制造企業針對車載高壓儲氫氣瓶，開展了大量理論和試驗研究，研制出國內首套最高壓力達140 MPa的碳纖維復合材料儲氫容器高壓氫循環試驗系統，解決了我國車用高壓儲氫瓶性能測試技術難題；研究了纖維纏繞層數、纏繞角度對儲氫瓶結構強度和疲勞壽命的影響規律，建立了可變強度可變剛度結構設計方法和制造工藝，制定出GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》國家標準，開發出70 MPa 鋁內膽碳纖維全纏繞高壓氫氣瓶[33]，在上汽集團氫燃料電池乘用車示范應用。近期正在研制70 MPa塑料內膽碳纖維全纏繞高壓氫氣瓶、50 MPa 高壓大容量管束集裝箱[34-35]，在保障產品本質安全前提下進一步提高儲氫密度、推動我國氫能源汽車產業發展。此外，哈爾濱工業大學、北京宇航系統工程研究所、中國運載火箭技術研究院等單位正在開展液氧貯箱低溫深冷環境復合材料力學行為及界面失效機制、無內膽貯箱結構設計與絕熱性能測試評價等方面研究，嘗試將復合材料壓力容器技術應用于航空航天領域[36]。

1.2.8 基于泄漏率控制的法蘭密封技術

我國石化企業密封泄漏率普遍在10-4～10-3mg/(s·mm)之間，與發達國家10-5～10-7mg/(s·mm)相比，有較大差距。開展基于泄漏率控制的法蘭密封技術研究，是控制環境污染、確保裝置安全運行的有效途徑之一[37-38]。“十三五”以來，合肥通用院、華東理工大學、南京工業大學等單位研究了法蘭密封結構型式、墊片材質、尺寸、密封面微觀形貌、介質壓力和螺栓預緊力等因素對密封性能的影響，基于微觀流動機理，初步建立室溫環境密封泄漏率預測模型，為今后建立基于泄漏率控制的法蘭密封結構設計制造與安裝方法打下了基礎。

基于上述技術進步和全行業裝備建造能力提升，我國一批石化工業壓力容器高性能制造取得了突破(如圖2所示)[39]，30 000 m2芳烴裝置纏繞管換熱器、400 mm超厚鍛件管板環氧乙烷反應器、20萬m3/d海水-混合冷劑換熱器、175 t/h中間介質氣化器等一批重大裝備實現了國產化，保障了千萬噸煉油、百萬噸乙烯、大型煤化工、液化天然氣儲運等重大工程建設的順利進行；加釩鋼制加氫反應器、丁辛醇裝置丁醛轉化器、奧氏體不銹鋼深冷儲運容器等超大型、重型壓力容器實現了輕量化制造，有力提升了產品國際競爭力[40-43]。2019年，中國一重和中國二重建造的沸騰床渣油加氫反應器在鎮海煉化安裝就位[44]，直徑超5 m、長度超70 m、重量達2 400 t，再次打破了加氫反應器建造記錄；2021年,廣東石化煉化一體化項目抽余液塔吊裝成功[45]，塔高116 m、直徑13.8 m、重量達4 606 t，再次刷新了塔器高度記錄；2020年，中國海油氣電集團掌握了20～27萬m3超大容積LNG全容罐設計制造全套技術，填補了國內空白[46]。此外，我國核壓力容器建造技術也取得了重大突破，由上海電氣研發制造的第四代核反應堆壓力容器高約27.5 m、重達594 t，應用于華能石島灣第四代高溫氣冷堆示范工程[47]，對于推動我國核壓力容器技術進步具有重要意義。

圖2 部分國產化重大裝備

1.3 在役長周期安全保障技術

壓力容器投用后要經歷長期的高溫高壓、低溫深冷、苛刻介質腐蝕等嚴峻考驗。基于風險的在役長周期安全保障技術是提高壓力容器本質安全性、工藝適應性、產品綠色性的重要手段，也是提高壓力容器質量競爭力的另一個重要方面。21世紀初以來，我國在用壓力容器長周期安全保障技術不斷取得新進展。

1.3.1 風險評估技術

我國中石化、中石油等石油化工企業現已建立具有國際先進水平的過程工業裝置承壓設備系統基于風險的完整性管理技術體系，應用RBI/SIL/IOWs等工程風險技術方法、專業分析軟件、失效模式與損傷機理數據庫，實現了煉油、化工、化肥、煤化工等裝置承壓設備系統檢維修理念的根本轉變，既保障了高風險設備的本質安全，又節約了企業檢維修成本[48-53]。近年來，我國風險評估技術正向大型石油儲備基地、天然氣場站、加氫站等成套裝備拓展。

1.3.2 檢測監測技術

“十三五”以來，超聲相控陣、電磁超聲、超聲導波、脈沖渦流、交流漏磁等檢測監測技術得到不斷發展，如合肥通用院研發的非線性超聲相控陣成像系統可實現0.2 mm以上閉合裂紋的高靈敏檢測(如圖3所示)，中國特檢院開發的大型承壓設備不停機電磁無損檢測技術可以實現裝置長周期運行急需的不停機檢測問題[54]等。目前，合肥通用院正針對大型原油儲罐底板腐蝕檢測難題，開發全聚焦非線性超聲相控陣在油檢測機器人(200 mm膠質油泥層，0.5 mm×5 mm以上開口裂紋)；針對300 ℃環境裂紋在線監測難題，開發非接觸式高溫非線性電磁聲諧振技術(1 mm以上閉合裂紋的動態變化)；針對石化裝置變曲率、變管徑工業管道的內檢測難題，融合圖像視覺、漏磁和電磁超聲技術，開發自動爬行內檢測機器人，實現內徑100 mm以上工業管道腐蝕減薄和開口裂紋檢測(0.5 mm×5 mm以上)[55]。

圖3 非線性超聲相控陣成像技術

1.3.3 合于使用評價技術

我國科技工作者自20世紀70年代以來持續開展含缺陷壓力容器合于使用評價技術研究，先后解決了一般環境、腐蝕和高溫環境壓力容器與管道缺陷評定技術難題，制定了CVDA—1984《壓力容器缺陷評定規范》、GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》、GB/T 35013—2018《承壓設備合于使用評價》、JB/T 12746—2015《含缺陷高溫壓力管道和閥門安全評定方法》、NB/T 20013—2010《含缺陷核承壓設備完整性評定》等國家和行業標準。2018年國內首次制定頒布的GB/T 35013，參考美國API 579標準，并吸納國內“九五”以來科研成果，建立了應力腐蝕、腐蝕疲勞、氫鼓泡、氫致開裂、火災過燒、蠕變等腐蝕和高溫環境承壓設備合于使用評價技術方法；2019年，全國鍋容標委在役分會組織對GB/T 19624 進行了修訂，吸納BS 7910，API 579等國外標準最新進展和國內相關研究成果，合理調整了一次應力分安全系數，提供了內壓圓筒內表面環向裂紋、半橢圓軸向裂紋等典型結構的斷裂參量(KⅠ和Lr)計算方法，以及彎頭、三通等復雜結構的極限載荷計算方法，相比2004版標準，平面型和體積型缺陷的安全評定更為合理。

1.3.4 網絡化遠程運維技術

自“十三五”以來，我國針對石化裝置承壓設備網絡化遠程運維技術進行了有益探索(如圖4所示)[56-57]，針對腐蝕減薄、環境開裂、材質劣化、機械損傷等4類失效模式、主要損傷機理，結合工程風險評估與檢驗檢測和失效分析數據庫，篩選了與承壓設備安全狀況密切相關的特征參量；融合剩余壁厚、應力應變、裂紋、溫度在線監測和移動物聯網等現代信息技術，初步搭建了石化高風險承壓設備網絡化遠程運維平臺，如常減壓裝置電脫鹽系統和加氫裂化裝置空冷器系統腐蝕狀態監測、乙烯裂解爐蠕變損傷監測等，相關技術已在惠州煉化、福建煉化、榆林能化、大連恒力等石化企業示范應用。目前，網絡化遠程運維技術正圍繞兩方面開展深入研究，一是開發高溫、超高壓、深冷等極端環境缺陷監測傳感技術，在更大范圍、更高精度上實現特征安全參量的監測；二是利用海量監測數據，結合裝置DCS，LIMS數據，開展大數據分析，以設備安全為前提，智能調控工藝參數，指導裝置優化運行。

圖4 典型石化裝置承壓設備基于特征安全參量的遠程運維

2 未來高性能制造面臨的技術需求與挑戰

當前，全球新一輪科技革命和產業變革加速演進，雙循環新發展格局加速形成。為抓住這一歷史機遇，推動傳統產業轉型升級和戰略性新興產業發展，落實碳達峰、碳中和國家重大部署，實現高水平科技自立自強，本文從產業基礎高級化、極端制造、雙碳戰略、新一代信息技術等四個方面來簡要介紹我國壓力容器高性能制造技術發展面臨的需求和挑戰。

2.1 產業基礎高級化需求

2.1.1 關鍵基礎材料及配套焊材

為進一步提高我國壓力容器工藝適用性，建議研發適用更高和更低使用溫度、高壓臨氫和強腐蝕介質環境的壓力容器用鋼及配套焊材，如：適用于510 ℃高溫臨氫環境9Cr1MoV鍛件及配套焊材，用于下一代加氫反應器建造；適用于900 ℃高溫環境的鎳基合金N8810及配套焊材，用于多晶硅高溫反應器的建造；-40 ℃高壓臨氫環境調質高強度鋼板(Rm≥780 MPa)及配套焊材，用于加氫站單層鋼制大型儲氫容器的建造；-40 ℃正火型鋼板(Rm≥630 MPa)及配套焊材，用于移動罐車、罐箱的建造；-50 ℃調質高強度鋼板(Rm≥690 MPa)及配套焊材，用于乙烯等大型低溫球罐的建造；-60 ℃高強度正火型鋼板(Rm≥490 MPa)及配套焊材，用于丙烷等大型低溫儲罐的建造，適用于強腐蝕介質環境的S31252,S32652,S34553等超級奧氏體不銹鋼，S25554,S25073,S27603等超級雙相不銹鋼和S13091超級鐵素體不銹鋼[58-59]及配套焊材。

2.1.2 關鍵基礎工藝

鍛件品質影響壓力容器的安全運行。經過30多年發展，我國鍛造技術取得了長足進步，已具備一次性提供900 t優質鋼水、700 t鋼錠、500 t鑄件、400 t鍛件的極限制造能力[60]；但伴隨壓力容器不斷大型化，傳統自由鍛造工藝已難以滿足需求，需要在制坯、除磷、筒節軋制等工藝方面進行攻關，開發超大尺寸筒(環)鍛軋組合工藝來制造?7 500 mm以上的特大筒節，還需解決大型鍛件容易出現的宏觀偏析、縮孔疏松等問題。近年來，中科院沈陽金屬所突破了傳統大型鍛件“以大制大”的思路局限，發明了金屬構筑成形技術，但構筑界面是影響大型鍛件質量與均質程度的關鍵，其涉及到的物理化學過程還有待深入研究，基材表面高效加工與活化工藝、難變形合金和多層異質材料的構筑成形技術還有待突破[61]。

2.1.3 核心工業軟件

目前，我國壓力容器應力分析、流動傳熱分析、工藝設計分析所用的工業軟件大部分為國外產品，急需開發具有自主知識產權的國產壓力容器制圖軟件CAD、計算機輔助制造CAM、基于風險的設計RBD等設計制造軟件、應力分析用有限元軟件(對標ANSYS,ABAQUS等)、流動傳熱分析用CFD軟件(對標Fluent,CFX等)、三維制圖軟件(對標UG,PRO/E等)、工藝設計分析用流程模擬軟件(對標Aspen Plus,Hysys等)及相關在役維護專業軟件，并加快市場應用與迭代升級，不斷提升我國壓力容器工業軟件技術水平[62]。

2.2 極端制造需求

2.2.1 極端環境

(1)超高壓聚乙烯反應器。

低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物等合成樹脂是重要的石化基礎原料，一般采用高壓釜式法和管式法生產。其中高壓聚乙烯釜式反應器設計壓力高達260 MPa以上，平均反應溫度150～300 ℃，服役參數高、設計制造技術難度大，目前我國尚未形成相應的材料、設計、制造、檢驗技術體系和標準規范[63]。亟需開展：①高強高韌超厚鍛件材料開發，反應器服役壽命與材料性能的關聯規律，鍛件成分設計與性能調控技術，低偏析高純凈鋼錠熔煉工藝；②釜體基于壽命的結構強度設計、密封泄漏率控制技術；③大長徑比筒體鍛造、低粗糙度內表面加工工藝；④超大長徑比攪拌器設計制造、熱膨脹補償消除與撓曲偏心控制技術；⑤高靈敏度、高可靠性缺陷無損檢測，包括脈沖反射法超聲、超聲相控陣檢測技術。

(2)下一代加氫反應器。

在石油資源日益萎縮、原油品質不斷劣化的壓力下，迫切需要發展新的重油加工工藝和煤直接液化工藝，這將進一步提升加氫反應器設計溫度(500～510 ℃)和設計壓力。高溫臨氫環境下2.25Cr1Mo0.25V貝氏體鋼的極限使用溫度為482 ℃，無法應用在500 ℃以上的高溫臨氫場合，因此，性能更優的9Cr1MoV馬氏體鋼有望成為下一代加氫反應器的替代材料。目前日本神戶制鋼所已利用190 t鋼錠試制出外徑4 550 mm、壁厚310 mm、長度2 640 mm的筒體[64]。對加氫反應器大壁厚鍛件而言，鍛造、焊接和熱處理等制造工藝涉及到微觀組織、制造缺陷、殘余應力等復雜演變過程，鍛造缺陷、有害偏析、再熱開裂等是必須解決的關鍵問題。因此，需要開發性能優異的9Cr1MoV鍛件及配套焊材，探索9Cr1MoV鍛件材料性能、結構設計、制造工藝與服役性能之間的關聯規律，開發下一代加氫反應器成形成性一體化制造及相應的在役檢驗維護技術。圖5為9Cr1MoV鋼的加氫反應器筒節制造過程。

圖5 9Cr1MoV鋼加氫反應器筒節制造[64]

(3)超臨界CO2太陽能熱發電技術。

超臨界CO2布雷頓循環的熱電轉化效率在50%以上，相比傳統的朗肯循環(35%)轉化效率有很大提升。太陽能吸熱器、熔鹽儲罐、熔鹽換熱器、高/低溫回熱器等是超臨界CO2太陽能光熱發電系統的關鍵承壓設備，處于高溫(600～700 ℃)、高壓(～24 MPa)、腐蝕環境。建議：搭建超臨界CO2布雷頓循環試驗系統，探明聚光-集熱-儲熱-發電系統關鍵器件的失效機理和損傷演化規律，建立超臨界流體高效熱量傳遞與熱功轉換設計方法，開發高性能吸熱、儲熱、回熱設備，推動我國太陽能光熱發電技術進步。

(4)氮化鎵人工晶體反應釜。

半導體和光電等產業急需4～6英寸GaN單晶襯底制備技術，該生產工藝具有高溫、超高壓、強腐蝕等特點；其核心設備為高溫超高壓反應釜，設計溫度和設計壓力高達650 ℃和150 MPa，介質為強腐蝕性，且反應釜頻繁開啟,因此高溫蠕變、疲勞和密封失效是反應釜主要的潛在失效模式[65-66]。亟需攻克高溫高壓反應釜鎳基高溫合金材料開發、高溫結構蠕變疲勞交互作用強度設計、貴金屬襯里與密封結構設計制造等關鍵技術，形成一套高溫、超高壓、強腐蝕環境下壓力容器設計制造技術方法，研制出大直徑高溫超高壓反應釜，填補國內該領域空白，推動我國大尺寸、高質量第三代半導體單晶襯底的規模化量產。

2.2.2 極端尺寸

(1)天然氣液化主低溫換熱器。

到2020年底，全球天然氣的液化能力為452.9 MTPA，裝置投產率為74.6%。在全球投用的天然氣液化工廠中，67.5%采用纏繞管式主低溫換熱器，以增大換熱面積、提高傳熱效率(見圖6)。為推動我國天然氣液化工廠建設，需開展液化天然氣裝置主低溫換熱器技術攻關，包括：液化流程與主低溫換熱器一體化創新技術、多組分混合冷劑殼程降膜流動與蒸發的耦合機理、復雜相態流態下多管程傳熱與流動的動態仿真、超大直徑殼程流體的分布技術、超長小直徑鋁合金換熱管開發、鋁合金換熱管與管板連接技術、智能化纏繞技術、特大型換熱器不停車檢測技術等。這些技術的突破將有助于實現我國天然氣液化裝備能力從100萬m3/天到100萬噸/年、再到800萬噸/年的有序推進，完善我國液化天然氣裝備的供應鏈[67]。

(2)FSRU印刷電路板式換熱器。

近十年來，浮式再氣化裝置(Floating Storage Regasification Unit，FSRU)取得了很大發展，從2005年的單一終端發展到2021年2月的27座終端。盡管目前陸基氣化接收站和浮式終端的比例為4∶1，但浮式氣化裝置在近年里仍將穩定增長。2020年3月30日，滬東中華造船集團有限公司為希臘船東建造的中國首艘浮式再氣化裝置FSRU如期出塢，但再氣化模塊核心技術仍需引進。基于印刷電路板式換熱器(Printed Circuit Heat Exchanger，PCHE)的FSRU氣化技術研究成為突破模塊核心技術的焦點。圖7為FSRU印刷電路板式換熱器。

圖6 天然氣液化主低溫換熱器

圖7 FSRU印刷電路板式換熱器

根據液化天然氣的再氣化流程，FSRU印刷電路板式換熱器需要克服的技術難點包括：超臨界壓力低溫LNG在微小通道內的傳熱與流動機理、易燃烴在微小通道內的冷凝機制、乙二醇水溶液與蒸汽(或海水)在PCHE的傳熱技術、海洋晃蕩工況印刷電路板式換熱器機械熱力協同設計與結構完整性技術等，最終研制LNG出口壓力12 MPa、LNG流量230 t/h、天然氣出口溫度0～10 ℃的再氣化模塊印刷電路板式換熱器[68]。

(3)LNG運輸船用壓力容器。

LNG運輸船主要有球罐型、薄膜型和自持式棱柱型三種壓力容器，其在長度、寬度和容積上都超出了常規容器，需要承受較大的內部液體載荷和劇烈海況，若加強結構布置不合理，則容器剛性不足，容易導致容器壁板發生翹曲；焊接過程中若出現不均勻加熱和冷卻，則會導致各區域出現不協調的塑性變形，影響結構尺寸精度[69]。為此，針對大型LNG運輸船用壓力容器特殊結構需求，考慮低溫應用環境影響，開展多種結構壓力容器分析設計、多維度變形協調、外加強結構優化、現場焊接無損檢測和熱處理工藝等核心技術研發，保證儲罐在內部載荷和劇烈海況下結構的完整性和安全性。

2.2.3 極端載荷

(1)深海探測外壓容器。

深海圈擁有的油氣、礦物和生物等寶貴資源是陸上資源的數千倍，具有極高的商業開發價值和科學意義。深海探測裝備是實現深海探測與深海資源開發的重要裝備，承受海水高靜水壓力作用，作為主要承力結構的外壓容器的屈曲失穩是必須考慮的重要失效模式之一[70]。根據深海探測裝備的工作深度與水域環境不同，其外壓容器可選擇圓柱殼、球殼、橢球殼或組合殼等結構形式，其中圓柱形耐壓殼體往往設置環向的肋骨加強筋。殼體結構形式、肋骨形式、初始缺陷、動態干擾等因素對深海探測外壓容器穩定性的影響有待進一步澄清。為此，需要研究外壓容器的屈曲、后屈曲失效行為，發展彈塑性后屈曲判定方法和數值仿真技術，開展容器外壓試驗驗證，建立相應的極限承載力判據，為深海探測外壓容器結構設計及優化提供理論依據。

(2)深海空間站外壓容器。

深海空間站已被先后列入《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》前沿技術領域和“科技創新2030-重大項目”，其外壓容器需承受15 MPa以上靜水壓力，且在海水中連續工作時間長達數十天，所以“海洋金屬”鈦合金成為外壓容器首選主體材料，但大潛深、高壓載、長停留和長壽命服役需求帶來的科學技術問題比“蛟龍號”載人深潛器(停留時間僅10 h左右)和高強鋼制潛艇(潛深百米級)研制時遇到的問題更為棘手，對其材料性能、結構設計與制造技術等均提出了嚴峻挑戰[71]。需要根據深海空間站的服役工況與設計壽命需求，探明大型外壓容器的主導失效模式與損傷機理，明確國產鈦合金材料在極端工況下的服役性能與失效演化規律(包括屈曲、蠕變、疲勞等)，突破大型厚壁鈦合金焊接結構基于壽命的結構設計、殘余應力表征與控制、焊接與焊后熱處理工藝、焊接結構保形控性等關鍵技術，開發用于深海空間站的大型鈦合金外壓容器，為我國深海空間站的技術攻關提供重要支撐。

(3)重載火箭壓力容器重復使用技術。

經過半個多世紀的發展，我國運載火箭已具備了自主載人發射能力、高密度發射能力、深空探測與空間軌道轉移能力，可實現低、中、高不同軌道以及不同有效載荷的發射過程。目前，我國已經開始向技術難度更高、能夠大幅降低成本的“可重復使用領域”邁進[72]。由于火箭在返回著陸飛行中，經歷從亞軌道高度逐漸下降到地面的過程，飛行環境復雜且存在較多隨機性的擾動因素；返場后需要在短時間內對箭體狀態進行檢測與維修。為縮短發射周期和降低成本、實現重載火箭壓力容器的重復使用，需要開展適應運載火箭重復發射和返回過程中壓力容器的失效模式與損傷機理識別、基于風險與壽命的設計制造及檢驗檢測技術研究，開發壓力容器剩余壽命評估和無拆卸快速檢測維修技術。

2.3 雙碳戰略需求

2.3.1 氫能安全高效利用技術

氫能是未來國家能源體系重要組成部分，有助于促進我國能源體系綠色低碳轉型、推動碳達峰、碳中和目標實現。氫能儲運作為氫能產業的核心技術與工藝，目前處于發展初期，仍存在技術裝備水平不高等問題。為滿足氫能動力運輸裝備(如氫能源汽車、氫動力鐵路機車、氫動力輪船、氫動力飛機等)安全高效用氫需求，需加快研發高性能碳纖維、改性塑料、高耐候性樹脂等基礎材料，開發高壓或深冷臨氫環境服役的特種閥門、密封件等核心基礎零部件，發展氫能儲運壓力容器基于失效模式設計制造、產品性能測試與質量評價、在役運行維護等關鍵共性技術，突破塑料內膽精密成型與焊接、Ⅳ型瓶充壓纏繞與固化、塑料內膽和金屬閥座長壽命可靠連接等基礎制造工藝，研制出高壓氣態儲氫、深冷液態儲氫、深冷-高壓超臨界儲氫(-240 ℃/20～35 MPa)、高壓-固態(35 MPa)復合儲氫等高端產品，確保核心技術自主可控，推動我國氫能產業快速發展(如圖8所示)[73]。

圖8 典型氫能儲運裝備

2.3.2 重型壓力容器輕量化技術

考慮產品全壽命周期環境影響和資源效益，壓力容器輕量化制造技術可以從低合金高強鋼開發、低溫應變強化工藝控制等方面展開研究，如開發低成本高錳奧氏體鋼HMA400，替代3.5%Ni，5%Ni，9%Ni鋼，大幅降低低溫容器建造成本；開發-253 ℃低溫容器用9%Ni鋼(Rm≥680 MPa)、-269 ℃低溫容器用超高強度奧氏體不銹鋼(含氮，Rm≥690 MPa)，通過微合金彌散強化，進一步提高材料強度，降低溫度下限，減少材料消耗；如開發低溫環境奧氏體不銹鋼應變強化工藝，進一步降低移動式壓力容器自重，提高運載效率。

2.3.3 基于泄漏率控制的法蘭密封技術

針對過程工業廣泛使用的法蘭連接產生的泄漏源，今后仍需深入研究高溫高壓有毒介質環境法蘭密封失效機理、長周期服役密封性能衰減規律，建立密封泄漏關系圖譜及特征數據庫；研究密封泄漏率分級、基于泄漏率控制的法蘭密封結構設計方法，開發相關設計軟件；研發有毒有害介質環境低泄漏率密封元件，研究揮發性有機物(VOCs)泄漏監測傳感技術，建立密封泄漏監測預警方法，制修訂法蘭密封相關標準體系，為我國在源頭上抑制法蘭連接VOCs的無序排放提供關鍵技術支撐。

2.3.4 換熱器能效監/檢測與評估技術

節能和提高能效是能源系統實現二氧化碳大規模減排的最主要途徑。《特種設備安全與節能事業發展十四五規劃》強調要實施熱交換器的能效提升行動。目前，我國擁有換熱器300余萬臺，具有量大面廣、節能潛力大的特點，而國內外尚未提出換熱器的能效理論體系與定量評價方法。為此建議研究典型間壁式(板式、螺旋板、空冷器等)與接觸式(接觸式空冷和脫硫系統接觸式)換熱器內熱質輸運機理，分析不同結構參量、熱工參量對間壁式與接觸式換熱器宏觀熱力特性的影響規律，獲取傳熱傳質關鍵參數與能耗之間的關聯關系，建立典型間壁式與接觸式換熱器能效指標體系及評價方法，最終指導換熱器的高效設計與低能耗運行，提高能源利用效率[74]。圖9為換熱器能效檢測評估相關參數。

(a)

2.3.5 壓力容器極限壽命研究及超長期服役保障技術

我國是壓力容器使用大國，在用壓力容器439萬臺(截至2020年底統計)，其中一部分壓力容器耗材多、價值高，過去要么設計制造沒有明確提出設計使用壽命；要么簡單一刀切地按20年確定使用壽命。對于這批壓力容器，若盲目服役可能導致不安全；若盲目報廢會造成資源的巨大浪費。為此，建議開展壓力容器極限壽命預測及超長期服役安全保障技術研究，攻克高溫、高壓、低溫、深冷、復雜介質腐蝕等極端工況多參數綜合模擬測試技術，探明極端條件壓力容器宏微觀服役性能退化規律，建立壓力容器極限壽命預測方法，開發超長期服役壓力容器安全狀況檢測與診斷評估技術，希望成果推廣應用使得我國壓力容器能夠安全健康服役50年。如針對服役30年以上加氫反應器[75]，研究潛在失效機制的發生、發展和終止規律，考慮氫脆、回火脆導致的材料韌性降低、缺陷容限下降以及其他可能存在的缺陷與損傷，開發高精度無損檢測技術，建立極限壽命預測、安全狀況診斷和在役維護技術方法，保障中石化、中石油所屬企業數百臺在役加氫反應器的超長期安全穩定運行。

2.4 新一代信息技術發展帶來的機遇和挑戰

2.4.1 基于人工智能的材料性能調控技術

材料基因組學方法能突破依賴經驗與試錯的傳統材料研究方法的局限性，顯著加快材料研發速度，開發滿足預期風險與壽命需求的材料成分與組織性能調控技術。“十三五”以來，針對乙烯裂解爐管材料性能提升需求，合肥通用院等單位基于材料基因組學思想，通過相圖計算及元胞自動機方法，研究了材料成分、制備工藝對顯微組織的影響，基于機器學習方法，分析了爐管材料成分、顯微組織與宏觀性能的關聯規律，通過材料成分與組織信息融合方法，初步建立了爐管服役性能預測模型(如圖10所示)[76-77]。未來將進一步聚焦高溫合金爐管長周期服役需求，研究高溫合金爐管長時服役過程的顯微組織演變規律，開展組織性能劣化行為模擬預測和試驗驗證，最終實現高溫耐熱合金爐管材料成分和組織性能的按需設計、按需調控。其他壓力容器新材料開發也可通過此途徑來進行，按所需性能來設計材料成分和微觀組織。

圖10 高溫合金爐管材料基因組技術

2.4.2 復雜結構增材制造技術

粉末床增材制造具有設計自由度大、短流程、效率高、精度好等優點，是一種相對低成本的生產方式，在復雜結構制造方面極具應用潛力。例如鑄造金屬換熱器(Cast Metal Heat Exchanger，CMHE)換熱效率高、通道選擇自由，但結構較為復雜(圖11為一種用于CMHE的反向旋轉雙螺旋結構)，此時如果采用傳統的鑄-鍛-熱-削-焊分段加工技術，不但工序多、流程長、焊縫多，而且無法整體成形、材料浪費嚴重[78]。針對這類復雜結構換熱器，可開展粉末床增材制造技術研究，開發CMHE換熱器粉末床增材制造專用材料設計方法，攻克粉末制備、形狀精準控制、組織性能調控等關鍵技術，最終形成CMHE換熱器高性能、高效率粉末床增材制造成套工藝。

2.4.3 智能化遠程運維技術

今后伴隨石油化工新工藝不斷應用，以及氫能利用、新材料制備、深海油氣開發等新興產業快速發展，壓力容器及其系統要實現長周期安全運行還面臨諸多挑戰。對于已知的損傷機理，需要借助大數據和人工智能技術，研究建立設備損傷演變規律與操作工藝之間的定量關系模型，智能調控操作工藝參數，以延緩設備過早失效。對于一些未知損傷機理[79]，需要在已有風險分析和失效數據庫基礎上，借助新一代人工智能技術在統計分析、知識推理、智能診斷、優化調控等方面的優勢，探明壓力容器在復雜服役條件下的損傷演化機制，開發數字孿生技術，實現壓力容器運行數據的高效采集、海量數據的智能分析、健康狀況的智能診斷、失效故障的自主調控和狀態自愈，這是壓力容器智能化遠程運維技術發展的重要方向。

圖11 CMHE的反向旋轉雙螺旋結構(淺色代表熱側，深色代表冷側)

3 結語

近年來，憑借持續技術創新、產品質量提升以及完善的供應鏈體系和比較價格優勢，我國已成為壓力容器制造大國，總體達到國際先進水平。未來面向國家“十四五”和2035年遠景目標，面向制造強國、質量強國建設和碳達峰、碳中和重大部署，面向傳統產業轉型升級和戰略新興產業發展需求，我們要實現國際領先，仍需持續在壓力容器高性能制造技術方面尋求突破，目標導向與問題導向相結合，加強上中下游、大中小企業融通創新，突破高性能制造基礎前沿和共性關鍵技術，研發高性能關鍵基礎材料、核心零部件、關鍵基礎工藝、核心工業軟件，夯實壓力容器產業技術基礎，持續提升我國壓力容器的質量競爭力，支撐壓力容器相關產業的轉型升級和高質量發展。