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让重型压力容器“瘦身”10%

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如何让石化、天然气、电力工业中重达千吨的大型压力容器变得更轻更安全?合肥通用机械研究院科研人员7年攻关,交出了满意答卷 1月8日,国家科学技术奖励大会传来喜讯:由合肥通用机械研究院(以下简称合肥通用院)主导完成的重型压力容器轻量化设计制造关键

  如何让石化、天然气、电力工业中重达千吨的大型压力容器变得更轻更安全?合肥通用机械研究院科研人员7年攻关,交出了满意答卷——

  1月8日,国家科学技术奖励大会传来喜讯:由合肥通用机械研究院(以下简称“合肥通用院”)主导完成的“重型压力容器轻量化设计制造关键技术及工程应用”项目荣获国家科技进步二等奖。 “对合肥通用院来说,2017年是创新成果丰收的一年! ”中国工程院院士、合肥通用院院长陈学东告诉记者,该成果不仅荣获2017年国家科技进步二等奖,还获得2017年中国机械工程学会 “绿色制造技术创新一等奖”。由于该项新成果的推广应用,使得我国每年大量新增的千吨级重型压力容器平均“瘦身”10%,产生数以百亿计的经济效益。

  压力容器是具有潜在泄漏和爆炸危险的承压类特种设备,广泛用于煤炭、石油化工、天然气等能源工业领域。为提高效率、降低成本,我国能源工业压力容器不断向重型化方向发展,最大壁厚达数百毫米、单台重量超千吨。压力容器重型化不仅导致材料消耗巨大(我国每年耗钢数千万吨)、加工制造困难(甚至超出现有设计制造能力),而且可能产生新的失效模式和机理,存在重大安全事故隐患。近年来,国内外都曾多次出现重型压力容器失效事故,甚至有的超大壁厚压力容器由于设计制造能力限制,存在先天性裂纹,材料韧性差,设备在水压试验过程中就发生了脆性断裂。“太大太重很难制造,既耗能耗材也不安全。 ”因此,如何在确保本质安全前提下实现重型压力容器轻量化,已成为压力容器装备制造业突破现有设计制造能力瓶颈、提高产品国际竞争力、实现节能节材的必然选择。陈学东告诉记者,在实施“重型压力容器轻量化设计制造关键技术及工程应用”项目之前,我国大型加氢反应器、大型换热器、深冷储运容器等重型压力容器不但自重大、耗材多、产品缺乏国际竞争力,而且寿命低可靠性差,难以满足重大工程建设需求。

  从2010年开始,合肥通用院联合行业科研机构围绕重型压力容器轻量化设计制造技术,开展“产学研用”协同攻关,取得卓有成效的创新成果。他们开发了高温、高压、临氢、深冷等苛刻环境压力容器性能测试装置,通过大量试验和工业验证,研究极端条件下材料适应性,建立损伤评价技术方法,提出材料纯净度、均匀性等指标控制要求,减小材料性能的不确定性;系统研究了38种典型材料与83种损伤机理之间的关联规律,建立了基于全寿命周期风险控制的设计制造与维护方法;在此基础上,科学调整了压力容器许用强度系数,被国家安全技术规范和基础性国家标准采纳。

  针对石油化工、煤化工装置大型加氢反应器,科研人员奋力攻关,解决了基于寿命的高温结构强度评定、400mm厚压力容器冷热裂纹控制等技术难题,研制出国产首台轻量化大型加钒钢制加氢反应器,应用于中石油广西石化400万吨渣油加氢装置,产品的节材效果和安全性能均优于国内外同行,之后产品在国内石油化工、煤化工企业推广,并出口印度、伊朗等“一带一路”沿线国家。针对集反应、传热于一体的超大型管壳式换热器,攻克了传热流动与强度刚度协同设计、大型碟形薄管板组合结构设计、大直径薄壁换热管流致振动控制、薄管板和薄壁换热管可靠连接等关键技术,研制出国际首台轻量化超大型丁辛醇换热器,创造性地将管板厚度由260mm减薄至40mm,节材 20%以上,产品应用于山东兖州煤矿、天津渤海化工等多家企业。针对低温深冷储运容器,突破基于常温性能的传统设计思想,首创基于材料低温性能的结构强度设计方法,研制出国际首台550m3、-196℃轻量化深冷储运容器,节材25%至45%。“同发达国家相比,现在我国重型压力容器轻量化设计制造技术已实现从跟跑到整体并跑、局部领跑的跨越。 ”陈学东自豪地说。

  压力容器轻量化相关产品与技术目前已广泛应用于能源、石化等行业龙头企业,包括中国一重、中集集团、中石化洛阳院、寰球工程公司、查特工业、TaylorWarton等国际领先的容器设计制造单位,以及中国三大石油公司、全球四大气体公司等国际著名的容器使用单位,产品国内市场占有率达85%以上,并出口澳大利亚、印度、伊朗等20多个国家和地区,轻量化深冷储运容器的全球市场份额从0跃升至30%,成果应用取得显著的经济和社会效益。中石油炼化分公司提供的用户反馈函指出,合肥通用院为广西石化、云南石化、华北石化等中石油所属企业提供的40多台轻量化大型加氢反应器,累计节约设备直接投资约5亿元。

  可别小看重型压力容器轻量化这个创新,它所产生的经济效益十分巨大。陈学东给记者算了一笔账:我国每年新增压力容器需消耗高强度特殊钢材数千万吨,按平均减重10%计算,每年减少压力容器用钢数百万吨,仅此一项可为企业节省开支数百亿元,这还没算制造过程中能耗与人工成本的下降。

  
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