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压力容器现代技术进展

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压力容器现代技术进展

  随着冶炼、机械加工、焊接和无损检测技术的不断进步,特别是计算机技术的飞速发展,压力容器技术在材料、设计、制造工艺、缺陷分析、探伤与检验等方面都有了长足的进步,其规范和标准也日趋完善。

 “八五”国家重点科技攻关课题中针对面型缺陷、体积型缺陷、高应变区缺陷和压力容器安全状况等级划分等问题,以及无损检测、监控新技术(超声波检测及声发射监控技术)等方面的关系开展研究,在压力容器安全评估关键技术和无损检测、监测新技术方面取得突破性进展;“在役锅炉压力容器安全评估与爆炸预防技术研究”课题围绕消除锅炉、压力容器事故隐患和降低爆炸事故率,解决了锅炉、压力容器安全工程中最为普遍和带有全局性的问题;荣获国家“八五”科技攻关重大科技成果奖及劳动部科技进步一等奖的“压力容器极限与安定性分析及体积型缺陷安全评估工程方法研究”成果已应用于40多个项目的安全评定;“在役压力容器危险性缺陷声发射检测、监测、评估技术研究与设备研制”成果被广泛用于现场检验,同时全面带动了声发射技术在我国的应用;“锅炉压力容器失效分析研究”成果,被应用于17个重大锅炉、压力容器爆炸事故原因分析中,其中光学无损金相复型技术更被广泛用于现场检验;“锅炉压力容器爆炸与失效案例安全评估及其分析管理系统研究”、“声发射技术在在用压力容器检验中的应用”、“乙炔瓶填料缺陷的声发射检测”、“带缺陷压力容器安全性评定研究”以及“典型压力容器结构及常见缺陷处应力分析及应用图谱研究”等科研成果均已应用于锅炉、压力容器、压力管道及其相关设备的安全工程技术领域,受到了社会各界及用户的欢迎。

   在“八五”研究成果的基础上,“九五”期间又进一步开展了“在役工业压力管道安全评估与重要压力容器寿命预测技术研究”,既深入研究压力容器的寿命预测技术,同时扩展研究在役工业压力管道的危险源评价技术、缺陷检测和安全评估技术,从而提高我国在役压力管道和压力容器运行的安全可靠度。

1  国内外压力设备标准、规范和法规的发展

    标准体现行业综合技术水平和管理水平,先进的标准促进行业的发展,提高压力容器产品的竞争性和质量。

    我国压力容器标准化技术委员会自1984年成立以来,迄今已是第三届。经过我国压力容器标准化工作者的努力,已制定了以GBl50《钢制压力容器》为核心的一系列产品的标准、基础标准和零部件标准,构建了压力容器的基本标准体系。

    全国压力容器标准化技术委员会1999年12月在上海召开的第三届第二次全体会议,对标准的修定程序做了修改。从原来的标准编者组稿,编制组进行协调、送审、修改、报批和出版发行的修订程序,更科学合理地改为以标准修订提案审查制度为核心的现代压力容器标准制定修订程序。

    以体现高新技术和与国际接轨为中心,加快标准的制修订步伐,完善压力容器标准体系。出版了或即将出版一系列国家标准,如GBl2337—1998《钢制球形压力容器》、GB/T x x x x x《压力容器名词术语》、GB/T x x x x x《压力容器声发射检测》、GB/T x x x xx(在役含缺陷压力容器安全评定》等;出版了一批行业标准,如JB4708- 2000《钢制压力容器焊接工艺评定》等;出版了一批指导性技术文件,如《压力容器标准体系》等。为了与国际接轨,全国压力容器标准化技术委员会还出版了GBl50标准的英文版。

    压力容器标准国际化、一体化的趋势更加明显。欧洲议会在1997年5月正式批准了统一的压力设备指令,于1999年11月引入欧盟成员国的法规,并于2002年5月在欧盟内强制执行。欧洲标准化委员会正争取将欧洲标准上升至国际标准。美国和日本等国家也为争夺国际市场,积极采取措施加速国际标准的制订。ISO/TC11提出ISO15386国际锅炉压力容器标准草案,主要内容是国际标准的基本要求、质量体系、结构安全性等要求和各国标准成为国际标准的注册认可程序等。2000年4月在悉尼召开的ICPVT—9全体会议,探讨国际标准的内容,拟定压力设备通则,消除因各国标准的差异可能出现的技术壁垒,达到各国标准的相互认可,实现压力容器产品的自由贸易。会议报告从不同侧面介绍了欧共体在压力设备标准、规程、法规等方面的发展状况和指导思想,对别国相应的标准、规程、法规很具参考价值,对标准的国际化起了促进作用。

2  压力容器用材料及其标准

    我国己建立压力容器、多层压力容器和锅炉钢板等相应标准。如:GB713“锅炉用碳素钢和低合金钢钢板”;GB6654“压力容器用碳素钢和低合金钢厚钢板”;GB6655“多层压力容器用低合金钢板”。

    由于各国标准体系不同,因此标准结构和内容差别较大。在这方面,欧洲地区经过多年的工作,已制定了欧洲的统一标准,有利于技术交流和贸易的发展。其标准结构如下:ENl0028—1,总体要求;EN10028—2,非合金和合金耐热钢;,ENl0028—3,经过正火的可焊接的细晶粒结构钢;ENl002—4,镍合金韧性钢;ENl0028—5,热力机构用可焊接的细晶结构钢,Enl0028—6,经过调质的可焊接的细晶粒结构钢,ENl0028—7,不锈钢。上述7个部分,包括了各种用途的压力容器用钢,部分1为总的要求,部分2—7是部分1具体应用的补充。

在压力容器用钢方面,我国标准与欧洲标准相比,有如下异同点:

  (1)牌号。我国标准规定的牌号:碳素钢和低合金钢钢板有:Q235—A.F,Q235—B,Q235—C,20R,16MnR,15MnVR,15MnVNR,    07MnCrMoVR,07MnCrMoVDR,15Mg94bR,14CrlMoVDR及新研制尚未列入正式标准的12MnNiVR等;碳素钢和低合金钢钢管有:09MnD,10号、20号钢管,20G,12CrMnCl5CrMnG,12Cr2MnG等;高合金钢钢材

有:1Crl8Ni9T2等。EN标准主要为Mn钢及MnCr钢和N5Cr钢。Mn含量高达1.7%,Cr高达1.5%,Ni达2.5%。我国在含Mn钢上与EN标准基本一致。  

  (2)分类。我国标准分薄板和厚板二类,薄板多用于多层压力容器;加上锅炉用钢板(含薄板和厚板)。在体现专门用途上分类不够细化。叫标准规定:耐热钢(适用于锅炉用钢);正火细晶粒可焊接结构钢(相当于我国标准规定的压力容器用钢);热力机械用钢和腐蚀介质下工作的钢板(满

足相应的标准)。对比可见,欧洲标准专门用途更具针对性;

   (3)强度等级。我国标准规定的强度从245—510MPa,范围较宽。EN标准的屈服强度上限达6如MPa,其使用范围更宽;    (4)交货指标(主要是力学性能)。我国标准规定抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击功等。EN标准规定为抗拉强度、屈服强度、断面收缩率

  和冲击功,同时规定高温下,例如300Y以下,伸长率(0.2%)的最小数值。EN标准在高温力学性能的规定上,更贴近使用条件。在冲击功的规定上,EN标准不但规定同我国标准一样的室温指标,而且还规定了达到—60Y冲击功指标。鉴于我国标准在结构、内容上与欧洲标准不同,我国标准体系应加以完善。    虽然我国的GBl50、容规和美国的朋ME规范

中部有专门章节,规定了压力容器用材的标准、牌号及要求,但两者在体系上有很大的差别。主要表现在下列三个方面L6i:

  (1)A5ME规范把压力容器用材标准列规范第H卷,是规范的一个重要组成部分。钢材标准由材料的供需双方作为规范的一个部分进行编制因此较全面地体现了建造方对材料的质量、采购、使用和检验要求。而GB钢材标准主要由供方编制,作为供方的质量标准。GBl50和容规虽然在材料选用方面进行了补充,但由于上述原因,不能完整地反映建造方的要求;

    (2)使用A5ME钢材标准时一般均有采购规

    范予以补充和具体化。采购规范由工程公司或容器制造厂根据具体用途和经验制订,并作为材料采购合同的技术附件。而国内的材料用户往往没有把钢材标准作为压力容器规范的一个部分来研究、了解,因此不习惯编制采购规范,而且基于对钢材价格的顾虑或钢材供应方的服务质量,放弃了用户的利益,依赖于容器标准及规范来体现用户的利益和要求。事实证明是很难如愿的;    (3)A5ME规范中“材料”的含义是广义的,包括各种型式的钢材(板、管、锻件、铸件、棒、型材、丝等)、标准零部件(包括制造厂自订标准),如管件、法兰、阀门、组合部件、管板、紧固件、焊接材料,甚至把除筒节、封头以外的外购焊接受压件亦

列入“材料”范畴。上述的各种“材料”一般均由容器制造厂外购,而不是自行加工完成。即使是钢板、钢管等原材料也已定尺、甚至割圆(封头压制用)供应,因此容器制造厂如同组装厂。这些方面与国内习惯的材料供应方式、范围、习惯都有很大的差别。ASME规范中涉及材料的各种条款都是基于上述背景编制的。

3  压力容器设计优化及制造工艺的进展

  计算机技术和信息工程技术的应用已经渗透到压力容器行业的每一个领域,从根本上改变了传统的压力容器行业的观念,这在压力容器设计和制造上体现得尤为明显。/I•H mu人真直J—卜户J夕乙‘[可/乙/3P/』iu二o    在设计和制造上,传统的计算机辅助设计(L4D)已逐步向计算机辅助工程(CAE)方向发展,汁算机辅助制造和更为先进的CIM5技术也逐步改变压力容器制造厂传统的工艺卡方式L1i。由于压力容器设计的各个环节是依据国家标准规范、结合实际工况条件进行的,有相对确定的可遵循的程序,所以可以开发出压力容器设计软件,结合软件使用者的文字输入或鼠标点取初始参数等,获取设计所需的参数、提示、参考和指导,这样既减少了设计者因考虑不周,缺乏经验等而产生的设计错误,也减少了设计人员和制造人员的工作量,实现了工艺文件等资料的计算机管理,提高了设计效率和设计质量,有助于设计的标准化和规范化[?”91。全国化工设备设计技术中心站开发了压力容器设计监察软件。该软件系根据各类压力容器的现行法规、标准及规范进行编制,其主要功能是按用户所指定的工况条件,按照现行的法规、标准及规范提供设备所需要的设计技术要求。其主要功能有:

 (1)对属于《容规》监察的设备进行容器类别的判定;

 (2)确定设备的设计、制造及检验应采用的标准及规范;    。

 (3)对设备的主要受压元件所采用的材料进行鉴别,并提供所用钢材的标准号、使用状态以及各种附加要求(例如超声波,冲击试验等);

 (4)提供设备各主要受压元件之间焊接的焊缝结构要求;

 (5)向用户推荐设备材料焊接时所使用的焊条牌号;

 (6)提出设备焊后热处理要求;

 (7)确定设备主要焊缝的无损探伤要求;  

 (8)对于有晶间腐蚀试验要求的设备,提出品间腐蚀的试验方法及合格标准;

 (9)根据设备的工况条件提出设备压力试验及致密性试验的要求;

 (10)根据设计温度,向用户推荐设备底漆的品种,提供设备保温材料的选择;依据设备的工况条件,提出制备设备焊接试样板的要求等;

 (11)对立式(包括带夹套)容器和卧式容器,还将提供在设备上设置人手孔的有关要求;

 (12)对于带有搅拌装置的设备,程序将提供有关搅拌系统的各项技术要求,同时对搅拌轴亦将会作出相应的技术要求;

 (13)对于塔设备的运输方式,程序也将提供

参考性意见;

 (14)程序还能提供塔设备的安装技术要求以及有关塔壳、塔盘、塔板、栅板等零部件的技术要求和喷淋装置的装配要求;

 (15)程序提供换热器的型号以及换热器中有关换热管、管板、折流板或支持板等零部件的技术

4  焊接结构无损检测技术进展

 (1)对焊接结构无损检测技术的要求

   焊接结构在制造过程中和服役期间会产生各种缺陷。从失效统计得知:焊缝是压力容器失效的多发区;随着压力容器制造和检测技术的改进,压力容器的失效率呈下降趋势。所以加强焊接结构无损检测技术的研究和开发,如针对超期服投产品所提出的检测要求,克服重型设备检测技术的困难,开发恶劣环境下的检测设备以及提供高速焊接产品的检测方法等是保证焊接产品安全所必须认真对待的课题。

 (2)焊接结构无损检测技术的进展

近年来,随着传感器技术、电子技术、自动控制技术、计算机技术的发展,现代无损检测技术也发展到前所未有的高度,其内容也扩大到缺陷尺寸测量、生产过程监控与材料性能评定等各个领域中。具体应用领域如下[,o]:  

  ①焊接过程与产品运行过程的监控:迄今焊缝的无损检测多数是在工件焊完后冷却到室温下进行。但是,在焊接过程中对熔池及其附近高温金属的监测比冷态监测更有意义,不但能及时地反馈焊接状态信息,实时地调整焊接参数与稳定焊接过程,还可以减少重型工件因冷态返修造成的质量降低和成本增高现象。实时监测的另一领域是产品运行状态监督,通过预置传感器,例如多路光导、声发射探测器、应变与振动传感器等全面观察大型装置或设施的运行状态,特别是对运行过程无法接近的部位实行状态监控。

    ③带保温层容器与管道的检测:常规的检验技术要去除保温层,不但费工也增加了检验成本。因此开发了可用于带保温层设备的工程检查技术,成果有:脉冲或低频涡流检测技术。试验证明它可以改进成为非接触式的检测方式,并可检出保温层下金属的腐蚀面积。目前已开发出适合于检测100mm厚保温层下管道腐蚀的技术与设备;铁磁材料伸缩声发射检测技术,试验表明,利用铁磁材料伸缩效应,可以检测带保温层的小管,管壁温度在724Y以下,一次检验管道长度可达100 m,有效地攻克了以前要扒开保温层才能检测的难题;低频(刃。500kHz)超声检测。用于检测直径300mm以下管道的腐蚀与裂纹。如果激发起具有波导特性的声波,既它对厚度变化很敏感,能达到长距离传播,又能克服保温层中钢丝网引进的

干扰,从而实现对管道长距离不用去除保温层的检测。

       ④焊接检测机器人:在核能、石油化工与海洋开发工业中很多环境对人体是有害的,手工检测满足不了检验周期与质量的要求。因此人们把研究的目光转向自动检测领域。20世纪70年代初,遥控自动扫查器已出现在超声与涡流检测技术中,80年代中期,工程上应用的远程通信操作机较好地解决了核容器与管道的在役检查。进入如年代,各种智能检测机器人的不断涌现,形成了机器人检测的新时代及工程检测机器人的系列与商业市场。目前检测机器人的研究主要集中在以下几个方面:机器人在非结构环境下的移动技术;自动扫查操作;自动定位与跟踪焊缝的焊接;大型设备检验数据的压缩与存储技术;信号的识别与缺陷的自动评定等。    ⑤缺陷自动识别与计算机模拟技术。缺陷自动识别的基础是提取缺陷信号的特征。目前已把缺陷划分成粗糙表面裂纹、光滑表面裂纹、夹渣与气孔等四类。自动分类与识别的方法较多,如基于知识的分类法,基于目标识别的分类法及基于神经元网络的分类法等。采用计算机模拟或仿真技术可以不通过制造试件而获得各种缺陷信号,⑦新型传感器技术:传感器是提取缺陷信号的基础元件,其性能与尺寸影响缺陷信号的强度、信噪比与分辨率。目前,常规检测技术中采用的传感器已不能完全满足新型产品检验的要求。因此,广泛地应用各种物理效应,开发出适合于新型、特殊、高参数产品检测要求的传感器已成为一个重要的技术方向,新型传感器及其典型应用见表1。    表1  新型传感器及其典型应用磁—光图象—f坠即B—)鲤堕色又    桑蚕逐场5城具台金磁控电阻

磁—声发射。

因此是当前无损检测技术中研究热点之一。

5  压力容器技术发展趋势

  (1)标准和规范国际化、一体化。受经济全球化趋势的影响,压力容器产品也将在国际上实现流通贸易。首先压力容器产品的设计制造所依据的标准规范必须为各方所认可,其前提是各国参与技术交流、标准制定,而近年来这方面的工作已得到开展。我国加1年U月已加入Wm,这对于我国的压力容器行业而言,是一次极大的机遇与挑战,是参与国际竞争的一个重要前提,是与国际接轨的标准化工作。

  (2)压力容器领域里计算机技术的应用将得到全面发展与完善。主要体现在以下几个方面:压力容器设计;应用计算机技术开发出的压力容器设计软件程序,能够获取设计过程中所要的设计参数、结构优化、应力计算、材料选用等。压力容器制造;模拟压力容器的制造过程,焊接过程中的残余应力及其设备组装过程,还可仿真所设计制造的压力容器工作原理、运动过程。缺陷检测,应用计算机技术的先进检测方法有计算机射线实时成像、超声扫描模拟成像以及多通道声发射技术,配以专门研制的专家系统和人工智能系统,实现缺陷识别的自动化和智能化,结果更加客观准确。

  (3)专业化的生产。市场经济激烈的竞争和压力容器产品固有的苛刻要求,使得压力容器产品的生产专业化程度越来越高,随之出现了标准零部件制造、供应单位,如专业封头制造厂,管件制造厂,热处理单位,无损检测单位等,这互相独立的制造厂和单位,使得压力容器产品的生产更高效,检测更得力。

  (4)过程质量与安全监控技术。利用信息技术、传感技术、互联网络技术等现代技术对压力容器设计、制造、服役阶段等过程质量与安全进行检验与监控,实现基于网络技术的信息共享与技术集成,从而使整体技术水平大大提升。

  (5)以信息技术和新材料技术为基础的先进再制造技术在过程工业领域的应用将会有极大的发展,特别是在已有的过程装置的运行中将有所作为,并为过程装备逐步过渡到新一代产品的转型提供技术保证。