我国压力容器高性能制造技术进展

陈学东,范志超,崔 军,陈永东,章小浒,程经纬

(合肥通用机械研究院有限公司 国家压力容器与管道安全工程技术研究中心,合肥 230031)

0 引言

压力容器是具有潜在泄漏和爆炸危险的承压类特种设备，量大面广，在国民经济各领域和国防事业中发挥着不可替代的作用。不同历史时期,我国压力容器存在不同问题急需解决，如20世纪80年代及以前含超标缺陷压力容器的安全性问题，20世纪90年代以来介质苛刻化和超期服役带来的安全性问题，21世纪初以来压力容器极端化带来的设计制造问题等。为此，国家对压力容器技术创新和质量竞争力提升有重大需求，2005年，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》[1]将极端制造、重大产品和重大设施寿命预测列为前沿技术，将重大生产事故预警与救援列为优先主题；2017年，中共中央、国务院发布《关于开展质量提升行动的指导意见》(中发[2017]24号)[2]，将压力容器等特种设备列为高端装备，要求提升国产装备的质量竞争力；2021年初颁布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》[3]提出制造业高端化智能化绿色化、产业基础高级化和产业链现代化要求，以及重大装备极限寿命和高性能制造要求，旨在推动研制具有高精度、高可靠、高效率、智能化、绿色化等高性能特征的基础件、基础制造工艺与装备，实现高性能制造技术和重大装备的自主可控，增强我国战略性高端产品和重大关键装备的核心竞争力；同年国家科技部开始设立“高性能制造技术与重大装备”重点专项[4]。

高性能制造是与制造强国各项指标相一致的制造模式，它要求产品及生产过程具有较高的自主创新能力，产品具有长寿命、高可靠性且具有较高的质量品牌效应，产品的生产过程以绿色、智能的方式实现，产品的产业基础进一步优化，产品的供应链稳定可控。压力容器作为承压类特种设备，其高性能制造涵盖了产品全生命周期，是反映压力容器本质安全性、工艺适用性、产品绿色性和智能性等综合性能指标的制造模式，其中，本质安全性要求压力容器设计寿命期间内不发生失效；工艺适用性要求压力容器不断适应新的极端条件和应用场景；产品绿色性要求压力容器全生命周期对能源、资源和环境友好，如轻量化设计制造，实现节能、节材；产品智能性要求现代信息技术与传统压力容器技术深度融合。突破压力容器高性能制造技术，是推动我国压力容器从跟踪模仿向自主创新转变的内在需求，是保障压力容器产业链自主可控、支撑压力容器为制造强国、质量强国做贡献的内在需求。

本文简要回顾了“十三五”以来我国压力容器设计制造与维护技术进展，包括标准体系建设、基于风险与寿命的设计制造、在役长周期安全保障等，面向“十四五”和2035远景目标以及制造强国、质量强国和碳达峰、碳中和重大部署，提出了我国压力容器高性能制造技术发展面临的若干需求与挑战。

1 “十三五”以来我国压力容器设计制造与维护技术进展

1.1 安全技术规范与标准促进压力容器技术创新

国家市场总局特种设备安全监察局不断推进我国压力容器法规标准体系建设，在21世纪初就已建立“以法律法规为依据、以安全技术规范为主要内容、以技术标准为基础”的法规标准体系，形成了由法律、法规、规章、规范、标准等五个层次构成、覆盖压力容器全寿命周期的安全监管基本制度[5-9]，对压力容器本质安全性、工艺适用性、产品绿色性和智能性提出了基本要求，促进了压力容器技术创新和质量提升。

2016年，原国家质检总局颁布了TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》[10]，规程在原有七个规范基础上，增加了非金属压力容器、简单压力容器、超高压容器，形成了固定式压力容器的综合性大规范，涵盖材料、设计、制造、安装、改造、修理、监督检验、使用管理、定期检验等环节，并将压力容器设计阶段的风险评估要求由第三类压力容器推广到所有类别压力容器，为贯彻落实中国特种设备安全法提供了重要保证。

继GB/T 150修订之后，2018年全国锅容标委启动JB 4732—95《钢制压力容器——分析设计标准》[11]修订工作。修订后的标准总结JB 4732—95颁布实施以来积累的成熟经验和研究取得的先进技术，吸纳欧美新版标准先进、合理的规定，并根据TSG 21—2016提出的基本安全要求，引入基于风险的压力容器设计制造技术理念与方法，综合GB/T 150《压力容器》等标准的实施情况，考虑脆性断裂、塑性垮塌、局部过度应变、棘轮、疲劳、泄漏等13种失效模式，在相应章节给出选材、设计、制造和检验技术要求。2021年，全国锅容标委再次启动了GB/T 150修订工作，将以国内近十年来研究成果和工程实践为基础，进一步完善基于风险的压力容器设计制造技术方法，增加更多国产材料牌号，增加对冷成形、焊材、焊接和焊后热处理的相关技术规定。修订后的JB 4732标准将被纳入国家标准，与修订后的GB/T 150一起，为提高我国压力容器的本质安全性、工艺适用性、产品绿色性和智能性提供技术保证。

1.2 基于风险与寿命的设计制造技术

压力容器极端化带来失效模式和机理的改变，传统压力容器设计制造技术不能适应这一需求。为此，近十年来，合肥通用院、华东理工大学、浙江大学、中国特检院等单位通过系统的理论分析和试验研究，建立了极端条件重要压力容器基于风险与寿命的设计制造方法[12-17]，在设计制造早期预知全寿命过程风险，提出材料性能、结构设计、制造工艺、无损检测等风险控制措施，使其安全服役到预定寿命，成果被国家安全技术规范(TSG R0004)和国家标准(GB/T 150.1～4)采纳，产品本质安全性、工艺适用性、产品绿色性得到显著提升。“十三五”以来，又在材料性能提升、高温蠕变疲劳强度设计、低温压力容器基于断裂力学的防脆断设计等方面取得新进展。

1.2.1 材料性能提升技术

近年来，我国压力容器用钢冶炼技术水平取得了长足进步，形成了系统的低碳、超低磷、超低硫的洁净钢冶炼技术，如开发了KR铁水预处理技术、以控制铁水的硫磷含量，研发了LF炉外精炼、深脱硫工艺，可使制成品S含量控制在0.002%以下，创新了顶底复吹转炉的单渣、双渣、双联新工艺，可实现制成品P含量稳定控制在0.005%以下，开发了VD和RH真空脱气技术，可大大降低As,Sn,Cu,O,H等杂质元素含量。在产品韧性调控方面，通过淬火+亚温淬火+回火(QLT)热处理工艺开发，淬火、回火和热处理工艺优化，显著提高了钢板低温韧性，得到了良好的强韧性匹配。采取上述技术创新，我国压力容器材料实物性能得到大幅提高。同时，为更好地满足压力容器大型化和轻量化制造需求，开发了一批高性能、经济型新材料，如加氢反应器用12Cr2Mo1VR高强钢(抗拉强度由12Cr2Mo1R的520 MPa提高到590 MPa)、移动式压力容器用正火型高强钢Q420R(抗拉强度由Q345R的510 MPa 提高到590 MPa)；低温压力容器用钢也实现了系列化和-60～-196 ℃全覆盖；如-60 ℃的8～16万m3大型丙烷储罐用钢13MnNiDR，-100 ℃煤化工装置低温甲醇洗涤塔用钢3.5%Ni，-120 ℃液态乙烯储存设备低温用钢5%Ni，-196 ℃的16～27万m3超大型LNG储罐用钢9%Ni钢等[18-20]。

1.2.2 高温压力容器蠕变疲劳强度设计

高温压力容器常表现出与时间相关的蠕变、疲劳及其交互作用失效模式，其强度设计一直是工程界急需解决的技术难题。近年来，华东理工大学、合肥通用院等单位基于“十五”以来高温结构完整性评定技术研究成果，借鉴美国ASME、英国R5等标准规范，研究建立了避免蠕变疲劳裂纹萌生的高温强度校核技术方法。“十三五”以来，针对高温压力容器焊接结构微观组织不均匀、力学性能不匹配等特性，开发出基于数字图像相关和分区引伸计的蠕变变形原位测量和表征技术(如图1所示)[21]，并考虑焊缝应变集中效应，建立了基于寿命的高温压力容器焊接结构蠕变-疲劳强度设计方法[22]。相关成果已形成中国机械工程学会团体标准(T/CMES)《高温压力容器蠕变疲劳强度校核》(草案)，为提升高温压力容器本质安全提供技术手段。

图1 基于数字图像相关和分区引伸计的蠕变变形原位测量和表征技术

1.2.3 低温压力容器防脆性断裂设计

压力容器低温脆性断裂具有突发性，往往造成灾难性后果。我国GB/T 150基于夏比冲击的韧脆转变温度法来确定材料的最低使用温度，其规定的夏比冲击功合格指标与压力容器低温脆性断裂失效并无定量关联，导致最低设计温度的确定缺乏理论依据，降低了我国低温压力容器产品国际竞争力。“十三五”以来，合肥通用院、中国特检院等单位通过系统的理论研究、试验测试和统计分析[22]，探明了我国低温压力容器典型用钢夏比冲击功与断裂韧性的关联规律，考虑应力水平、缺陷尺寸、热处理状态等因素影响，建立了基于断裂力学的低温压力容器用钢最低设计温度确定方法，提出了压力容器及其组成元件相应的防低温脆性断裂建造技术要求，相关成果已形成团体标准(T/CMES)《压力容器防止低温脆性断裂技术要求》(草案)[23]。

1.2.4 高耸塔器防风抗振疲劳强度设计

针对高耸塔器风致疲劳失效，“十二五”以来，合肥通用院、天津大学、浙江工业大学等单位通过数值模拟与试验验证相结合，分析了不同风速风向条件下高耸塔器的应力位移时程响应规律，基于随机振动疲劳损伤累积理论，建立了高耸塔器风致疲劳寿命预测、强度校核和扰流减振技术方法[24-27]。相关成果制定了T/CMES-16002—2019《钢制塔式容器风致疲劳计算与评定方法》[28]，可为提高我国沿海沿江地区高耸塔器的防风抗振能力提供技术支撑。

1.2.5 超大容积LNG储罐结构稳定性设计

随着经济发展，我国天然气进口量逐年上升，急需建设一批LNG接收站，其中特大型LNG储罐是核心设备。十多年来，在国家相关部委积极推动和行业共同努力下，国内现已解决了大跨度结构LNG储罐罐顶和内罐稳定性设计、罐壁抗震和风雪载荷设计技术难题[29-30]，掌握了材料设计开发、焊接热处理工艺筛选、压力液位监控关键技术，研制出1～3万m3LNG单容罐、20～22万m3LNG全容罐，成果应用可大幅度降低LNG接收站建造成本，提高产品竞争力。

1.2.6 换热器强化传热与强度刚度协同设计

反应器是一类集过程反应与热量传递于一体的热交换设备，在很多化工装置中广泛应用。“十二五”以来，合肥通用院、中国一重等单位针对此类热交换设备，研究建立了强化传热与强度刚度协同设计方法[31-32]，通过热物性与传热特性计算有效降低设计冗余；开发大直径薄壁换热管，有效降低导热热阻，提高传热效率；变刚性管板为柔性管板连接，开发碟形薄管板和整体锻环组合结构，有效降低管板壁厚，由此解决了超大型管壳式热交换器的轻量化设计制造技术难题，在丁辛醇装置成功应用，实现了产品安全性、适用性和绿色性的有机统一。

1.2.7 复合材料压力容器变强度刚度设计

碳纤维复合材料压力容器与金属压力容器相比重量可减轻40%～60%，适用于对压力容器产品轻量化要求较高的场合，如氢燃料电池汽车、航天运载火箭等。近年来，浙江大学、合肥通用院等单位联合国内相关制造企业针对车载高压储氢气瓶，开展了大量理论和试验研究，研制出国内首套最高压力达140 MPa的碳纤维复合材料储氢容器高压氢循环试验系统，解决了我国车用高压储氢瓶性能测试技术难题；研究了纤维缠绕层数、缠绕角度对储氢瓶结构强度和疲劳寿命的影响规律，建立了可变强度可变刚度结构设计方法和制造工艺，制定出GB/T 35544—2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》国家标准，开发出70 MPa 铝内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶[33]，在上汽集团氢燃料电池乘用车示范应用。近期正在研制70 MPa塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶、50 MPa 高压大容量管束集装箱[34-35]，在保障产品本质安全前提下进一步提高储氢密度、推动我国氢能源汽车产业发展。此外，哈尔滨工业大学、北京宇航系统工程研究所、中国运载火箭技术研究院等单位正在开展液氧贮箱低温深冷环境复合材料力学行为及界面失效机制、无内胆贮箱结构设计与绝热性能测试评价等方面研究，尝试将复合材料压力容器技术应用于航空航天领域[36]。

1.2.8 基于泄漏率控制的法兰密封技术

我国石化企业密封泄漏率普遍在10-4～10-3mg/(s·mm)之间，与发达国家10-5～10-7mg/(s·mm)相比，有较大差距。开展基于泄漏率控制的法兰密封技术研究，是控制环境污染、确保装置安全运行的有效途径之一[37-38]。“十三五”以来，合肥通用院、华东理工大学、南京工业大学等单位研究了法兰密封结构型式、垫片材质、尺寸、密封面微观形貌、介质压力和螺栓预紧力等因素对密封性能的影响，基于微观流动机理，初步建立室温环境密封泄漏率预测模型，为今后建立基于泄漏率控制的法兰密封结构设计制造与安装方法打下了基础。

基于上述技术进步和全行业装备建造能力提升，我国一批石化工业压力容器高性能制造取得了突破(如图2所示)[39]，30 000 m2芳烃装置缠绕管换热器、400 mm超厚锻件管板环氧乙烷反应器、20万m3/d海水-混合冷剂换热器、175 t/h中间介质气化器等一批重大装备实现了国产化，保障了千万吨炼油、百万吨乙烯、大型煤化工、液化天然气储运等重大工程建设的顺利进行；加钒钢制加氢反应器、丁辛醇装置丁醛转化器、奥氏体不锈钢深冷储运容器等超大型、重型压力容器实现了轻量化制造，有力提升了产品国际竞争力[40-43]。2019年，中国一重和中国二重建造的沸腾床渣油加氢反应器在镇海炼化安装就位[44]，直径超5 m、长度超70 m、重量达2 400 t，再次打破了加氢反应器建造记录；2021年,广东石化炼化一体化项目抽余液塔吊装成功[45]，塔高116 m、直径13.8 m、重量达4 606 t，再次刷新了塔器高度记录；2020年，中国海油气电集团掌握了20～27万m3超大容积LNG全容罐设计制造全套技术，填补了国内空白[46]。此外，我国核压力容器建造技术也取得了重大突破，由上海电气研发制造的第四代核反应堆压力容器高约27.5 m、重达594 t，应用于华能石岛湾第四代高温气冷堆示范工程[47]，对于推动我国核压力容器技术进步具有重要意义。

图2 部分国产化重大装备

1.3 在役长周期安全保障技术

压力容器投用后要经历长期的高温高压、低温深冷、苛刻介质腐蚀等严峻考验。基于风险的在役长周期安全保障技术是提高压力容器本质安全性、工艺适应性、产品绿色性的重要手段，也是提高压力容器质量竞争力的另一个重要方面。21世纪初以来，我国在用压力容器长周期安全保障技术不断取得新进展。

1.3.1 风险评估技术

我国中石化、中石油等石油化工企业现已建立具有国际先进水平的过程工业装置承压设备系统基于风险的完整性管理技术体系，应用RBI/SIL/IOWs等工程风险技术方法、专业分析软件、失效模式与损伤机理数据库，实现了炼油、化工、化肥、煤化工等装置承压设备系统检维修理念的根本转变，既保障了高风险设备的本质安全，又节约了企业检维修成本[48-53]。近年来，我国风险评估技术正向大型石油储备基地、天然气场站、加氢站等成套装备拓展。

1.3.2 检测监测技术

“十三五”以来，超声相控阵、电磁超声、超声导波、脉冲涡流、交流漏磁等检测监测技术得到不断发展，如合肥通用院研发的非线性超声相控阵成像系统可实现0.2 mm以上闭合裂纹的高灵敏检测(如图3所示)，中国特检院开发的大型承压设备不停机电磁无损检测技术可以实现装置长周期运行急需的不停机检测问题[54]等。目前，合肥通用院正针对大型原油储罐底板腐蚀检测难题，开发全聚焦非线性超声相控阵在油检测机器人(200 mm胶质油泥层，0.5 mm×5 mm以上开口裂纹)；针对300 ℃环境裂纹在线监测难题，开发非接触式高温非线性电磁声谐振技术(1 mm以上闭合裂纹的动态变化)；针对石化装置变曲率、变管径工业管道的内检测难题，融合图像视觉、漏磁和电磁超声技术，开发自动爬行内检测机器人，实现内径100 mm以上工业管道腐蚀减薄和开口裂纹检测(0.5 mm×5 mm以上)[55]。

图3 非线性超声相控阵成像技术

1.3.3 合于使用评价技术

我国科技工作者自20世纪70年代以来持续开展含缺陷压力容器合于使用评价技术研究，先后解决了一般环境、腐蚀和高温环境压力容器与管道缺陷评定技术难题，制定了CVDA—1984《压力容器缺陷评定规范》、GB/T 19624—2004《在用含缺陷压力容器安全评定》、GB/T 35013—2018《承压设备合于使用评价》、JB/T 12746—2015《含缺陷高温压力管道和阀门安全评定方法》、NB/T 20013—2010《含缺陷核承压设备完整性评定》等国家和行业标准。2018年国内首次制定颁布的GB/T 35013，参考美国API 579标准，并吸纳国内“九五”以来科研成果，建立了应力腐蚀、腐蚀疲劳、氢鼓泡、氢致开裂、火灾过烧、蠕变等腐蚀和高温环境承压设备合于使用评价技术方法；2019年，全国锅容标委在役分会组织对GB/T 19624 进行了修订，吸纳BS 7910，API 579等国外标准最新进展和国内相关研究成果，合理调整了一次应力分安全系数，提供了内压圆筒内表面环向裂纹、半椭圆轴向裂纹等典型结构的断裂参量(KⅠ和Lr)计算方法，以及弯头、三通等复杂结构的极限载荷计算方法，相比2004版标准，平面型和体积型缺陷的安全评定更为合理。

1.3.4 网络化远程运维技术

自“十三五”以来，我国针对石化装置承压设备网络化远程运维技术进行了有益探索(如图4所示)[56-57]，针对腐蚀减薄、环境开裂、材质劣化、机械损伤等4类失效模式、主要损伤机理，结合工程风险评估与检验检测和失效分析数据库，筛选了与承压设备安全状况密切相关的特征参量；融合剩余壁厚、应力应变、裂纹、温度在线监测和移动物联网等现代信息技术，初步搭建了石化高风险承压设备网络化远程运维平台，如常减压装置电脱盐系统和加氢裂化装置空冷器系统腐蚀状态监测、乙烯裂解炉蠕变损伤监测等，相关技术已在惠州炼化、福建炼化、榆林能化、大连恒力等石化企业示范应用。目前，网络化远程运维技术正围绕两方面开展深入研究，一是开发高温、超高压、深冷等极端环境缺陷监测传感技术，在更大范围、更高精度上实现特征安全参量的监测；二是利用海量监测数据，结合装置DCS，LIMS数据，开展大数据分析，以设备安全为前提，智能调控工艺参数，指导装置优化运行。

图4 典型石化装置承压设备基于特征安全参量的远程运维

2 未来高性能制造面临的技术需求与挑战

当前，全球新一轮科技革命和产业变革加速演进，双循环新发展格局加速形成。为抓住这一历史机遇，推动传统产业转型升级和战略性新兴产业发展，落实碳达峰、碳中和国家重大部署，实现高水平科技自立自强，本文从产业基础高级化、极端制造、双碳战略、新一代信息技术等四个方面来简要介绍我国压力容器高性能制造技术发展面临的需求和挑战。

2.1 产业基础高级化需求

2.1.1 关键基础材料及配套焊材

为进一步提高我国压力容器工艺适用性，建议研发适用更高和更低使用温度、高压临氢和强腐蚀介质环境的压力容器用钢及配套焊材，如：适用于510 ℃高温临氢环境9Cr1MoV锻件及配套焊材，用于下一代加氢反应器建造；适用于900 ℃高温环境的镍基合金N8810及配套焊材，用于多晶硅高温反应器的建造；-40 ℃高压临氢环境调质高强度钢板(Rm≥780 MPa)及配套焊材，用于加氢站单层钢制大型储氢容器的建造；-40 ℃正火型钢板(Rm≥630 MPa)及配套焊材，用于移动罐车、罐箱的建造；-50 ℃调质高强度钢板(Rm≥690 MPa)及配套焊材，用于乙烯等大型低温球罐的建造；-60 ℃高强度正火型钢板(Rm≥490 MPa)及配套焊材，用于丙烷等大型低温储罐的建造，适用于强腐蚀介质环境的S31252,S32652,S34553等超级奥氏体不锈钢，S25554,S25073,S27603等超级双相不锈钢和S13091超级铁素体不锈钢[58-59]及配套焊材。

2.1.2 关键基础工艺

锻件品质影响压力容器的安全运行。经过30多年发展，我国锻造技术取得了长足进步，已具备一次性提供900 t优质钢水、700 t钢锭、500 t铸件、400 t锻件的极限制造能力[60]；但伴随压力容器不断大型化，传统自由锻造工艺已难以满足需求，需要在制坯、除磷、筒节轧制等工艺方面进行攻关，开发超大尺寸筒(环)锻轧组合工艺来制造∅7 500 mm以上的特大筒节，还需解决大型锻件容易出现的宏观偏析、缩孔疏松等问题。近年来，中科院沈阳金属所突破了传统大型锻件“以大制大”的思路局限，发明了金属构筑成形技术，但构筑界面是影响大型锻件质量与均质程度的关键，其涉及到的物理化学过程还有待深入研究，基材表面高效加工与活化工艺、难变形合金和多层异质材料的构筑成形技术还有待突破[61]。

2.1.3 核心工业软件

目前，我国压力容器应力分析、流动传热分析、工艺设计分析所用的工业软件大部分为国外产品，急需开发具有自主知识产权的国产压力容器制图软件CAD、计算机辅助制造CAM、基于风险的设计RBD等设计制造软件、应力分析用有限元软件(对标ANSYS,ABAQUS等)、流动传热分析用CFD软件(对标Fluent,CFX等)、三维制图软件(对标UG,PRO/E等)、工艺设计分析用流程模拟软件(对标Aspen Plus,Hysys等)及相关在役维护专业软件，并加快市场应用与迭代升级，不断提升我国压力容器工业软件技术水平[62]。

2.2 极端制造需求

2.2.1 极端环境

(1)超高压聚乙烯反应器。

低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物等合成树脂是重要的石化基础原料，一般采用高压釜式法和管式法生产。其中高压聚乙烯釜式反应器设计压力高达260 MPa以上，平均反应温度150～300 ℃，服役参数高、设计制造技术难度大，目前我国尚未形成相应的材料、设计、制造、检验技术体系和标准规范[63]。亟需开展：①高强高韧超厚锻件材料开发，反应器服役寿命与材料性能的关联规律，锻件成分设计与性能调控技术，低偏析高纯净钢锭熔炼工艺；②釜体基于寿命的结构强度设计、密封泄漏率控制技术；③大长径比筒体锻造、低粗糙度内表面加工工艺；④超大长径比搅拌器设计制造、热膨胀补偿消除与挠曲偏心控制技术；⑤高灵敏度、高可靠性缺陷无损检测，包括脉冲反射法超声、超声相控阵检测技术。

(2)下一代加氢反应器。

在石油资源日益萎缩、原油品质不断劣化的压力下，迫切需要发展新的重油加工工艺和煤直接液化工艺，这将进一步提升加氢反应器设计温度(500～510 ℃)和设计压力。高温临氢环境下2.25Cr1Mo0.25V贝氏体钢的极限使用温度为482 ℃，无法应用在500 ℃以上的高温临氢场合，因此，性能更优的9Cr1MoV马氏体钢有望成为下一代加氢反应器的替代材料。目前日本神户制钢所已利用190 t钢锭试制出外径4 550 mm、壁厚310 mm、长度2 640 mm的筒体[64]。对加氢反应器大壁厚锻件而言，锻造、焊接和热处理等制造工艺涉及到微观组织、制造缺陷、残余应力等复杂演变过程，锻造缺陷、有害偏析、再热开裂等是必须解决的关键问题。因此，需要开发性能优异的9Cr1MoV锻件及配套焊材，探索9Cr1MoV锻件材料性能、结构设计、制造工艺与服役性能之间的关联规律，开发下一代加氢反应器成形成性一体化制造及相应的在役检验维护技术。图5为9Cr1MoV钢的加氢反应器筒节制造过程。

图5 9Cr1MoV钢加氢反应器筒节制造[64]

(3)超临界CO2太阳能热发电技术。

超临界CO2布雷顿循环的热电转化效率在50%以上，相比传统的朗肯循环(35%)转化效率有很大提升。太阳能吸热器、熔盐储罐、熔盐换热器、高/低温回热器等是超临界CO2太阳能光热发电系统的关键承压设备，处于高温(600～700 ℃)、高压(～24 MPa)、腐蚀环境。建议：搭建超临界CO2布雷顿循环试验系统，探明聚光-集热-储热-发电系统关键器件的失效机理和损伤演化规律，建立超临界流体高效热量传递与热功转换设计方法，开发高性能吸热、储热、回热设备，推动我国太阳能光热发电技术进步。

(4)氮化镓人工晶体反应釜。

半导体和光电等产业急需4～6英寸GaN单晶衬底制备技术，该生产工艺具有高温、超高压、强腐蚀等特点；其核心设备为高温超高压反应釜，设计温度和设计压力高达650 ℃和150 MPa，介质为强腐蚀性，且反应釜频繁开启,因此高温蠕变、疲劳和密封失效是反应釜主要的潜在失效模式[65-66]。亟需攻克高温高压反应釜镍基高温合金材料开发、高温结构蠕变疲劳交互作用强度设计、贵金属衬里与密封结构设计制造等关键技术，形成一套高温、超高压、强腐蚀环境下压力容器设计制造技术方法，研制出大直径高温超高压反应釜，填补国内该领域空白，推动我国大尺寸、高质量第三代半导体单晶衬底的规模化量产。

2.2.2 极端尺寸

(1)天然气液化主低温换热器。

到2020年底，全球天然气的液化能力为452.9 MTPA，装置投产率为74.6%。在全球投用的天然气液化工厂中，67.5%采用缠绕管式主低温换热器，以增大换热面积、提高传热效率(见图6)。为推动我国天然气液化工厂建设，需开展液化天然气装置主低温换热器技术攻关，包括：液化流程与主低温换热器一体化创新技术、多组分混合冷剂壳程降膜流动与蒸发的耦合机理、复杂相态流态下多管程传热与流动的动态仿真、超大直径壳程流体的分布技术、超长小直径铝合金换热管开发、铝合金换热管与管板连接技术、智能化缠绕技术、特大型换热器不停车检测技术等。这些技术的突破将有助于实现我国天然气液化装备能力从100万m3/天到100万吨/年、再到800万吨/年的有序推进，完善我国液化天然气装备的供应链[67]。

(2)FSRU印刷电路板式换热器。

近十年来，浮式再气化装置(Floating Storage Regasification Unit，FSRU)取得了很大发展，从2005年的单一终端发展到2021年2月的27座终端。尽管目前陆基气化接收站和浮式终端的比例为4∶1，但浮式气化装置在近年里仍将稳定增长。2020年3月30日，沪东中华造船集团有限公司为希腊船东建造的中国首艘浮式再气化装置FSRU如期出坞，但再气化模块核心技术仍需引进。基于印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger，PCHE)的FSRU气化技术研究成为突破模块核心技术的焦点。图7为FSRU印刷电路板式换热器。

图6 天然气液化主低温换热器

图7 FSRU印刷电路板式换热器

根据液化天然气的再气化流程，FSRU印刷电路板式换热器需要克服的技术难点包括：超临界压力低温LNG在微小通道内的传热与流动机理、易燃烃在微小通道内的冷凝机制、乙二醇水溶液与蒸汽(或海水)在PCHE的传热技术、海洋晃荡工况印刷电路板式换热器机械热力协同设计与结构完整性技术等，最终研制LNG出口压力12 MPa、LNG流量230 t/h、天然气出口温度0～10 ℃的再气化模块印刷电路板式换热器[68]。

(3)LNG运输船用压力容器。

LNG运输船主要有球罐型、薄膜型和自持式棱柱型三种压力容器，其在长度、宽度和容积上都超出了常规容器，需要承受较大的内部液体载荷和剧烈海况，若加强结构布置不合理，则容器刚性不足，容易导致容器壁板发生翘曲；焊接过程中若出现不均匀加热和冷却，则会导致各区域出现不协调的塑性变形，影响结构尺寸精度[69]。为此，针对大型LNG运输船用压力容器特殊结构需求，考虑低温应用环境影响，开展多种结构压力容器分析设计、多维度变形协调、外加强结构优化、现场焊接无损检测和热处理工艺等核心技术研发，保证储罐在内部载荷和剧烈海况下结构的完整性和安全性。

2.2.3 极端载荷

(1)深海探测外压容器。

深海圈拥有的油气、矿物和生物等宝贵资源是陆上资源的数千倍，具有极高的商业开发价值和科学意义。深海探测装备是实现深海探测与深海资源开发的重要装备，承受海水高静水压力作用，作为主要承力结构的外压容器的屈曲失稳是必须考虑的重要失效模式之一[70]。根据深海探测装备的工作深度与水域环境不同，其外压容器可选择圆柱壳、球壳、椭球壳或组合壳等结构形式，其中圆柱形耐压壳体往往设置环向的肋骨加强筋。壳体结构形式、肋骨形式、初始缺陷、动态干扰等因素对深海探测外压容器稳定性的影响有待进一步澄清。为此，需要研究外压容器的屈曲、后屈曲失效行为，发展弹塑性后屈曲判定方法和数值仿真技术，开展容器外压试验验证，建立相应的极限承载力判据，为深海探测外压容器结构设计及优化提供理论依据。

(2)深海空间站外压容器。

深海空间站已被先后列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要》前沿技术领域和“科技创新2030-重大项目”，其外压容器需承受15 MPa以上静水压力，且在海水中连续工作时间长达数十天，所以“海洋金属”钛合金成为外压容器首选主体材料，但大潜深、高压载、长停留和长寿命服役需求带来的科学技术问题比“蛟龙号”载人深潜器(停留时间仅10 h左右)和高强钢制潜艇(潜深百米级)研制时遇到的问题更为棘手，对其材料性能、结构设计与制造技术等均提出了严峻挑战[71]。需要根据深海空间站的服役工况与设计寿命需求，探明大型外压容器的主导失效模式与损伤机理，明确国产钛合金材料在极端工况下的服役性能与失效演化规律(包括屈曲、蠕变、疲劳等)，突破大型厚壁钛合金焊接结构基于寿命的结构设计、残余应力表征与控制、焊接与焊后热处理工艺、焊接结构保形控性等关键技术，开发用于深海空间站的大型钛合金外压容器，为我国深海空间站的技术攻关提供重要支撑。

(3)重载火箭压力容器重复使用技术。

经过半个多世纪的发展，我国运载火箭已具备了自主载人发射能力、高密度发射能力、深空探测与空间轨道转移能力，可实现低、中、高不同轨道以及不同有效载荷的发射过程。目前，我国已经开始向技术难度更高、能够大幅降低成本的“可重复使用领域”迈进[72]。由于火箭在返回着陆飞行中，经历从亚轨道高度逐渐下降到地面的过程，飞行环境复杂且存在较多随机性的扰动因素；返场后需要在短时间内对箭体状态进行检测与维修。为缩短发射周期和降低成本、实现重载火箭压力容器的重复使用，需要开展适应运载火箭重复发射和返回过程中压力容器的失效模式与损伤机理识别、基于风险与寿命的设计制造及检验检测技术研究，开发压力容器剩余寿命评估和无拆卸快速检测维修技术。

2.3 双碳战略需求

2.3.1 氢能安全高效利用技术

氢能是未来国家能源体系重要组成部分，有助于促进我国能源体系绿色低碳转型、推动碳达峰、碳中和目标实现。氢能储运作为氢能产业的核心技术与工艺，目前处于发展初期，仍存在技术装备水平不高等问题。为满足氢能动力运输装备(如氢能源汽车、氢动力铁路机车、氢动力轮船、氢动力飞机等)安全高效用氢需求，需加快研发高性能碳纤维、改性塑料、高耐候性树脂等基础材料，开发高压或深冷临氢环境服役的特种阀门、密封件等核心基础零部件，发展氢能储运压力容器基于失效模式设计制造、产品性能测试与质量评价、在役运行维护等关键共性技术，突破塑料内胆精密成型与焊接、Ⅳ型瓶充压缠绕与固化、塑料内胆和金属阀座长寿命可靠连接等基础制造工艺，研制出高压气态储氢、深冷液态储氢、深冷-高压超临界储氢(-240 ℃/20～35 MPa)、高压-固态(35 MPa)复合储氢等高端产品，确保核心技术自主可控，推动我国氢能产业快速发展(如图8所示)[73]。

图8 典型氢能储运装备

2.3.2 重型压力容器轻量化技术

考虑产品全寿命周期环境影响和资源效益，压力容器轻量化制造技术可以从低合金高强钢开发、低温应变强化工艺控制等方面展开研究，如开发低成本高锰奥氏体钢HMA400，替代3.5%Ni，5%Ni，9%Ni钢，大幅降低低温容器建造成本；开发-253 ℃低温容器用9%Ni钢(Rm≥680 MPa)、-269 ℃低温容器用超高强度奥氏体不锈钢(含氮，Rm≥690 MPa)，通过微合金弥散强化，进一步提高材料强度，降低温度下限，减少材料消耗；如开发低温环境奥氏体不锈钢应变强化工艺，进一步降低移动式压力容器自重，提高运载效率。

2.3.3 基于泄漏率控制的法兰密封技术

针对过程工业广泛使用的法兰连接产生的泄漏源，今后仍需深入研究高温高压有毒介质环境法兰密封失效机理、长周期服役密封性能衰减规律，建立密封泄漏关系图谱及特征数据库；研究密封泄漏率分级、基于泄漏率控制的法兰密封结构设计方法，开发相关设计软件；研发有毒有害介质环境低泄漏率密封元件，研究挥发性有机物(VOCs)泄漏监测传感技术，建立密封泄漏监测预警方法，制修订法兰密封相关标准体系，为我国在源头上抑制法兰连接VOCs的无序排放提供关键技术支撑。

2.3.4 换热器能效监/检测与评估技术

节能和提高能效是能源系统实现二氧化碳大规模减排的最主要途径。《特种设备安全与节能事业发展十四五规划》强调要实施热交换器的能效提升行动。目前，我国拥有换热器300余万台，具有量大面广、节能潜力大的特点，而国内外尚未提出换热器的能效理论体系与定量评价方法。为此建议研究典型间壁式(板式、螺旋板、空冷器等)与接触式(接触式空冷和脱硫系统接触式)换热器内热质输运机理，分析不同结构参量、热工参量对间壁式与接触式换热器宏观热力特性的影响规律，获取传热传质关键参数与能耗之间的关联关系，建立典型间壁式与接触式换热器能效指标体系及评价方法，最终指导换热器的高效设计与低能耗运行，提高能源利用效率[74]。图9为换热器能效检测评估相关参数。

(a)

2.3.5 压力容器极限寿命研究及超长期服役保障技术

我国是压力容器使用大国，在用压力容器439万台(截至2020年底统计)，其中一部分压力容器耗材多、价值高，过去要么设计制造没有明确提出设计使用寿命；要么简单一刀切地按20年确定使用寿命。对于这批压力容器，若盲目服役可能导致不安全；若盲目报废会造成资源的巨大浪费。为此，建议开展压力容器极限寿命预测及超长期服役安全保障技术研究，攻克高温、高压、低温、深冷、复杂介质腐蚀等极端工况多参数综合模拟测试技术，探明极端条件压力容器宏微观服役性能退化规律，建立压力容器极限寿命预测方法，开发超长期服役压力容器安全状况检测与诊断评估技术，希望成果推广应用使得我国压力容器能够安全健康服役50年。如针对服役30年以上加氢反应器[75]，研究潜在失效机制的发生、发展和终止规律，考虑氢脆、回火脆导致的材料韧性降低、缺陷容限下降以及其他可能存在的缺陷与损伤，开发高精度无损检测技术，建立极限寿命预测、安全状况诊断和在役维护技术方法，保障中石化、中石油所属企业数百台在役加氢反应器的超长期安全稳定运行。

2.4 新一代信息技术发展带来的机遇和挑战

2.4.1 基于人工智能的材料性能调控技术

材料基因组学方法能突破依赖经验与试错的传统材料研究方法的局限性，显著加快材料研发速度，开发满足预期风险与寿命需求的材料成分与组织性能调控技术。“十三五”以来，针对乙烯裂解炉管材料性能提升需求，合肥通用院等单位基于材料基因组学思想，通过相图计算及元胞自动机方法，研究了材料成分、制备工艺对显微组织的影响，基于机器学习方法，分析了炉管材料成分、显微组织与宏观性能的关联规律，通过材料成分与组织信息融合方法，初步建立了炉管服役性能预测模型(如图10所示)[76-77]。未来将进一步聚焦高温合金炉管长周期服役需求，研究高温合金炉管长时服役过程的显微组织演变规律，开展组织性能劣化行为模拟预测和试验验证，最终实现高温耐热合金炉管材料成分和组织性能的按需设计、按需调控。其他压力容器新材料开发也可通过此途径来进行，按所需性能来设计材料成分和微观组织。

图10 高温合金炉管材料基因组技术

2.4.2 复杂结构增材制造技术

粉末床增材制造具有设计自由度大、短流程、效率高、精度好等优点，是一种相对低成本的生产方式，在复杂结构制造方面极具应用潜力。例如铸造金属换热器(Cast Metal Heat Exchanger，CMHE)换热效率高、通道选择自由，但结构较为复杂(图11为一种用于CMHE的反向旋转双螺旋结构)，此时如果采用传统的铸-锻-热-削-焊分段加工技术，不但工序多、流程长、焊缝多，而且无法整体成形、材料浪费严重[78]。针对这类复杂结构换热器，可开展粉末床增材制造技术研究，开发CMHE换热器粉末床增材制造专用材料设计方法，攻克粉末制备、形状精准控制、组织性能调控等关键技术，最终形成CMHE换热器高性能、高效率粉末床增材制造成套工艺。

2.4.3 智能化远程运维技术

今后伴随石油化工新工艺不断应用，以及氢能利用、新材料制备、深海油气开发等新兴产业快速发展，压力容器及其系统要实现长周期安全运行还面临诸多挑战。对于已知的损伤机理，需要借助大数据和人工智能技术，研究建立设备损伤演变规律与操作工艺之间的定量关系模型，智能调控操作工艺参数，以延缓设备过早失效。对于一些未知损伤机理[79]，需要在已有风险分析和失效数据库基础上，借助新一代人工智能技术在统计分析、知识推理、智能诊断、优化调控等方面的优势，探明压力容器在复杂服役条件下的损伤演化机制，开发数字孪生技术，实现压力容器运行数据的高效采集、海量数据的智能分析、健康状况的智能诊断、失效故障的自主调控和状态自愈，这是压力容器智能化远程运维技术发展的重要方向。

图11 CMHE的反向旋转双螺旋结构(浅色代表热侧，深色代表冷侧)

3 结语

近年来，凭借持续技术创新、产品质量提升以及完善的供应链体系和比较价格优势，我国已成为压力容器制造大国，总体达到国际先进水平。未来面向国家“十四五”和2035年远景目标，面向制造强国、质量强国建设和碳达峰、碳中和重大部署，面向传统产业转型升级和战略新兴产业发展需求，我们要实现国际领先，仍需持续在压力容器高性能制造技术方面寻求突破，目标导向与问题导向相结合，加强上中下游、大中小企业融通创新，突破高性能制造基础前沿和共性关键技术，研发高性能关键基础材料、核心零部件、关键基础工艺、核心工业软件，夯实压力容器产业技术基础，持续提升我国压力容器的质量竞争力，支撑压力容器相关产业的转型升级和高质量发展。