蔣小文，杜俠鳴，齊一華

（中國(guó)寰球工程有限公司北京分公司，北京 100029）

壓力容器廣泛應(yīng)用于石油、化工、輕工、醫(yī)藥、環(huán)保、冶金、食品、生物工程及國(guó)防等工業(yè)領(lǐng)域，是工藝流程中的關(guān)鍵設(shè)備。同時(shí)，壓力容器種類多，操作條件復(fù)雜：有真空容器，也有高壓、超高壓容器和核能容器；溫度也存在從低溫到高溫的較大范圍；處理的介質(zhì)大多具有腐蝕性，或易燃、易爆、有毒甚至劇毒。這些特點(diǎn)給壓力容器從選材、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)到使用、維護(hù)管理等多方面造成了復(fù)雜性。可以說(shuō)，壓力容器的建造水平在某種程度上反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)水平和技術(shù)發(fā)展水平。

近年來(lái)，隨著我國(guó)煉油、石油化工及煤化工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，特別是我國(guó)“十三五”期間有序推進(jìn)的七大世界級(jí)規(guī)模煉化一體化產(chǎn)業(yè)基地的建設(shè)，給我國(guó)壓力容器產(chǎn)業(yè)的提供了巨大機(jī)遇；同時(shí)隨著冶金、機(jī)械加工、焊接和無(wú)損檢測(cè)等技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為代表的信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使得我國(guó)壓力容器行業(yè)得到了高質(zhì)量的快速發(fā)展。例如，世界最大單臺(tái)重達(dá)3 000 t 的鍛焊加氫反應(yīng)器在我國(guó)完成建造；國(guó)內(nèi)最大直徑φ8.8 m EO 反應(yīng)器超大管板鍛件在中國(guó)一重一次成功鍛造；日處理3 500 t 粉煤氣化爐及日處理4 000 t 級(jí)多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐投料成功；筒體直徑12 m、長(zhǎng)超過(guò)110 m 的全球最大常壓塔出口尼日利亞等。可以預(yù)計(jì)，隨著“中國(guó)制造2025”、制造強(qiáng)國(guó)、國(guó)家“一帶一路”倡議的不斷推進(jìn)，石油化工等行業(yè)規(guī)劃及相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的陸續(xù)出臺(tái)，未來(lái)我國(guó)壓力容器行業(yè)還將面臨較好的發(fā)展機(jī)遇期。

然而，在新形勢(shì)下，我國(guó)壓力容器行業(yè)也面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)、高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)，主要基于以下幾點(diǎn)考慮：

（1）大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等的快速發(fā)展和應(yīng)用倒逼廣大工程技術(shù)人員去思考傳統(tǒng)的壓力容器設(shè)計(jì)和制造如何與這些新技術(shù)融合發(fā)展；

（2）建設(shè)數(shù)字化工廠、從而最終實(shí)現(xiàn)智能化工廠的需求對(duì)壓力容器的設(shè)計(jì)和建造提出了新的要求；

（3）越來(lái)越嚴(yán)格的節(jié)能環(huán)保要求（如我國(guó)要在2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和）；

（4）目前行業(yè)較為普遍存在的不當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)甚至惡意競(jìng)爭(zhēng)給壓力容器行業(yè)的降本增效、提高競(jìng)爭(zhēng)力提出了新的要求；

（5）石油、化工等流程行業(yè)大型化后對(duì)于壓力容器本質(zhì)安全提出了新的要求；

（6）新冠疫情、逆全球化等新形勢(shì)對(duì)壓力容器行業(yè)的影響。

作為一名從事壓力容器行業(yè)工作的工程技術(shù)人員，有責(zé)任也有義務(wù)去思考未來(lái)我國(guó)壓力容器技術(shù)會(huì)如何發(fā)展？壓力容器技術(shù)如何與先進(jìn)的如大數(shù)據(jù)、人工智能、信息技術(shù)深度融合？同時(shí)，在工作中能夠主動(dòng)作為，勇于創(chuàng)新，為我國(guó)壓力容器行業(yè)未來(lái)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。為此，本文從我國(guó)壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)體系、材料、設(shè)計(jì)技術(shù)以及制造檢驗(yàn)技術(shù)等4 個(gè)方面談一些個(gè)人的想法和理解。

1 我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系的發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過(guò)我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化工作者幾十年的努力，我國(guó)已經(jīng)形成了以GB/T 150《壓力容器》為核心的一系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和零部件標(biāo)準(zhǔn)，以此建構(gòu)了我國(guó)承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系的基本框架。國(guó)家壓力容器安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)依據(jù)壓力容器安全監(jiān)察法律、法規(guī)，并根據(jù)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)所提出的相關(guān)技術(shù)要求，監(jiān)督和控制壓力容器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和使用等各個(gè)環(huán)節(jié)，以保障其產(chǎn)品質(zhì)量及使用安全。為此，我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)與安全監(jiān)察法規(guī)同步實(shí)施，二者相輔相成，構(gòu)成了我國(guó)完整的壓力容器產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系和壓力容器安全監(jiān)察法規(guī)體系[1]。

我國(guó)的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)內(nèi)容上既參照了國(guó)外先進(jìn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)要求[2-3]，也考慮了國(guó)內(nèi)壓力容器行業(yè)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀，基本上能夠滿足全行業(yè)的需要，為提高壓力容器相關(guān)企業(yè)的技術(shù)水平和管理水平做出了貢獻(xiàn)。在看到成績(jī)的同時(shí)，我們也應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系與世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家或經(jīng)濟(jì)體之間還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）由于一些歷史的原因，我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)還很難被世界上絕大多數(shù)國(guó)家認(rèn)可。

（2）我國(guó)的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容總體上還未全面實(shí)現(xiàn)自主可控，與世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容相比，還處于“跟隨”、“并跑”階段。而目前世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家都將爭(zhēng)奪標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)權(quán)作為爭(zhēng)奪市場(chǎng)的主要目標(biāo)（例如歐洲和美國(guó)的爭(zhēng)奪），這給我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

（3）我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)技術(shù)研究長(zhǎng)期以來(lái)開(kāi)展不夠，起點(diǎn)低、空白多。例如，一些壓力容器用材料配套標(biāo)準(zhǔn)缺失；材料的一些性能參數(shù)如高溫性能參數(shù)，一些材料的外壓應(yīng)力曲線缺失等。

（4）我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的制修訂管理體制效率低下，不能及時(shí)體現(xiàn)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。例如我國(guó)的壓力容器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的修訂周期超過(guò)五年，而ASME 自2013 年后，每?jī)赡晷抻喴淮?，每年還有一次補(bǔ)遺。

因此，建議未來(lái)我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)從以下幾個(gè)方面開(kāi)展工作，以實(shí)現(xiàn)我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的自主可控及與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的相容和互認(rèn)。

（1）繼續(xù)深化標(biāo)準(zhǔn)化工作改革，探索新型的標(biāo)準(zhǔn)制修訂流程與管理體制。例如建立壓力容器核心、關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)由政府主導(dǎo)制定，其余標(biāo)準(zhǔn)由市場(chǎng)自主制定的管理體制，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同發(fā)展、協(xié)調(diào)配套使用。同時(shí)，全行業(yè)應(yīng)對(duì)先進(jìn)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更多的接納和寬容，同時(shí)在在工程建設(shè)中予以采用和實(shí)施，從而能夠?qū)毫θ萜餍袠I(yè)和相關(guān)行業(yè)的新技術(shù)、新工藝及時(shí)地體現(xiàn)到壓力容器產(chǎn)品的建造過(guò)程中。

（2）繼續(xù)集中全行業(yè)的力量，對(duì)我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容與國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，并進(jìn)行切實(shí)有效的基礎(chǔ)性研究、創(chuàng)新與改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際化：一方面需要我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)具有相容性，另一方面能夠?qū)崿F(xiàn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的互認(rèn)。目前，我國(guó)壓力容器已有3個(gè)牌號(hào)材料獲得了ASME BPVC II 的認(rèn)可[4]，同時(shí)也有三個(gè)ASME 的材料牌號(hào)被我國(guó)GB/T 150 認(rèn)可。未來(lái)應(yīng)有更多牌號(hào)的壓力容器用材得到ASME 標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的互認(rèn)。

（3）在政府、行業(yè)等的共同努力下，通過(guò)國(guó)內(nèi)企業(yè)在海外工程建設(shè)項(xiàng)目的投資和建設(shè)以及工程公司承接國(guó)際項(xiàng)目，增強(qiáng)境外EPC 工程項(xiàng)目業(yè)主采用中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的信心，并能實(shí)現(xiàn)在越來(lái)越多的國(guó)際項(xiàng)目中采用中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)。

2 壓力容器材料的發(fā)展趨勢(shì)

隨著石油化工裝置大型化的發(fā)展，壓力容器產(chǎn)品大型化、高參數(shù)化的趨勢(shì)日益明顯，壓力容器用材料成為制約壓力容器行業(yè)發(fā)展的重要因素，因此研制和開(kāi)發(fā)更高性能的材料并將其應(yīng)用于壓力容器產(chǎn)品，成為壓力容器行業(yè)未來(lái)面臨的重大課題。近些年來(lái)，我國(guó)在壓力容器用材料方面也取得了巨大的進(jìn)展，例如我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了600 MPa 級(jí)低溫球罐用鋼板及配套鍛件的國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)及工程應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)了更高強(qiáng)度的加釩Cr-Mo 鋼的開(kāi)發(fā)及在加氫反應(yīng)器上的工程應(yīng)用等[5]。筆者認(rèn)為未來(lái)壓力容器用材料將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：

（1）隨著冶煉水平以及裝備的提高，材料的雜質(zhì)如S、P 含量進(jìn)一步降低，從而獲得材料的強(qiáng)度、韌性、焊接性能等更好的材料。

（2）設(shè)備大型化的需求促使更高強(qiáng)度（例如σb≥800 MPa）的材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，使得更大容積的球罐或大型儲(chǔ)罐的建造成為可能。據(jù)報(bào)道，我國(guó)在2019 年成功研制出了抗拉強(qiáng)度達(dá)到950 MPa，屈服強(qiáng)度高達(dá)874 ～ 895 MPa 的7Y69 鋁合金，使得我國(guó)的鋁合金材料成為了世界上抗拉強(qiáng)度最高的鋁合金。

（3）開(kāi)發(fā)綜合性能如防腐蝕、強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)等綜合性能優(yōu)良的復(fù)合材料，以滿足越來(lái)越苛刻的介質(zhì)腐蝕環(huán)境及裝置節(jié)能降耗的需求，例如多層金屬?gòu)?fù)合板在壓力容器上應(yīng)用的嘗試和工程應(yīng)用。

（4）新型的壓力容器材料制造、成形方法的開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用：例如熱等靜壓粉末冶金技術(shù)用于壓力容器承壓零部件的制造；超大型鍛件整體成形技術(shù)。據(jù)最新的研究報(bào)道，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所孫月明團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的分層多列堆垛金屬構(gòu)筑成形技術(shù)[6]實(shí)現(xiàn)了世界上直徑最大、重量最大的整鍛式不銹鋼環(huán)形件的制造，如圖1 所示。該環(huán)形鍛件直徑達(dá)15.6 m，重達(dá)150 t，用于我國(guó)第四代核電機(jī)組核心部件的支承環(huán)。此項(xiàng)技術(shù)解決了超大型鍛件易導(dǎo)致偏析、縮孔與疏松等的國(guó)際性難題。

圖1 15.6 m 直徑整鍛式不銹鋼環(huán)形件Fig.1 φ15.6 m Integrally forged stainless steel ring

（5）用于3D 打印的金屬材料的不斷開(kāi)發(fā)并在壓力容器行業(yè)得到應(yīng)用。目前，可以用于打印的材料種類在不斷增多，從常規(guī)使用最多的不銹鋼、TC4、AlSi10Mg、鈷鉻合金，到純鈦、純鉭、高強(qiáng)鋁合金等。

3 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

壓力容器設(shè)計(jì)是設(shè)備工程師依據(jù)工藝專業(yè)的功能、結(jié)構(gòu)等的需求，按法律法規(guī)及相應(yīng)產(chǎn)品規(guī)范實(shí)現(xiàn)壓力容器制造圖紙的過(guò)程，是整個(gè)壓力容器產(chǎn)業(yè)鏈中極為關(guān)鍵的一環(huán)。壓力容器設(shè)計(jì)的水平和能力是壓力容器行業(yè)創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)力的決定性因素之一。

決定壓力容器設(shè)計(jì)質(zhì)量、設(shè)計(jì)效率的兩個(gè)關(guān)鍵性因素為設(shè)計(jì)方法的選擇和設(shè)計(jì)手段的選擇，本文以下擬從這兩個(gè)方便談?wù)勂湮磥?lái)的發(fā)展。

3.1 壓力容器設(shè)計(jì)方法的發(fā)展趨勢(shì)

壓力容器的設(shè)計(jì)首先應(yīng)確定其在介質(zhì)及承受的載荷作用下的失效模式（如強(qiáng)度失效、剛度失效、失穩(wěn)失效等），根據(jù)失效模式確定相應(yīng)的失效準(zhǔn)則（如彈性失效準(zhǔn)則、塑性失效準(zhǔn)則等），再考慮壓力容器在材料、設(shè)計(jì)、制造檢驗(yàn)等方面的不確定因素后，工程上通過(guò)引入安全系數(shù)，從而得到與失效準(zhǔn)則相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則?；谠O(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在大量的工程實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)基礎(chǔ)上，同時(shí)依據(jù)大量的工程實(shí)踐結(jié)論，經(jīng)過(guò)一定的合理簡(jiǎn)化、歸納和總結(jié)而提煉出的一套用于壓力容器工程設(shè)計(jì)的方法則稱為壓力容器設(shè)計(jì)方法。目前我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)方法分為規(guī)則設(shè)計(jì)方法（也叫常規(guī)設(shè)計(jì)方法）和分析設(shè)計(jì)方法，如表1 所示。

由表1 可知，我國(guó)絕大部分的壓力容器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)采用了傳統(tǒng)的規(guī)則設(shè)計(jì)方法，然而隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的極大發(fā)展，隨著高參數(shù)壓力容器對(duì)于安全、輕量化的迫切需求，壓力容器傳統(tǒng)的規(guī)則設(shè)計(jì)方法將慢慢不能滿足要求，因此，筆者認(rèn)為未來(lái)壓力容器的設(shè)計(jì)方法在滿足設(shè)計(jì)效率、結(jié)構(gòu)安全及設(shè)備經(jīng)濟(jì)性和諧統(tǒng)一方面，將在以下幾個(gè)方面得到發(fā)展和應(yīng)用。

表1 壓力容器設(shè)計(jì)方法Table 1 Design Rules for Pressure Vessels

（1）基于壓力容器的塑性失效模式或彈塑性失效模式等，依靠高效而可靠的應(yīng)力分析，得到結(jié)構(gòu)詳細(xì)的應(yīng)力分布并進(jìn)行分類，將應(yīng)力控制在按“極限載荷”或“安定”性載荷確定的許用值范圍內(nèi)的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法在工程設(shè)計(jì)中越來(lái)越被接受和普遍采用，實(shí)際上ASME VIII—2019 的發(fā)布實(shí)施，也體現(xiàn)了ASME 對(duì)于將來(lái)逐步將分析設(shè)計(jì)作為壓力容器產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要方法的一些考量。

（2）進(jìn)入蠕變溫度范圍內(nèi)的高溫壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則得到進(jìn)一步的研究和發(fā)展，甚至用于工程設(shè)計(jì)。目前GB/T 150 中對(duì)于高溫壓力容器采用了由材料的持久極限決定的許用應(yīng)力來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。雖然GB/T 150.1 表1 注3 明確指出設(shè)計(jì)時(shí)需要“根據(jù)設(shè)計(jì)使用年限選用1.0×105、1.5×105、2.0×105h 等持久強(qiáng)度極限值”，但由于目前標(biāo)準(zhǔn)中只有材料1.0×105h（大約為12.5 年）的持久極限值，因此對(duì)于高溫壓力容器（大部分為反應(yīng)器等）設(shè)計(jì)壽命超過(guò)12.5 年時(shí)，其許用應(yīng)力不足以體現(xiàn)實(shí)際的設(shè)計(jì)壽命，或者說(shuō)按照實(shí)際的設(shè)計(jì)壽命（如20 年或30 年），用于高溫壓力容器設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力將無(wú)法確定。為此，應(yīng)進(jìn)一步地深入研究高溫壓力容器的失效模式及失效準(zhǔn)則，以解決目前規(guī)范中存在的以上不足。

（3）隨著石油化工裝置的大型化，例如1.5×106t/ a，甚至1.8×106t/ a 大型乙烯裝置的建設(shè)，設(shè)備更趨于大型化（如設(shè)備高度超過(guò)120 m），現(xiàn)行常用的抗風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)方法可能不再適合于這些大型設(shè)備，需采用更為先進(jìn)、精確的設(shè)計(jì)方法，GB/T 50761—2018《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中首次提到了對(duì)于大型塔器設(shè)備采用時(shí)程分析法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的要求。

3.2 壓力容器設(shè)計(jì)手段的發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)壓力容器的設(shè)計(jì)手段隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速更新，經(jīng)過(guò)60 多年的發(fā)展，經(jīng)歷了從最初的手工計(jì)算+繪圖板繪圖到計(jì)算尺或計(jì)算器計(jì)算+繪圖板繪圖，再到計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算+二維繪圖（即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)），再到目前的計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算+部分參數(shù)化繪圖及三維可視化繪圖等幾個(gè)階段。應(yīng)該說(shuō)目前的壓力容器設(shè)計(jì)手段大大提高了壓力容器的設(shè)計(jì)效率，然而隨著近些年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，這種設(shè)計(jì)手段仍存在以下幾個(gè)方面的不足：

（1）國(guó)內(nèi)大部分壓力容器的設(shè)計(jì)還停留在計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算+二維繪圖階段，僅有一些先進(jìn)的企業(yè)部分實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算+參數(shù)化繪圖或三維可視化繪圖，設(shè)計(jì)效率無(wú)法滿足現(xiàn)階段的實(shí)際需求，如對(duì)于企業(yè)降本增效的需求；

（2）設(shè)計(jì)計(jì)算與繪圖仍處于脫節(jié)狀態(tài)，未能形成協(xié)同，即設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果不能直接被繪圖軟件直接讀取并進(jìn)行自動(dòng)繪圖；

（3）設(shè)計(jì)工作對(duì)于壓力容器設(shè)計(jì)工程師的依賴性依然比較高，而壓力容器設(shè)計(jì)工程師每天面對(duì)的是大量規(guī)律性的重復(fù)工作：如打開(kāi)壓力容器設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，輸入?yún)?shù)，計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制圖紙等；

（4）即便相同的壓力容器設(shè)計(jì)條件，不同的工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的結(jié)果往往會(huì)出現(xiàn)多樣性，比如不同的壁厚取值，不同的技術(shù)要求，不同的結(jié)構(gòu)形式 等。

（5）歷史項(xiàng)目中的海量壓力容器設(shè)計(jì)成品文件利用率低，這些成品文件并未成為有價(jià)值的數(shù)據(jù)資 產(chǎn)。

因此，借助于未來(lái)技術(shù)的發(fā)展及“工業(yè)4.0”智能化時(shí)代對(duì)于壓力容器行業(yè)數(shù)字化、智能化的要求，壓力容器的設(shè)計(jì)手段將在以下兩個(gè)方面得到發(fā)展：

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

通常來(lái)講，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是指在一定時(shí)期內(nèi)面向通用產(chǎn)品，依據(jù)共性條件，通過(guò)制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和模式來(lái)開(kāi)展適用范圍比較廣泛的設(shè)計(jì)。對(duì)于非標(biāo)壓力容器，我們也一直在提要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。然而如何才算標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是什么？具體工程實(shí)踐中該如何進(jìn)行？行業(yè)內(nèi)恐怕沒(méi)有具體而明確的定義和指導(dǎo)意見(jiàn)。筆者以為，未來(lái)非標(biāo)壓力容器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化程度會(huì)越來(lái)越高，要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手：

（1）設(shè)計(jì)模板文件、標(biāo)準(zhǔn)圖、通用圖、通用工程規(guī)定的編制、進(jìn)一步完善和補(bǔ)充。這一方面應(yīng)是行業(yè)內(nèi)做的比較好的，各工程公司、設(shè)計(jì)院和制造單位或多或少地都建立了本單位的這些文件服務(wù)于壓力容器設(shè)計(jì)。如能夠集行業(yè)之力，形成我國(guó)壓力容器行業(yè)性的一套工程設(shè)計(jì)模板、標(biāo)準(zhǔn)圖、通用圖及通用的工程規(guī)定，類似于HG/T 20668《化工設(shè)備設(shè)計(jì)文件編制規(guī)定》這樣統(tǒng)一性的指導(dǎo)文件，將能大大地提高我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的水平和質(zhì)量；

（2）基于全行業(yè)長(zhǎng)期而豐富的工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行總結(jié)，提煉和提高并將其固化下來(lái)并形成文字性的指導(dǎo)手冊(cè)，指南等文件（甚至類似于設(shè)計(jì)輸入、輸出專家系統(tǒng)），用于規(guī)范設(shè)計(jì)輸入以及輸出結(jié)果，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)。例如壓力容器的承壓部件（如筒體，法蘭，管板）的設(shè)計(jì)厚度取值，不同的人基于工程經(jīng)驗(yàn)等各種因素的差異，會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果，而且有時(shí)結(jié)果相差比較大（甚至造成過(guò)度設(shè)計(jì)）。如果能針對(duì)不同的設(shè)備類型，不同的情況，基于大量的工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐以及對(duì)歷史設(shè)備數(shù)據(jù)的分析，給出一個(gè)厚度取用原則或指導(dǎo)意見(jiàn)，從而實(shí)現(xiàn)最大可能不同設(shè)計(jì)人員能給出基本一致的設(shè)計(jì)結(jié)果，這樣不但實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，也能提高效率；

（3）對(duì)歷史項(xiàng)目中的海量壓力容器設(shè)計(jì)成品文件進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，使得這些成品文件具有數(shù)據(jù)價(jià)值，例如能夠進(jìn)行檢索、對(duì)比、分析判斷等。

（4）非標(biāo)壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)還應(yīng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)管理與流程的標(biāo)準(zhǔn)化。

3.2.2 智能化設(shè)計(jì)隨著大數(shù)據(jù)、人工智能及其應(yīng)用場(chǎng)景的發(fā)展，壓力容器未來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)將成為可能。實(shí)際上壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和智能化設(shè)計(jì)是相輔相成，互相促進(jìn)的。當(dāng)壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)程度達(dá)到一定高度后，也為壓力容器的智能化設(shè)計(jì)提供了保障和基礎(chǔ)。也只有借助壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)過(guò)程中形成或確定的規(guī)則（例如統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)接口）、模板、數(shù)據(jù)（庫(kù)）資產(chǎn)等，再借助人工智能及深度學(xué)習(xí)，壓力容器智能化設(shè)計(jì)才成為可能。

對(duì)于未來(lái)壓力容器的智能化設(shè)計(jì)，筆者概念設(shè)計(jì)如下：設(shè)計(jì)或定義標(biāo)準(zhǔn)化的輸入條件為輸入端；中間為核心的智能設(shè)計(jì)端：它是以法規(guī)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)&規(guī)范、零部件標(biāo)準(zhǔn)等形成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，海量壓力容器設(shè)計(jì)成品數(shù)據(jù)化后的資源數(shù)據(jù)庫(kù)以及由大量的行業(yè)工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)提煉而成的專家?guī)斓热髷?shù)據(jù)庫(kù)為支撐的深度學(xué)習(xí)及人工智能設(shè)計(jì)計(jì)算平臺(tái)及自動(dòng)化成圖模塊。即根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果，由資深的壓力容器審核工程師進(jìn)行判斷并根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)微調(diào)設(shè)計(jì)結(jié)果（如果需要調(diào)整），最終確定的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果作為可被自動(dòng)化成圖模塊識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件，輸入到自動(dòng)化成圖模塊進(jìn)行自動(dòng)化成圖；輸出端為能夠滿足設(shè)計(jì)各階段要求壓力容器設(shè)計(jì)圖紙或數(shù)據(jù)文件：如二維工程圖文件及施工圖文件、三維的模型數(shù)據(jù)文件或用于智能制造的數(shù)據(jù)文件，其簡(jiǎn)單概念圖如圖2所示。由壓力容器智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸出的設(shè)計(jì)文件：如計(jì)算書、圖紙文件及模型文件只需要具有壓力容器審核資質(zhì)的工程師進(jìn)行評(píng)閱，并根據(jù)評(píng)閱意見(jiàn)修改相應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)果或參數(shù)后重新讓設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸出設(shè)計(jì)文件，最終的輸出文件經(jīng)審核人簽署即可用于實(shí)際的工程設(shè)計(jì)或制造。

圖2 壓力容器智能設(shè)計(jì)概念流程Fig.2 Concept flow chart for pressure vessels intelligent design

如未來(lái)壓力容器智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)真正得以實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用（實(shí)際上目前國(guó)內(nèi)已有公司在進(jìn)行這方面的開(kāi)發(fā)和嘗試），將革命性地改變傳統(tǒng)的壓力容器設(shè)計(jì)手段及設(shè)計(jì)管理模式，大大提高設(shè)計(jì)效率，降低人工成本。毫不夸張地說(shuō)，相比于未來(lái)壓力容器的人工智能設(shè)計(jì)，目前的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)類似于幾十年前的手工計(jì)算和繪圖板繪圖。因此，目前的壓力容器輔助設(shè)計(jì)的改變勢(shì)在必行，采用智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)將在以下幾個(gè)方面體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)：

（1）壓力容器的智能化設(shè)計(jì)將打通設(shè)計(jì)、制造及產(chǎn)品的運(yùn)行維護(hù)整個(gè)生命周期的數(shù)據(jù)流與業(yè)務(wù)流，為實(shí)現(xiàn)智能工廠提供支撐；

（2）大大提供設(shè)計(jì)效率，將工程師從大量規(guī)律性的重復(fù)工作中解放出來(lái)，從而有更多的精力投入到一些創(chuàng)新、開(kāi)發(fā)&研發(fā)中去，實(shí)現(xiàn)壓力容器行業(yè)的可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展；

（3）實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)結(jié)果相對(duì)意義上的規(guī)范和統(tǒng)一，避免了設(shè)計(jì)結(jié)果的多樣性。

4 壓力容器制造、檢驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)壓力容器制造的發(fā)展始于20 世紀(jì)50 年代，1956 年，南京永利寧廠機(jī)械分廠（南化機(jī)前身）試制成功中國(guó)第一臺(tái)多層包扎式高壓容器。60 年代，我國(guó)的中小型化肥廠、各種化工廠及煉油廠所用的壓力容器，除部分由蘇聯(lián)和東歐等國(guó)引進(jìn)外，其余部分都是由我國(guó)工廠制造。70 年代中期，我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)成套大型化肥、石油化工裝置，這使我國(guó)的壓力容器制造安裝水平有了大幅提高[7]。隨后經(jīng)過(guò)40 多年的發(fā)展，我國(guó)壓力容器制造業(yè)在技術(shù)水平、裝備能力、產(chǎn)品質(zhì)量、市場(chǎng)規(guī)模等方面有了飛速的發(fā)展，特別是“十三五”期間，隨著我國(guó)從石化大國(guó)成為石化強(qiáng)國(guó)，我國(guó)的壓力容器制造也向大型化、高端化、核心設(shè)備國(guó)產(chǎn)化邁進(jìn)。但也應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到我國(guó)壓力容器制造的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方面距離世界強(qiáng)國(guó)還有一定距離，大量的中小企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、管理制度及生產(chǎn)設(shè)備落后，還在我們所說(shuō)的工業(yè)1.0、2.0 階段停留。

現(xiàn)如今，隨著德國(guó)“工業(yè)4.0”、美國(guó)GE“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”在全球范圍內(nèi)的推廣和應(yīng)用，以及“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的推進(jìn)，以新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為特點(diǎn)的智能制造已引發(fā)了全球性的新一輪工業(yè)革命，并將成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要抓手和核心動(dòng)力。未來(lái)壓力容器制造行業(yè)也必將朝著采用先進(jìn)制造、檢測(cè)技術(shù)、智能化方向發(fā)展。筆者以下介紹未來(lái)可能會(huì)在壓力容器制造、檢測(cè)上進(jìn)一步推廣應(yīng)用的幾個(gè)新技術(shù)，這些新技術(shù)如能在石油化工行業(yè)得到推廣和普遍應(yīng)用，將對(duì)整個(gè)壓力容器制造行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，也為壓力容器真正意義上的智能制造提供保障。

（1）微通道反應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用

微通道反應(yīng)技術(shù)自20 世紀(jì)90 年代中期興起以來(lái)，由于其獨(dú)特的特色和優(yōu)勢(shì)得以迅速發(fā)展，在醫(yī)藥、農(nóng)藥、特種材料以及精細(xì)化工產(chǎn)品及中間體的合成中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。該技術(shù)中的“微通道反應(yīng)器”是微反應(yīng)器、微混合器、微換熱器、微控制器等微通道化工設(shè)備的通稱。微反應(yīng)器從本質(zhì)上講是一種連續(xù)流動(dòng)的管道式反應(yīng)器，反應(yīng)器中的微通道利用精密加工工藝制造而成，特征尺寸通常在10 ～ 1 000 μm 之間。由于微反應(yīng)器內(nèi)工藝流體的通道尺寸非常小，相對(duì)于常規(guī)管式反應(yīng)器而言，其比表面積體積比非常大（可達(dá)10 000 ～ 50 000 m2/ m3），因此微反應(yīng)器具有極高的混合效率（毫秒級(jí)范圍實(shí)現(xiàn)徑向完全混合）、極強(qiáng)的換熱能力（傳熱系數(shù)可達(dá)25 000 W/ （m2·K））和極窄的停留時(shí)間分布（幾乎無(wú)返混，基本接近平推流）?！拔⒎磻?yīng)器”的兩大特征——比表面積大及連續(xù)操作方式，使得對(duì)反應(yīng)工藝的精確控制成為可能。因此，相對(duì)于傳統(tǒng)的間歇反應(yīng)工藝，微反應(yīng)器具有高速混合、高效傳熱、反應(yīng)物停留時(shí)間的窄分布、重復(fù)性好、系統(tǒng)響應(yīng)迅速而便于操控、幾乎無(wú)放大效應(yīng)以及在線的化學(xué)品量少，從而達(dá)到的高安全性能等優(yōu)勢(shì)。

近幾年國(guó)家出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)扶持微反應(yīng)技術(shù)的政策：例如2017 年工信部發(fā)布《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南（2017 年）》，石化聯(lián)合會(huì)連續(xù)兩年發(fā)布的《石化綠色工藝名錄（2018 年版）》、《石化綠色工藝名錄（2019 年版）》等都提到了微通道反應(yīng)技術(shù)，同時(shí)微反應(yīng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)也入選2019 年全球工程開(kāi)發(fā)前沿。近一年來(lái)，微通道反應(yīng)技術(shù)在科研開(kāi)發(fā)及應(yīng)用上也取得了一系列的成就：例如某公司的“新型（微通道）高效緊湊型焊接式熱交換器”通過(guò)出廠技術(shù)鑒定；某公司單臺(tái)年通量生產(chǎn)能力萬(wàn)噸級(jí)的反應(yīng)器工業(yè)化成功應(yīng)用等。因此，隨著未來(lái)石油化工生產(chǎn)對(duì)于節(jié)能、環(huán)保、綠色以及生產(chǎn)本質(zhì)安全的要求將越來(lái)越高，微通道反應(yīng)技術(shù)將會(huì)是21 世紀(jì)一項(xiàng)顛覆性技術(shù)。微反應(yīng)器技術(shù)不再局限于需求量小的化學(xué)品的生產(chǎn)，而且可以擴(kuò)大到幾萬(wàn)噸甚至幾十萬(wàn)噸的基本化學(xué)品的生產(chǎn)，它將改變傳統(tǒng)化學(xué)化工的研發(fā)和生產(chǎn)方式。

（2）壓力容器及其承壓件增材制造的廣泛應(yīng)用

增材制造（Additive Manufacturing，AM）俗稱3D 打印，融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工與成型技術(shù)、以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的金屬材料、非金屬材料及醫(yī)用生物材料，按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實(shí)體物品的制造技術(shù)。該技術(shù)誕生于20 世紀(jì)80 年代的美國(guó)，經(jīng)過(guò)40 年的發(fā)展，特別是近20 年來(lái)，AM 技術(shù)得到了快速的發(fā)展：經(jīng)歷了從萌芽到產(chǎn)業(yè)化、從原型展示到零件直接制造的過(guò)程，發(fā)展十分迅速，已經(jīng)在航空航天、核電、醫(yī)療器材、新材料等領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用[8]。

在壓力容器領(lǐng)域，與壓力容器傳統(tǒng)的“去材法”或“變形法”制造理念（即先按設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)適當(dāng)留出余量，再通過(guò)切削磨銑或鍛壓沖延來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品）不同，金屬增材制造技術(shù)是運(yùn)用“增材法”制造理念，通過(guò)分層實(shí)體造形，逐層堆積金屬微粒子，快速制成所需產(chǎn)品，并使產(chǎn)品的材料性能可逐層滿足加載后的強(qiáng)度、剛度和其他要求。近年來(lái)，金屬增材制造技術(shù)在壓力容器制造領(lǐng)域也取得了一些進(jìn)展：例如，2016 年我國(guó)首次采用3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了核反應(yīng)堆壓力容器試件的制造并通過(guò)技術(shù)鑒定。據(jù)報(bào)道，依托此技術(shù)成果，國(guó)內(nèi)某大型核電公司未來(lái)將采用3D 增材打印技術(shù)來(lái)制造某些小型反應(yīng)堆的關(guān)鍵設(shè)備，這些設(shè)備包括壓力容器和主蒸汽超級(jí)管道等。國(guó)外如巴斯夫公司3D 打印了第一個(gè)通過(guò)歐洲壓力設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)（2014/68/EU）的高壓反應(yīng)釜，該設(shè)備由奧氏體不銹鋼制成（工作壓力= 22.5 MPa）；英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用Wire+Arc 增材制造工藝成功建造了第一個(gè)全尺寸鈦壓力容器原型，用于未來(lái)的太空探索載人任務(wù)。圖3 為3D 打印壓力容器的實(shí)例。

圖3 3D 打印壓力容器Fig.3 Additive Manufacturing Pressure Vessels

雖然增材制造技術(shù)目前還未在石油化工壓力容器制造領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣，但隨著現(xiàn)代制造領(lǐng)域數(shù)字化信息和控制技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、材料技術(shù)等的不斷進(jìn)步，壓力容器及其承壓件增材制造技術(shù)將以其具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，滿足非標(biāo)壓力容器未來(lái)輕量化制造、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件成型、快速按需定制、高效和高質(zhì)量生產(chǎn)的需求?？梢灶A(yù)見(jiàn)未來(lái)該技術(shù)將在壓力容器制造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和推廣。這一技術(shù)的推廣，不但對(duì)傳統(tǒng)的壓力容器制造技術(shù)（如焊接、無(wú)損檢測(cè)、熱處理等）產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響和促進(jìn)作用，還將帶來(lái)壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)的改變和革新。

（3）新型的焊接技術(shù)及檢測(cè)自動(dòng)化&智能化的應(yīng)用

焊接技術(shù)是壓力容器制造過(guò)程中最為關(guān)鍵的技術(shù)，它對(duì)于提高壓力容器產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)效率，降低壓力容器產(chǎn)品的人工成本起著至關(guān)重要的作用。因此，未來(lái)壓力容器制造過(guò)程中應(yīng)用新型的焊接及檢測(cè)技術(shù)將會(huì)是大趨勢(shì)。例如摩擦焊接技術(shù)、激光復(fù)合焊接技術(shù)、全位置焊接機(jī)器人等先進(jìn)的焊接技術(shù)在壓力容器制造中的廣泛采用。同時(shí)，為了滿足各種不同類型，不同結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)壓力容器焊縫無(wú)損檢測(cè)的需求，超聲相控陣技術(shù)、非接觸超聲技術(shù)、超聲導(dǎo)波技術(shù)、射線成像技術(shù)和機(jī)器人輔助檢測(cè)技術(shù)等將得到廣泛研究和應(yīng)用[9]。表2 列出了幾種已開(kāi)始在壓力容器中得到應(yīng)用的新型焊接及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

表2 壓力容器焊接檢測(cè)新技術(shù)Table 2 The new welding and NDE for pressure vessels

5 結(jié)束語(yǔ)

基于當(dāng)前及未來(lái)新技術(shù)如大數(shù)據(jù)、人工智能等的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)的考慮，筆者對(duì)我國(guó)壓力容器行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系、材料、設(shè)計(jì)方法及手段以及制造檢驗(yàn)技術(shù)等未來(lái)的發(fā)展及趨勢(shì)談了一些個(gè)人的想法和理解，旨在引起行業(yè)內(nèi)工程技術(shù)人員的共鳴、交流甚至討論，同時(shí)在工作中能夠主動(dòng)作為，勇于創(chuàng)新，從而為我國(guó)壓力容器行業(yè)未來(lái)的高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展做出貢 獻(xiàn)。