“大國(guó)重器”有了精準(zhǔn)“熱合術(shù)”——記山東省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)超大直徑/超大壁厚壓力容器局部熱處理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用
文章來(lái)源：中國(guó)化工報(bào) 更新時(shí)間：2024-09-03 16:08:39
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近日，山東省科學(xué)技術(shù)廳印發(fā)2023年度山東省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)名單，共282個(gè)項(xiàng)目(人選)獲獎(jiǎng)。多項(xiàng)石油和化工行業(yè)的技術(shù)成果位列其中。今日起推出《2023山東科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)成果展示》系列報(bào)道，遴選部分突出的科技成果進(jìn)行展示，與讀者共饗。
今年4月，中國(guó)一重公司研制的3000噸級(jí)漿態(tài)床鍛焊加氫反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)批量交付。這臺(tái)反應(yīng)器重達(dá)3037噸，總體長(zhǎng)度為70.7米，外徑為6.15米，壁厚為0.32米，是目前全球單體重量最大的鍛焊加氫反應(yīng)器。這一國(guó)之重器再次刷新了世界鍛焊加氫反應(yīng)器的極限制造紀(jì)錄，也標(biāo)志著我國(guó)在超大噸位石化裝備制造技術(shù)領(lǐng)域繼續(xù)領(lǐng)跑國(guó)際先進(jìn)水平。而打破制造瓶頸的局部熱處理技術(shù)就來(lái)自中國(guó)石油大學(xué)(華東)蔣文春教授團(tuán)隊(duì)牽頭完成的超大直徑/超大壁厚壓力容器局部熱處理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用。近日，該項(xiàng)目獲得山東省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
瞄準(zhǔn)世界難題“瓶頸點(diǎn)”
近十年，壓力容器作為支撐石化、核電等能源工業(yè)的關(guān)鍵裝備，逐漸向超大直徑、超大壁厚等極端尺寸發(fā)展。
超級(jí)加氫反應(yīng)器是一種應(yīng)用于石化行業(yè)的重型利器，是石化工藝制作過(guò)程中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。由于巨大的體積和復(fù)雜的制造工藝要求，超級(jí)加氫反應(yīng)器長(zhǎng)久以來(lái)都是重型裝備制造領(lǐng)域的難題之一。我國(guó)在重型裝備制造業(yè)也一直面臨著技術(shù)引進(jìn)的行業(yè)壁壘，嚴(yán)重阻礙我國(guó)重型裝備制造業(yè)發(fā)展。
蔣文春說(shuō)，大型壓力容器因壁厚、直徑大、拘束強(qiáng)，產(chǎn)生更大焊接殘余應(yīng)力，而其體積大無(wú)法整體熱處理，只能局部熱處理。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有局部熱處理技術(shù)均無(wú)法適應(yīng)大型化的需求，難以有效消除殘余應(yīng)力，極易引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂、泄漏，甚至爆炸事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，石化行業(yè)應(yīng)力腐蝕開裂占整個(gè)腐蝕失效的40%，每年損失數(shù)百億元。
如何通過(guò)局部熱處理精準(zhǔn)調(diào)控殘余應(yīng)力是制約大型壓力容器本質(zhì)安全及高質(zhì)量制造的世界難題，需要突破的瓶頸有以下幾方面。一是缺乏精準(zhǔn)高效的焊接熱處理殘余應(yīng)力計(jì)算理論；二是缺乏可靠的殘余應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損測(cè)試方法來(lái)評(píng)價(jià)局部熱處理效果；三是缺乏溫度—應(yīng)力—變形協(xié)同調(diào)控技術(shù)來(lái)有效降低殘余應(yīng)力。
針對(duì)三道“卡脖子”瓶頸，蔣文春教授團(tuán)隊(duì)依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)等項(xiàng)目，經(jīng)十余年潛心研發(fā)，取得了大型壓力容器局部熱處理技術(shù)的重大突破，并成功應(yīng)用于3000噸超級(jí)加氫反應(yīng)器制造中。
突破熱處理術(shù)“創(chuàng)新點(diǎn)”
蔣文春教授團(tuán)隊(duì)形成的“計(jì)算理論—測(cè)試評(píng)價(jià)—調(diào)控制造”的大型壓力容器局部熱處理技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)和裝備的自主研發(fā)，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用考核表明，核心指標(biāo)均超國(guó)際同類技術(shù)。該體系創(chuàng)新點(diǎn)表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。
第一，開發(fā)焊接及熱處理殘余應(yīng)力高精度高效率計(jì)算理論模型，揭示了局部熱處理過(guò)程應(yīng)力/變形演變機(jī)制，解決了調(diào)控沒(méi)有理論依據(jù)的難題；提出耦合“穩(wěn)態(tài)傳熱—固態(tài)相變”的殘余應(yīng)力精準(zhǔn)計(jì)算模型，建立了基于面內(nèi)集成熱源的穩(wěn)態(tài)高效計(jì)算方法。相比傳統(tǒng)熱力耦合瞬態(tài)計(jì)算方法，該體系殘余應(yīng)力計(jì)算精度提高 30%，計(jì)算效率提高60%。
第二，首創(chuàng)焊接殘余應(yīng)力壓入能量差法測(cè)試?yán)碚摵头椒ǎ邪l(fā)了便攜式現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試裝備，解決了熱處理調(diào)控效果無(wú)評(píng)價(jià)依據(jù)的難題；提出了異形壓頭正交兩次壓入測(cè)試?yán)碚撃Ｐ停l(fā)明了毫微尺度壓入曲線精準(zhǔn)測(cè)試方法及便攜式測(cè)試裝備，壓入載荷分辨率 0.1牛、壓入深度分辨率0.1納米、主機(jī)高300毫米、重3千克，實(shí)現(xiàn)了雙向焊接殘余應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損測(cè)試“0到1”的突破。
第三，首創(chuàng)主副加熱局部焊后熱處理技術(shù)，解決了局部熱處理溫度不均勻、應(yīng)力難消除的國(guó)際難題；提出分布式熱源局部熱處理新方法，建立主副加熱設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，發(fā)明電磁感應(yīng)加熱步進(jìn)式控溫新方法，研制了厚壁設(shè)備電磁感應(yīng)加熱成套裝備，處理壁厚突破352毫米，均溫區(qū)溫差控制在±10℃，殘余應(yīng)力降低70%以上，比現(xiàn)有局部熱處理方法提高40%。
打造國(guó)之重器“支撐點(diǎn)”
經(jīng)專家鑒定，這一大型壓力容器局部熱處理技術(shù)體系，整體國(guó)際先進(jìn)，計(jì)算和測(cè)試達(dá)國(guó)際領(lǐng)先。該成果制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)各1項(xiàng)，獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利 28件、美國(guó)發(fā)明專利3件，出版專著4部，登記軟件著作權(quán)17件，發(fā)表SCI論文94篇。
該鍛焊加氫反應(yīng)器的問(wèn)世，標(biāo)志著我國(guó)在石油加工領(lǐng)域取得了重大突破，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白，為我國(guó)石油工業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。目前，該技術(shù)除已成功應(yīng)用于首臺(tái)3000噸超級(jí)漿態(tài)床加氫反應(yīng)器外，還助力于全球最大2000噸級(jí)煤直接液化反應(yīng)器、“玲龍一號(hào)”核反應(yīng)堆壓力容器等核電、石化產(chǎn)業(yè)的“國(guó)之重器”；為中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司1000萬(wàn)噸大煉油、中國(guó)石化齊魯分公司煉化一體化項(xiàng)目等的千余臺(tái)大型反應(yīng)器、塔器、換熱器，提供了高可靠制造與服役技術(shù)保障，并支撐建成全國(guó)多個(gè)千萬(wàn)噸級(jí)煉油項(xiàng)目和多個(gè)百萬(wàn)千瓦核電站，保障了國(guó)家能源安全，對(duì)推動(dòng)國(guó)家重大能源戰(zhàn)略的實(shí)施起到了關(guān)鍵的推動(dòng)作用。
蔣文春說(shuō)，該技術(shù)還支撐“國(guó)和一號(hào)”鋼制安全殼、全球最大2400噸沸騰床加氫反應(yīng)器等大型容器制造，產(chǎn)品最大直徑、壁厚分別突破43米、352毫米，產(chǎn)品出口美國(guó)及新加坡、伊朗等國(guó)家。
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