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“大國重器”有了精準“熱合術”——記山東省科技進步一等獎超大直徑/超大壁厚壓力容器局部熱處理關鍵技術及應用

文章來源：中國化工報更新時間：2024-09-03 16:08:39

近日，山東省科學技術廳印發2023年度山東省科學技術獎名單，共282個項目(人選)獲獎。多項石油和化工行業的技術成果位列其中。今日起推出《2023山東科學技術獎成果展示》系列報道，遴選部分突出的科技成果進行展示，與讀者共饗。

　　今年4月，中國一重公司研制的3000噸級漿態床鍛焊加氫反應器實現批量交付。這臺反應器重達3037噸，總體長度為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器。這一國之重器再次刷新了世界鍛焊加氫反應器的極限制造紀錄，也標志著我國在超大噸位石化裝備制造技術領域繼續領跑國際先進水平。而打破制造瓶頸的局部熱處理技術就來自中國石油大學(華東)蔣文春教授團隊牽頭完成的超大直徑/超大壁厚壓力容器局部熱處理關鍵技術及應用。近日，該項目獲得山東省科技進步一等獎。

　　瞄準世界難題“瓶頸點”

　　近十年，壓力容器作為支撐石化、核電等能源工業的關鍵裝備，逐漸向超大直徑、超大壁厚等極端尺寸發展。

　　超級加氫反應器是一種應用于石化行業的重型利器，是石化工藝制作過程中必不可少的關鍵設備。由于巨大的體積和復雜的制造工藝要求，超級加氫反應器長久以來都是重型裝備制造領域的難題之一。我國在重型裝備制造業也一直面臨著技術引進的行業壁壘，嚴重阻礙我國重型裝備制造業發展。

　　蔣文春說，大型壓力容器因壁厚、直徑大、拘束強，產生更大焊接殘余應力，而其體積大無法整體熱處理，只能局部熱處理。國內外現有局部熱處理技術均無法適應大型化的需求，難以有效消除殘余應力，極易引發應力腐蝕開裂、泄漏，甚至爆炸事故。據統計，石化行業應力腐蝕開裂占整個腐蝕失效的40%，每年損失數百億元。

　　如何通過局部熱處理精準調控殘余應力是制約大型壓力容器本質安全及高質量制造的世界難題，需要突破的瓶頸有以下幾方面。一是缺乏精準高效的焊接熱處理殘余應力計算理論；二是缺乏可靠的殘余應力現場無損測試方法來評價局部熱處理效果；三是缺乏溫度—應力—變形協同調控技術來有效降低殘余應力。

　　針對三道“卡脖子”瓶頸，蔣文春教授團隊依托國家重點研發等項目，經十余年潛心研發，取得了大型壓力容器局部熱處理技術的重大突破，并成功應用于3000噸超級加氫反應器制造中。

　　突破熱處理術“創新點”

　　蔣文春教授團隊形成的“計算理論—測試評價—調控制造”的大型壓力容器局部熱處理技術體系，實現了技術和裝備的自主研發，經實際應用考核表明，核心指標均超國際同類技術。該體系創新點表現為以下幾點。

　　第一，開發焊接及熱處理殘余應力高精度高效率計算理論模型，揭示了局部熱處理過程應力/變形演變機制，解決了調控沒有理論依據的難題；提出耦合“穩態傳熱—固態相變”的殘余應力精準計算模型，建立了基于面內集成熱源的穩態高效計算方法。相比傳統熱力耦合瞬態計算方法，該體系殘余應力計算精度提高 30%，計算效率提高60%。

　　第二，首創焊接殘余應力壓入能量差法測試理論和方法，研發了便攜式現場測試裝備，解決了熱處理調控效果無評價依據的難題；提出了異形壓頭正交兩次壓入測試理論模型，發明了毫微尺度壓入曲線精準測試方法及便攜式測試裝備，壓入載荷分辨率 0.1牛、壓入深度分辨率0.1納米、主機高300毫米、重3千克，實現了雙向焊接殘余應力現場無損測試“0到1”的突破。

　　第三，首創主副加熱局部焊后熱處理技術，解決了局部熱處理溫度不均勻、應力難消除的國際難題；提出分布式熱源局部熱處理新方法，建立主副加熱設計準則，發明電磁感應加熱步進式控溫新方法，研制了厚壁設備電磁感應加熱成套裝備，處理壁厚突破352毫米，均溫區溫差控制在±10℃，殘余應力降低70%以上，比現有局部熱處理方法提高40%。

　　打造國之重器“支撐點”

　　經專家鑒定，這一大型壓力容器局部熱處理技術體系，整體國際先進，計算和測試達國際領先。該成果制定國家標準和團體標準各1項，獲授權中國發明專利 28件、美國發明專利3件，出版專著4部，登記軟件著作權17件，發表SCI論文94篇。

　　該鍛焊加氫反應器的問世，標志著我國在石油加工領域取得了重大突破，填補了國內技術空白，為我國石油工業的發展注入了新的活力。目前，該技術除已成功應用于首臺3000噸超級漿態床加氫反應器外，還助力于全球最大2000噸級煤直接液化反應器、“玲龍一號”核反應堆壓力容器等核電、石化產業的“國之重器”；為中國石化青島煉油化工有限責任公司1000萬噸大煉油、中國石化齊魯分公司煉化一體化項目等的千余臺大型反應器、塔器、換熱器，提供了高可靠制造與服役技術保障，并支撐建成全國多個千萬噸級煉油項目和多個百萬千瓦核電站，保障了國家能源安全，對推動國家重大能源戰略的實施起到了關鍵的推動作用。

　　蔣文春說，該技術還支撐“國和一號”鋼制安全殼、全球最大2400噸沸騰床加氫反應器等大型容器制造，產品最大直徑、壁厚分別突破43米、352毫米，產品出口美國及新加坡、伊朗等國家。

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