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“大国重器”有了精准“热合术”——记山东省科技进步一等奖超大直径/超大壁厚压力容器局部热处理关键技术及应用

文章来源：中国化工报更新时间：2024-09-03 16:08:39

近日，山东省科学技术厅印发2023年度山东省科学技术奖名单，共282个项目(人选)获奖。多项石油和化工行业的技术成果位列其中。今日起推出《2023山东科学技术奖成果展示》系列报道，遴选部分突出的科技成果进行展示，与读者共飨。

　　今年4月，中国一重公司研制的3000吨级浆态床锻焊加氢反应器实现批量交付。这台反应器重达3037吨，总体长度为70.7米，外径为6.15米，壁厚为0.32米，是目前全球单体重量最大的锻焊加氢反应器。这一国之重器再次刷新了世界锻焊加氢反应器的极限制造纪录，也标志着我国在超大吨位石化装备制造技术领域继续领跑国际先进水平。而打破制造瓶颈的局部热处理技术就来自中国石油大学(华东)蒋文春教授团队牵头完成的超大直径/超大壁厚压力容器局部热处理关键技术及应用。近日，该项目获得山东省科技进步一等奖。

　　瞄准世界难题“瓶颈点”

　　近十年，压力容器作为支撑石化、核电等能源工业的关键装备，逐渐向超大直径、超大壁厚等极端尺寸发展。

　　超级加氢反应器是一种应用于石化行业的重型利器，是石化工艺制作过程中必不可少的关键设备。由于巨大的体积和复杂的制造工艺要求，超级加氢反应器长久以来都是重型装备制造领域的难题之一。我国在重型装备制造业也一直面临着技术引进的行业壁垒，严重阻碍我国重型装备制造业发展。

　　蒋文春说，大型压力容器因壁厚、直径大、拘束强，产生更大焊接残余应力，而其体积大无法整体热处理，只能局部热处理。国内外现有局部热处理技术均无法适应大型化的需求，难以有效消除残余应力，极易引发应力腐蚀开裂、泄漏，甚至爆炸事故。据统计，石化行业应力腐蚀开裂占整个腐蚀失效的40%，每年损失数百亿元。

　　如何通过局部热处理精准调控残余应力是制约大型压力容器本质安全及高质量制造的世界难题，需要突破的瓶颈有以下几方面。一是缺乏精准高效的焊接热处理残余应力计算理论；二是缺乏可靠的残余应力现场无损测试方法来评价局部热处理效果；三是缺乏温度—应力—变形协同调控技术来有效降低残余应力。

　　针对三道“卡脖子”瓶颈，蒋文春教授团队依托国家重点研发等项目，经十余年潜心研发，取得了大型压力容器局部热处理技术的重大突破，并成功应用于3000吨超级加氢反应器制造中。

　　突破热处理术“创新点”

　　蒋文春教授团队形成的“计算理论—测试评价—调控制造”的大型压力容器局部热处理技术体系，实现了技术和装备的自主研发，经实际应用考核表明，核心指标均超国际同类技术。该体系创新点表现为以下几点。

　　第一，开发焊接及热处理残余应力高精度高效率计算理论模型，揭示了局部热处理过程应力/变形演变机制，解决了调控没有理论依据的难题；提出耦合“稳态传热—固态相变”的残余应力精准计算模型，建立了基于面内集成热源的稳态高效计算方法。相比传统热力耦合瞬态计算方法，该体系残余应力计算精度提高 30%，计算效率提高60%。

　　第二，首创焊接残余应力压入能量差法测试理论和方法，研发了便携式现场测试装备，解决了热处理调控效果无评价依据的难题；提出了异形压头正交两次压入测试理论模型，发明了毫微尺度压入曲线精准测试方法及便携式测试装备，压入载荷分辨率 0.1牛、压入深度分辨率0.1纳米、主机高300毫米、重3千克，实现了双向焊接残余应力现场无损测试“0到1”的突破。

　　第三，首创主副加热局部焊后热处理技术，解决了局部热处理温度不均匀、应力难消除的国际难题；提出分布式热源局部热处理新方法，建立主副加热设计准则，发明电磁感应加热步进式控温新方法，研制了厚壁设备电磁感应加热成套装备，处理壁厚突破352毫米，均温区温差控制在±10℃，残余应力降低70%以上，比现有局部热处理方法提高40%。

　　打造国之重器“支撑点”

　　经专家鉴定，这一大型压力容器局部热处理技术体系，整体国际先进，计算和测试达国际领先。该成果制定国家标准和团体标准各1项，获授权中国发明专利 28件、美国发明专利3件，出版专著4部，登记软件著作权17件，发表SCI论文94篇。

　　该锻焊加氢反应器的问世，标志着我国在石油加工领域取得了重大突破，填补了国内技术空白，为我国石油工业的发展注入了新的活力。目前，该技术除已成功应用于首台3000吨超级浆态床加氢反应器外，还助力于全球最大2000吨级煤直接液化反应器、“玲龙一号”核反应堆压力容器等核电、石化产业的“国之重器”；为中国石化青岛炼油化工有限责任公司1000万吨大炼油、中国石化齐鲁分公司炼化一体化项目等的千余台大型反应器、塔器、换热器，提供了高可靠制造与服役技术保障，并支撑建成全国多个千万吨级炼油项目和多个百万千瓦核电站，保障了国家能源安全，对推动国家重大能源战略的实施起到了关键的推动作用。

　　蒋文春说，该技术还支撑“国和一号”钢制安全壳、全球最大2400吨沸腾床加氢反应器等大型容器制造，产品最大直径、壁厚分别突破43米、352毫米，产品出口美国及新加坡、伊朗等国家。

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