[01374730]基于应力与组织协调调控的大型化工装备设计与制造

随着世界能源与环境问题的加剧,现代石油化工、能源工业向高温高压、大型化发展。传热与反应是提高能源效率的关键过程,因此亟需发展大型、紧凑高效的换热和反应装备。除传统石化以外,此类装备也是《中国制造2025-能源装备实施方案》中高温气冷堆、熔盐堆、燃气轮机、光热发电、煤炭深加工技术领域需要突破的关键设备。在高温高压极端环境下,由于缺乏强度设计理论和规范的支撑,加之焊接技术问题的复杂性,导致我国设计、制造与运行保障能力普遍落后于发达国家,事故率居高不下,核心装备长期依赖进口。 在高温高压极端环境下,大型石化与能源装备制造技术的创新,借助经典强度理论已难以满足需求,需要发展基于寿命的精准设计制造。主要科学难题体现在：（1）高温蠕变强度设计理论亟需突破;（2）焊接制造可靠性亟需提升;针对上述两个难题,围绕大型化工装备设计与制造不断深化研究。以大型板翅式换热器、大型反应器（百万吨乙烯关键装备）为重点研究对象,在设计和制造两个方面取得突破：建立了等效均匀化高温蠕变强度设计理论,发明了基于残余应力调控的低应力制造技术,并实现工业化应用。主要成绩如下： 1、提出了板翅结构的等效强度模型,首次导出等效热物性参数、力学性能参数、蠕变速率和寿命预测一系列计算公式,揭示了强度与寿命的主控因素,建立了等效均匀化高温蠕变强度设计理论,为工程设计提供理论依据。以上成果在Int J Mech Sci、Int J PVP、Compos Struct等期刊发表SCI论文15篇,申请国际专利1项[PCT/CN2017/101922]、获授权发明专利6项,作为主要支撑材料,获得中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖。 2、建立了扩散-相变-蠕变-热弹塑性耦合的残余应力计算模型,发明了厚板深部残余应力中子衍射测试技术以及基于残余应力调控的焊接制造工艺,解决了抗残余应力开裂制造准则缺失的难题。利用上述设计理论和钎焊工艺,发明制造的换热器[发明专ZL2011103091 35.2] ,耐温达600 °C,耐压达7MPa,解决了板式换热器不耐高温和高压的问题,已应用在高温余热回收和国防装备领域[见应用证明]。基于残余应力调控技术制造的微重力高温紧凑换热器,成功应用于载人航天工程环控生保系统,实现减重7倍!同时在上述理论模型与试验验证的基础上,建立了EO反应器超厚管板焊接残余应力广义平面应变热弹塑性有限元模型,揭示了配重、翻转次数对残余应力与热变形的影响规律,解决了EO反应器超大管板焊接变形控制难题,实现残余应力削减50%,热变形降低80%,管板不平度指标优于国外水平,打破美日垄断,为实现国产化做出了贡献,创造经济效益19.3亿元[见应用证明],已在扬子石化安全运行六年,间接经济效益显著。对大型石化装备PTA（精对苯二甲酸）压滤机的制造用钢SAF2205奥氏体-铁素体双相不锈钢微观残余应力分布进行研究,根据研究成果,提出通过改变焊接工艺控制双相不锈钢扩散性相变从而降低压滤机焊接残余应力的方法,从而免除焊后热处理、提高制造效率。以上成果在Int J PVP、J PVT、Mat Sci Eng A、J Power Sources等期刊发表论文25篇,申请国际专利1项[PCT/CN2018/072536],获发明专利8项。上述产品在石油化工企业得到广泛的推广使用,产生了巨大的经济效益。