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历时13年，浙大成果纳入新国标！

浙江大学 · 公众号 · 大学校园 · 2024-10-06 09:35

正文

圆筒和封头是压力容器重要的基础件。无论是食品领域常见的啤酒发酵罐、能源领域的石油及油品储罐、石化领域的加氢反应器、核电领域的钢制安全壳，还是航天领域的火箭液氢/氧贮箱等高端装备，圆筒和封头都在其中发挥了至关重要的作用。

如何设计圆筒和封头，使其既安全，又能节约材料，是压力容器界持续关注的重要命题。浙江大学能源工程学院郑津洋院士、陈志平教授团队历时13年科研攻关，自主提出轴压圆筒屈曲设计方法、内压椭圆/碟形封头设计方法，在保证安全的情况下，降低制造成本。方法纳入近期发布的两项国家标准，为压力容器行业标准化贡献了浙大力量。

攻坚克难，自主研发新方法

圆筒、椭圆/碟形封头应用非常广泛，其设计方法迭代最早可追溯到二十世纪初的美国机械工程师协会（ASME）锅炉压力容器规范。近百年来，中外学者对轴压圆筒、内压椭圆/碟形封头的失效问题持续开展研究，提出了多种设计方法。但这些方法均基于弹性理论或理想弹塑性理论，存在失效预测精度低与设计计算复杂、冗余大等问题。

过去，我国轴压圆筒、内压椭圆/碟形封头设计长期采用ASME的方法，自主研发周期长、成本高、难度大。

一方面，试验所需的工装需要花费较长的时间进行定制。尤其是针对大尺寸工装的试验，常常需要十分漫长的准备时间。另一方面，压力容器失效试验往往都是一次性的，爆破失效后的试验件无法重复使用。为了确保试验数据真实、有效，每一次试验前都需要作充分细致的准备，稍有差错就可能功亏一篑。郑津洋说：“做科研就是要面向国家重大需求，同时与产业界密切配合，透过表象持续向下挖掘。为此，哪怕要坐长时间的‘冷板凳’，我们也必须迎难而上。”

针对先前设计方法的不足，团队创新性地采用弹塑性理论，对轴压圆筒屈曲和内压椭圆/碟形封头失效全过程进行了系统深入的理论分析。同时，基于理论研究结果，团队同步开展了100多次工业规模轴压圆筒屈曲和内压椭圆/碟形封头失效全过程破坏性试验。试验装置的最大直径达5000mm，能最大限度地模拟工业生产的实际情况。

“只有将理论与实践相结合，通过深入的理论分析和充分的技术实证，才能确保新方法安全、有效，进而实实在在地解决产业界面临的实际问题。”团队成员、能源工程学院特聘副研究员李克明说。历经13年的理论分析与实践数据反复验证，团队成功探明了轴压圆筒屈曲、内压椭圆/碟形封头屈曲和塑性垮塌的失效机制与规律，提出了区别于传统设计的新方法，结束了我国轴压圆筒屈曲、内压椭圆/碟形封头设计长期采用美国ASME方法的历史。

为新标准贡献浙大智慧

国家标准是行业发展、产品升级的重要牵引，在各行各业发挥着“牵一发而动全身”的作用。国家标准的迭代对于提升我国压力容器设计技术水平，保障人民生命财产安全具有重要意义。“我一直跟我们的团队成员强调，追求‘落地’应是我们做工程科学研究的最终目标，对此，我有三个严格的标准：技术成果标准化、科技成果产品化、解决产业发展痛点。而国家标准就是科技成果最终落地的重要标志。”郑津洋说。

“我们希望能在保证安全的前提下，尽可能做到轻量化，实现安全效益和经济效益的双赢，”团队成员、能源工程学院副研究员焦鹏说，“相比传统设计方法，我们团队提出的基于失效模式的弹塑性设计新方法具备众多优势。”

据介绍，新方法物理意义清晰，使用简便，提供了更高的预测精度，且能够帮助企业在保障安全的前提下降低制造成本。如在内压椭圆/碟形封头的设计中，新方法考虑了材料应变硬化和封头球化增强，在确保安全的前提下可减小封头壁厚，符合安全与资源节约并重的设计理念。

当谈及这一重要成果，郑津洋最先脱口而出的词语是“感谢”。“我非常感谢浙大提供的这个平台，非常感谢产业界的众多企业提供的帮助。团队的力量至关重要，许多工程试验研究非常复杂，只有依靠相互协同，将各种资源、要素聚集起来形成合力，才有可能真正破解难题。”

“虽然这是一个传统行业，但还有很多问题亟待解决。坚持问题导向，脚踏实地地找到真问题、解决真问题、真解决问题，用可落地的成果为我们国家乃至人类社会做出更大的贡献，应是我们工科人矢志不渝的努力方向。”郑津洋说。

文字记者：章舒帆

部分内容与图片由被访者及能源工程学院提供

今日编辑：浙江大学融媒体中心学生记者团鞠欣呈

责任编辑：章舒帆周亦颖

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