移动式承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究.doc

移动式承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究 刘三江 陈祖志 汪兵 顾超华 黄强华 薄柯 中国特种设备检测研究院 合肥通用机械研究院 浙江大学 摘 要： 移动式承压类特种设备的风险防控与治理事关公共安全和社会经济发展, 为了满足氢能、天然气等新型能源的安全高效储运以及节能环保的综合要求, 移动式承压类特种设备朝极端化、轻量化、复杂化趋势发展, 这对该领域提出了重大技术需求, 特别是复合材料、复杂结构、复杂载荷设备的损伤与失效模式识别, 轻量化、超低温绝热等新型设备的设计、制造, 高效检测, 动态风险监测、评估、预警与应急方面, 有一系列技术问题急需进行系统深入研究由中国特种设备检测研究院牵头, 全国 30 家单位联合申报了“十三五”国家重点研发计划“公共安全风险防控与应急技术装备”专项项目“移动式承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究”并获得立项介绍该项目的研究目标、研究方案、拟解决的关键技术、主要研究内容及预期成果与效益等主要内容关键词： 移动式承压类特种设备; 风险防控与治理; 风险识别; 本质安全; 高效检测; 动态风险监管; 作者简介：刘三江 (1974—) , 男, 副院长, 主要从事特种设备安全管理及标准化工作, 通信地址:100013 北京市朝阳区和平街西苑 2 号 B206, E-mail:liusanjiang@。

收稿日期：2017-08-15基金：国家重点研发计划“移动式承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究”专项基金 (2017YFC0805600) Research on the Key Technologies of Risk Control and Management of Transportable Pressure Special EquipmentLIU San-jiang CHEN Zu-zhi WANG Bing GU Chao-hua HUANG Qiang-hua BO Ke China Special Equipment Inspection and Research Institute; Hefei General Machinery Research Institute; Zhejiang University; Abstract： The risk control and management of transportable pressure special equipment are closely related to public safety and social economic development.In order to meet requirements of the safe, efficient storage and transportation of new types of energy resources such as natural gas and hydrogen, energy-saving and environmental protection, transportable pressure special equipment trends toward extremity, lightweight and complication.There are series of scientific and technical problems, especially in terms of damage and failure modes identification, construction of new equipment such as lightweight equipment and super cryogenic insulation equipment, and dynamic risk monitoring, assessment, warning and emergency.The objective, scheme design, research contents, basic theory and key technology, technical route, expected results, desired economic and social benefits of the National Key R&D Program of China“Research on the Key Technologies of Risk Control and Management of Transportable Pressure Special Equipment”were introduced.Keyword： transportable pressure special equipment; risk control and management; risk identification; intrinsic safety; highly efficient testing; dynamic risk supervision; Received： 2017-08-150 引言移动式承压类特种设备包括移动式压力容器和气瓶, 主要用于储运天然气、氢气、氮气、氧气和液化石油气等燃料或原料, 是国民经济发展重要的基础装备和生活基础设施, 广泛应用于工业、交通、能源、居民生活等领域。

目前, 我国移动式承压类特种设备产能和保有量均居世界第一, 根据有关统计, 截至2015 年底, 我国有移动式承压类特种设备近 1.4 亿只, 生产企业近 150 家, 充装单位 2 万余家, 相关从业人员近百万人, 经济总量近万亿元[1]移动式承压类特种设备一般装载在交通运输工具上, 移动性强, 不确定性大, 引发安全事故的外部因素多, 发生事故的可能性较大;且多用于储运天然气、氢气等易燃、易爆或有毒的危险性介质, 一旦发生事故将威胁公共安全, 后果严重据官方统计, 2013~2015 年, 我国共发生移动式承压类特种设备事故 98 起[1-3], 其中有多起重特大事故随着国家一系列新能源及节能减排政策的陆续发布和实施, 移动式承压类特种设备呈现轻量化、极端化、复杂化的发展趋势轻量化可降低设备容重比, 提高运输效率, 对节能降耗意义重大, 目前, 国内外均在积极研究推广轻量化建造技术, 如低温罐车内容器应变强化、金属材料高强化、采用纤维缠绕复合材料等氢能源和天然气具有清洁环保等优势, 目前国内外均在大力推广应用, 需要以超高压、超低温、大容积的极端化方式储运, 相应对储运设备提出了新要求。

70 MPa 氢气瓶和工作温度低达-253℃的液氢气瓶、罐式集装箱在国外已成功应用[4-5], 压缩天然气 (Compressed Nature Gas, CNG) 长管拖车的容积在我国最大已达 26 m、低温罐车容积最大已达 56 m、液化天然气 (Liquefied Natural Gas, LNG) 气瓶容积最大已达 1000 L[6-10]为了满足轻量化、极端化要求, 设备结构也不断复杂化, 如低温罐车、塑料内胆纤维缠绕气瓶的应用, 使移动式承压类特种设备由单层发展到多层、由连续性结构发展到非连续结构设备的应用场合越来越广, 承受的载荷也越来越复杂, 如汽车罐车、车载 LNG气瓶除承受内压载荷外, 还承受移动 (行驶、搬运) 过程中的振动、冲击、惯性力 (加减速、转弯) 等载荷作用结构和载荷的复杂化, 也使得设备的损伤和失效模式随之复杂化轻量化、极端化、复杂化给移动式承压类特种设备带来更大风险, 为了降低风险、保障安全, 必须研究相应的风险防控与治理技术在移动式承压类特种设备产品研发及法规标准体系建设方面, 美欧国家一直走在世界前列, 我国长期处于跟跑状态, 对于车载 CNG 气瓶、长管拖车、低温罐车等产品, 我国虽然有丰富的应用经验, 但部分核心技术尚未掌握, 对于塑料内胆纤维缠绕气瓶、液氢气瓶和液氢罐式集装箱等当前热点产品, 我国还处于空白。

在移动式承压类特种设备的高效检验检测、动态风险监测评估预警、完整性管理等方面, 全世界都处于起步探索阶段我国对移动式承压类特种设备研究投入相对较少, 少量研究主要集中在制造企业的产品开发, 相关专业科研机构、大专院校只进行了一些零散的研究, 国家重大科技攻关项目也没有专门针对移动式承压类特种设备立项进行系统研究移动式承压类特种设备一系列重大科技问题亟待研究基础研究方面, 对复合材料损伤表征及演化规律、动态风险计算方法的研究较为匮乏, 对低温罐车复杂载荷作用机制、低温绝热系统、安全防护模型等方面的研究不够深入;设计制造技术方面, 对轻量化风险防控技术以及塑料内胆纤维缠绕气瓶、液氢气瓶及液氢罐箱等新产品的设计制造技术的研究十分缺乏;检验检测技术方面, 现有检测技术的效率较低, 不适应市场需求, 急需开发高效检测及监测技术;安全监管方面, 我国正在构建基于风险的监管体系, 但缺少动态风险监管的有效技术手段基于上述移动式承压类特种设备行业技术进步和产业发展的迫切需求, 并为了保障人民生命财产安全, 国家安排科研项目, 针对移动式承压类特种设备全生命周期、全链条环节, 进行系统的、全面的科技攻关, 是十分必要和迫切的。

中国特种设备检测研究院联合合肥通用机械研究院、浙江大学等 29 家单位, 共同申报了“十三五”国家重点研发计划“公共安全风险防控与应急技术装备”专项项目“移动式承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究”, 并获得立项, 专门研究解决上述移动式承压类特种设备领域当前面临的风险防控与治理的重大科学问题和关键技术1 总体目标该项目针对移动式承压类特种设备存在理论基础薄弱、设计制造技术相对落后、检验检测效率低下、风险监管技术手段缺乏等问题而提出, 从设计、制造、检验、使用、监管等环节出发, 进行基础理论和共性关键技术问题研究, 解决复杂载荷作用下低温罐车、复合材料气瓶、低温绝热系统、安全防护系统及部件的损伤、失效模式及其机理、影响因素等科学问题;攻克应变强化低温罐车等轻量化产品建造风险防控技术及塑料内胆纤维缠绕气瓶、液氢气瓶及液氢罐式集装箱等新型产品设计制造关键技术;突破典型移动式承压类特种设备高效检测技术及动态风险监测、评估、预警与应急技术通过项目的实施, 进一步完善移动式承压类特种设备基础理论体系, 提升我国移动式承压类特种设备产品安全质量及设计制造和安全监管能力项目完成后可获得一系列的新方法、新技术、新工艺, 并开发出配套的软、硬件系统, 同时制修订相应的法规标准, 成果可以直接应用于移动式承压类特种设备建造、检验检测、使用维护、安全监管, 推动产业发展和技术进步;同时, 该项目将实现低温罐车等典型产品轻量化及车载储氢装备的产品化, 在移动式承压类特种设备轻量化以及氢能源装备国产化方面取得突破, 为我国氢能产业发展及节能减排作出较大贡献。

2 研究思路及方案根据项目总体目标, 对项目进行了任务分解, 分为 5 个课题, 课题设置的逻辑关系如图 1 所示从横向上看, 5 个课题以移动式承压类特种设备为对象, 通过解决基础理论及 3 个阶段的关键技术问题并进行示范应用, 实现全生命周期风险防控与治理, 为移动式承压类特种设备安全保障提供技术体系支撑;从纵向上看, 5 个课题分别针对理论基础、建造阶段、服役阶段、安全监管阶段提出, 分别解决风险的识别问题、本质安全保障问题及风险的监测、评估、预警与应急问题, 最终实现的是风险的全生命周期的防控与治理图 1 项目课题设置逻辑关系 下载原图课题 1 是项目的基础课题, 解决的是风险识别的科学技术问题, 重点针对复合材料、复杂结构、承受复杂载荷的设备开展, 研究其损伤模式及典型损伤的机理、演化规律、影响因素、判别方法、失效特性以及。