2023年ASME PVP會議簡介

苑宇童,施建峰,2,鄧貴德,劉應華,程光旭,陳學東,范志超,賈國棟,鄭津洋,2

(1.浙江大學 化工機械研究所,杭州 310027;2.浙江大學 氫能研究院,杭州 310027;3.中國特種設備檢測研究院,北京 100029;4.清華大學 工程力學系,北京 100084;5.西安交通大學 化學工程與技術學院,西安 710049;6.中國機械工業集團有限公司,北京 100080;7.合肥通用機械研究院有限公司,合肥 230031)

1 概述

2023年美國機械工程師協會(ASME)壓力容器與管道(PVP)會議(以下簡稱ASME PVP會議)于2023年7月16日～21日在美國亞特蘭大召開。ASME PVP分部是本次會議的主辦方,ASME無損檢測、診斷及預測分部(NDPD)也參與承辦了此次會議。會議吸引了來自40多個國家和地區的超過400名代表注冊參加,其中來自中國的代表人數為12人,分別來自中國石油大學(北京)、北京化工大學、浙江大學等單位。今年,會議共接收大約460篇技術論文和演講,被收錄技術論文421篇;共組織了130個技術分會場,3個技術教程——主題分別為“工藝管道聲致振動和流致振動預測與緩解方法的改進”“基于未來API 579第15部分進行管道振動基礎、測量和評估”和“ASME第8章第2部分第5節:分析設計簡介”,1個氫能技術研討會,1個面向首次與會者特別歡迎儀式和1個面向早期職業工程師定向會議,以及面向青年學生的Rudy Scavuzzo學生論文競賽。從整體上看,論文整體數量和技術分會場數量相較于疫情(2019年末新冠肺炎疫情爆發)前有所下降,但是參會國家和地區及注冊代表人數已基本和疫情前接近,同時今年還增加了氫能技術研討會的環節。

2 會議議題

本次會議涵蓋了包括規范與標準,計算機技術與螺栓連接,設計與分析,流固耦合,高壓技術,材料與制造,無損檢測與診斷及預測,操作、應用與零部件和地震工程在內的九大類常規議題。其中,九大類常規議題的論文收錄篇數和報告場次見表1。

表1 2023年ASME PVP會議中常規議題的收錄論文數量

由表1可知,與2022年論文占比相比,在2023年各議題論文占比變化不大?！耙幏杜c標準”“設計與分析”“材料與制造”仍然是論文數量最多的3個議題,表明這3個領域仍是目前國際壓力容器和管道研究重點關注領域。與2022年ASME PVP會議相比,隨著極端壓力容器的發展和對流固耦合研究的重視,議題“高壓技術”和“流固耦合”論文收錄數增加數目較多。

(1)規范與標準。

由日本三菱重工公司的Kiminobu Hojo博士作為技術負責人組織這一議題。該議題共包括15個分議題:壓力容器和管道設計中的疲勞問題;壓力元件結構完整性;ASME規范與標準的最新進展;基于氫對材料性能影響的結構完整性評估;基于概率和風險指引方法的結構完整性評估;ASME規范第十一篇介紹;蠕變疲勞評估和可靠性方法;歐洲規范與標準的最新進展;中國規范與標準的最新進展;維修、更換和減災適用性規則;疲勞評估和管理;核石墨的力學性能及其在規范和標準中的應用;規范與標準中的約束效應;斷裂韌性的主曲線方法和其他小試樣的力學性能;高溫規范與標準。

“中國規范與標準的最新進展”(CS-10)分議題主要介紹中國最新的規范、標準及相關研究成果。2023年ASME PVP會議中國專場由中國機械工業集團有限公司陳學東院士、浙江大學鄭津洋院士、中國特種設備檢測研究院賈國棟研究員、西安交通大學程光旭教授、清華大學劉應華教授、合肥通用機械研究院有限公司范志超研究員、中國特種設備檢測研究院鄧貴德研究員、浙江大學施建峰教授等共同組織發起,共有2個分會場,分別為壓力容器與管道的完整性管理專場和極端承壓設備專場。本次中國專場共收錄論文6篇。專場吸引了眾多國內外學術界、企業界的專家和學者的參與與討論。

(2)計算機技術與螺栓連接。

該議題由加拿大的Kinectrics公司的Reza-Adibi-Asl博士組織,共包括6個分議題:螺栓法蘭接頭的設計與分析;計算在疲勞、斷裂和損傷力學中的應用;密封性和瞬時泄放;螺栓法蘭接頭的高溫特性;螺栓連接裝配;新興分析方法及其應用。

(3)設計與分析。

該議題由加拿大A.C.Avery Projects公司的Alicia C.Avery博士組織,共包括10個分議題:管道及其組件的設計與分析;螺栓接頭設計與分析;疲勞;斷裂;壓力容器及其組件的設計與分析;焦炭塔生命周期管理;非彈性、非線性和極限載荷分析;管道和設備的動力響應分析;合乎使用評估;氫壓力裝置設計與分析。

(4)流固耦合。

該議題由日本東京工業大學的Kazuaki Inaba博士組織,共包括4個分議題:熱液現象與容器、管道和部件的相互作用;工業流體-結構相互設計;極端載荷條件下的結構;工業和可再生能源運輸設計。

(5)高壓技術。

該議題由美國Structural Integrity Associates 公司的Kannan Subramanian博士組織,共包括6個分議題:高壓容器和設備的設計、分析和壽命預測;極端載荷條件下的結構、油氣勘探與生產用高壓裝備的設計與分析;脈沖載荷下容器設計與分析;高壓容器和管道使用方法的材料和適用性;高壓加氫裝置的設計與分析;工業高壓設備的設計與分析。

(6)材料與制造。

該議題由美國GE Gas Power公司的Haiyang Qian博士組織,共包括18個分議題:先進制造與增材制造;斷裂力學在失效評估中的應用;精煉用材料和制造;管線完整性;適用性和失效評估;氫裝置用材料;蠕變及蠕變疲勞交互作用;材料質量和失效分析;失效概率評估;高強度鋼在壓力容器和管道中的應用;核電站用材料與技術;焊接殘余應力及變形模擬與測量;焊接接頭及熱影響區的斷裂和疲勞;爆破前的失效;力學性能的小尺度測試與統計分析;核石墨的力學性能及其在規范和標準中的實施;復合材料和非金屬系統在壓力容器和管道中的應用;三維裂紋擴展有限元模擬。

(7)無損檢測與診斷及預測。

該議題由西班牙Fusion for Energy-UNED的Maria Ortiz de Zungia博士組織,共包括3個分議題:新興的無損檢測技術及應用;石油化工和電廠部件的無損檢測技術及應用;無損檢測可靠性分析-建模和實驗分析。

(8)操作、應用與零部件。

該議題由美國Streamline Automation的Alton Reich博士組織,共包括6個分議題:設備檢查、測試、老化管理和壽命延長;風險管理和系統可靠性的應用;有毒物質的儲存與運輸;泵和閥門的可靠性和完整性評估;現有設備的持續安全運行;風險管理和危害分析。

(9)地震工程。

該議題由日本東京電機大學的Osamu Furuya博士組織,共包括6個議題:結構動力學;抗震和地震余量/工業設施抗震分析的機器學習;隔震/減震和振動控制;管道系統的抗震分析和設計;先進地震評估與規范;系統、結構和部件的抗震評估。

3 主要國家論文發表情況

3.1 ASME PVP 2023 要國家論文發表情況

表2列出了按各國論文數量統計出的10個主要國家的論文發表情況。其中,中國論文收錄數量在2023年ASME PVP會議中排在第2位,共計72篇,與排名第一的美國的論文收錄數量還存在較大差距。與2022,2021年論文收錄情況相比,會議的論文議題重點仍集中在“規范與標準”“設計與分析”和“材料與制造”,其他領域的關注度與上述領域相比差距較大。

表2 主要國家發表論文情況(按第一作者國籍統計)

中國錄用文章(以第一作者的單位做統計)較多的單位主要有:中國特種設備檢測研究院(18篇),主要研究內容包括基于FLACS的公用事業隧道氣室瓦斯爆炸特性數值分析、高溫蒸汽管道的材料劣化和剩余壽命評估、加氫反應器在長期使用條件下的回火脆性綜合預測、基于模擬的人工神經網絡輔助有害氣體泄漏源定位、中國液化天然氣碼頭標準體系及智能化管理模式研究、不同進料注入方案對工業RFCC立管中反應結焦影響的CFD研究等;浙江大學(11篇),主要研究內容包括基于中國兩個采暖季長時現場試驗的熱力管道非開挖修復用內襯復合管的可靠性研究、短碳纖維增強熱塑性復合材料斷裂韌性評價、基于有限元分析的聚乙烯管道不規則缺陷的PA-UT扇形掃描成像模擬、內膽裂紋大小和位置對70 MPa Ⅲ型氣瓶疲勞壽命影響的研究、考慮動態熱邊界的低溫壓縮氫儲罐休眠時間預測、熱塑性材料作為熱力管道非開挖修復襯管的適用性分析等;合肥通用機械研究院有限公司(9篇),主要研究內容包括互聯網背景下中國壓力容器設計、制造與維護的探索、基于材料基因組技術的離心鑄造Fe-Cr-Ni耐熱合金設計、基于全矩陣捕獲優化的多層超聲成像相移遷移方法、基于多模全聚焦法的焊縫裂紋類缺陷超聲相控陣檢測、考慮粗糙面層影響的電磁超聲檢測建模與實驗分析、螺旋纏繞墊片與卡姆型墊片的高溫性能比較等;中國石油大學(北京)(8篇),主要研究內容包括加油站法蘭連接系統密封性能的數值分析與研究、基于剩磁效應的管道周向裂紋檢測仿真分析與實驗研究、基于聲學內部檢測的液體管道小泄漏特性及降噪方法研究、材料特性對含有焊接缺陷的管道環縫焊縫極限壓力影響的研究、韌性斷裂標準參數校準與分析:X80管鋼等;北京化工大學(4篇),主要研究內容包括空腔壓力囊式蓄能器橡膠氣球屈曲失穩行為機理研究、氣瓶在沖擊載荷下的機械響應研究、化工園區數據庫安全系統優化研究、大體積碳纖維全纏繞筒束定期檢驗標準研究;天津大學(3篇),主要研究內容包括被動控制下的流動誘導振動串聯塔研究、大型熱交換器中的聲共振現象研究、關于熱交換器中心管束圓周壓力分布的研究;江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院(3篇),主要研究內容包括柔性膨脹管-管板接頭拉拔試驗研究、延遲焦化裝置大焦炭桶典型損壞機理的識別、延遲焦化裝置大型焦炭桶裙部與錐體連接處的縱向開裂故障研究。

美國錄用文章(以第一作者的單位做統計)較多的單位主要有:Oak Ridge國家實驗室(13篇),主要研究內容包括前進之路——人工智能時代ASME規范和標準的材料數據現代化、乏燃料管理罐的增材制造與規范試驗、不同熱處理下316L不銹鋼電弧增材制造的力學響應、完成NCT和HAC規范試驗后B型集裝箱結構損傷與預測FEA結果的三維計量分析、利用數字圖像相關技術獲取自由落體沖擊數據、缺口對617合金高溫蠕變疲勞行為的影響等;Savanna River國家實驗室(8篇),主要研究內容包括端部夾緊條件下單刃缺口拉伸試樣應力強度因子確定的CMOD柔度解、API 1183中預測管道凹痕疲勞壽命的疲勞模型比較、預測厚壁腐蝕管道剩余強度的腐蝕評估模型、模擬厚壁和薄壁壓力容器爆裂強度的人工神經網絡、9975運輸包裝的儲存壽命和監測、數據驅動的應力強度薄壁圓筒軸向外表面裂紋的因子求解等;Sandia國家實驗室(7篇),主要研究內容包括爆炸破壞系統P3容器鑒定結果、氫分壓對低合金調質鋼疲勞裂紋擴展速率的影響、HSERA-26安全殼的爆炸氫碼建模和防爆試驗、鋁合金在氣態氫中的疲勞和斷裂行為研究、含氫高強度奧氏體不銹鋼管疲勞裂紋萌生及疲勞壽命試驗、內外氫對奧氏體不銹鋼抗斷裂性能的影響等。

日本錄用文章(以第一作者的單位做統計)較多的單位主要有:三菱重工(10篇),主要研究內容包括研究和開發用于提高火力發電廠抗震性的粘性流體阻尼器——第13部分:基于結構健康監測的脆性分析、JSME環境疲勞評價方法的技術修訂、多支管系動力、高頻和靜力響應組合的時程分析輔助底板響應譜方法研究、基于彈塑性分析的圓形布置錨桿抗震評價研究、韌脆轉變溫度區斷裂的約束效應研究(報告3)、應用三維有限元綜合模型對反應堆冷卻劑系統的分析方法進行研究;日本原子能機構(10篇),主要研究內容包括反應堆壓力容器噴嘴角表面裂紋應力強度因子求解方法的發展、ASME鍋爐壓力容器規范第XI節斷裂力學評定方法與JSME鈉冷快堆斷裂前泄漏評定指南的比較、分析mini-CT試樣裂縫前曲率對斷裂韌性評估的影響、改進ASME B&PV規范 第Ⅺ節驗收標準的探討、ASME B&PV規范第XI節鐵素體鋼材料允許平面缺陷的修訂、用于評估應力腐蝕開裂的316型不銹鋼構件的硬度和焊接殘余應力建模等;日揮株式會社(3篇),主要研究內容包括浮式隔震系統試驗、跨建筑隔震邊界交叉管的抗震設計方法、用ASME規范N-900和JSME規范NC-CC-008對交叉管進行彈塑性分析。

加拿大錄用文章(以第一作者的單位做統計)較多的單位有:蒙特利爾大學(4篇),主要研究內容包括螺栓連接應力水平對ASME B16.5和B16.47標準法蘭強度的影響、流體工況對法蘭表面腐蝕的影響、壓水堆模型陣列軸流與射流交叉流組合的實驗研究、兩相交叉流中旋轉三角陣力測量的概論等;Kinectrics公司(3篇),主要內容包括高溫管道構件分析——實例問題、核結構完整性評估中概率斷裂力學規范驗證的最佳實踐綜述、基于統計的Zr-Nb壓力管軸向缺陷疲勞裂紋起裂模型的驗證與改進;阿爾伯塔大學(3篇),主要研究內容包括PE-RT管道殘余應力評估及退火溫度敏感性分析、通過船樣試驗程序對焦炭桶的可靠性和壽命進行評價、永久地面運動下埋地管道的響應研究——基于物理的深度神經網絡方法。

3.2 ASME PVP近3年主要國家論文收錄數量對比

圖1為近3年主要參與國家在ASME PVP會議中論文收錄情況?？梢钥闯?美國和中國發表論文數一直穩居前二,表明中國研究人員積極參與國際會議,在國際舞臺具備較大的影響力。2021年,由于疫情影響較大,各個國家發表論文數量均處于相對較低水平;2022年,各個國家的論文在總數上均有小幅上升;2023年,美國、日本和加拿大三個國家的論文數持續上升,其他國家論文數量均維持和上一年基本持平或者小幅降低的水平。

圖1 近3年主要國家會議論文情況

3.3 近年來中國論文發表情況

近年來,中國科技實力大幅提升,壓力容器與管道行業蓬勃發展,行業內相關的基礎研究和技術創新有所加強。從2021～2023年,近3年ASME PVP會議中國論文收錄數和收錄占比情況如圖2所示。

圖2 近3年ASME PVP會議中國論文收錄數和

結合疫情前數據[1-11]和圖中數據可以得出:自疫情以來,ASME PVP會議論文收錄數量有著較大幅度的減少,其中2021年收錄論文數量最少,疫情影響逐漸降低后,2022年和2023年論文收錄數量均在穩步回升中。從圖2可以看出,2021～2023年,雖然中國論文收錄數量所占比例下降,但是論文收錄的總體數量有所回升;同時,中國各大科研企業和高校也在進一步提高科技創新能力,鞏固和增強中國在壓力容器與管道行業中的地位。

自2008年開始,“中國規范與標準的最新進展”已經連續15年在“規范與標準(CS)”議題中作為子議題出現[1-11],主要介紹中國最新的規范、標準及相關研究成果,為中國研究人員提供了在國際頂級學術會議上展示交流的平臺。由于疫情原因,近3年的ASME PVP會議論文收錄數量有所降低,2021～2023年的“規范與標準”議題及“中國規范與標準的最新進展”子議題論文收錄數如表3所示?？梢钥闯?2023年的論文收錄數和“中國規范與標準的最新進展”專場論文收錄數占ASME PVP會議中國論文總收錄數的比例,相較之前都有了比較大的下降,主要原因是中國規范與標準在逐漸完善,中國研究人員對于各個議題的內容了解更加清晰,將論文投遞到更加相近的議題,同時可以更好地同國際學者進行溝通交流。

表3 近3年來“中國規范與標準的最新進展”論文收錄數

4 發展趨勢與熱點問題

2023年,美國在“規范與標準”“設計與分析”和“材料與制造”三個熱門議題的論文收錄數分別為35,24,40,中國在上述三個議題的論文收錄數分別為9,11,15,與美國存在較大差距。其中,中國在“規范與標準”的論文收錄主要集中在“中國規范與標準的最新進展”專區。標準與規范是產品質量的重要保障,同時體現了國家在某一技術領域的市場主動權和話語權。建議中國學者未來更多地參與到其他規范與標準議題中,積極輸出中國規范與標準的影響力。

在2023年收錄的論文中,與“氫”相關的技術專題多達12個,與“氫”相關的論文多達42篇,約占全部論文數的10.0%;此外,還專門設置“氫”相關的技術研討會——氫101-氫服務的介紹主要事項?？梢姎渥鳛橐环N清潔能源逐漸成為國際壓力容器與管道行業的關注重點。在與“氫”相關的42篇收錄的論文中,有14篇來自中國,10篇來自美國,5篇來自日本,可以看出中國研究人員對氫能較為重視,在氫能相關的領域研究較為深入。與“疲勞”相關的技術專題有11個,與“疲勞”相關的論文有41篇,占全部論文數的9.7%。在與“疲勞”相關的41篇收錄的論文中,17篇來自美國,5篇來自日本,僅2篇來自中國。在疲勞相關的領域,中國和美國還有著較大的差距,希望國內學者們可以對疲勞領域提高關注,更好地參與到疲勞問題的研究和討論中。和“地震工程”相關的論文多達27篇,占全部論文數的6.4%。在與“地震工程”相關的27篇收錄的論文中,22篇來自日本,只有1篇來自中國。相比于日本,中國學者們對“地震工程”這一領域的研究關注較少,未來中國需要提高對該領域的關注,來更好地應對地震等突發性自然災害。

2023年ASME PVP會議議題延續了往屆大部分常規議題[1-11],同時在此基礎上增加了若干新議題,如“材料與制造”中新增了“基于氫對材料性能影響的結構完整性評估”子議題,收錄了4篇文章;“設計與分析”中新增了“氫壓力裝置設計與分析”子議題,收錄了6篇文章。從新增議題中可以看出,氫能受到了越來越多的關注,其作為一種清潔能源將應用到更多的領域中。

5 學生論文競賽情況

自2022年ASME PVP會議論文競賽單元恢復之后,中國各大高校的研究生們便積極參與其中。其中,2023年ASME PVP會議學生論文競賽單元共有2篇碩士論文和6篇博士論文入圍。最終,來自浙江大學的苑宇童獲得了學生論文競賽單元碩士組第二名。

近年來,隨著國內大學科研水平的提高和科研經費的增長,許多高校相繼出臺政策,鼓勵學生走上國際會議的舞臺上進行學習和交流。自2008年以來,中國各大高校每年都有學生受邀做學生論文競賽的現場報告。2008～2023年,中國部分高校學生論文競賽單元和論壇累計入圍68次[1-11],其中,浙江大學累計入圍28人次,約占大陸地區院校入圍次數的41.2%。

從2008～2023年,中國學生參與ASME PVP學生論文競賽取得了優異的成績,包括博士組競賽第一名1次、博士組競賽第二名1次、碩士組競賽第二名4次、碩士組競賽第三名2次、碩士組論壇第一名1次和學生論文競賽和論壇優勝獎59次。獲獎的學生主要來自浙江大學、華東理工大學、南京工業大學、西安交通大學、山東大學、中國石油大學(北京)、中國石油大學(華東)、大連理工大學、哈爾濱工程大學、上海交通大學、同濟大學、浙江工業大學、天津大學和武漢工程大學。

6 結語

ASME PVP會議在國際壓力容器與管道領域有著重要的地位和影響力,該會議的所有論文(不包含僅演講部分)均被EI收錄,而一些優秀的論文還有機會被推薦到JournalofPressureVesselTechnology-transactionsoftheASME上發表。

近年來,國內業界積極推動壓力容器及管道行業的發展,因此,來自中國的論文被ASME PVP會議收錄的數量逐漸增加。但在“規范與標準”“設計與分析”“高壓技術”“材料與制造”這4個熱門議題的參與度方面,與美國相比仍存在較大差距。隨著中國在壓力容器與管道領域的不斷研究與探索,在這些方面的差距一定會逐漸縮小。與此同時,在一些新興熱門領域中,如氫能領域,在國家政策的大力扶持下,中國研究成果頗多。從發展趨勢與熱點分析中可以看出,中國氫能領域的研究論文數量位居前列,反映了中國對于前沿科技領域的重視程度提高,科研人員對前沿科研領域的關注度和貢獻度的提高。在中國制造業振興的時代背景下,希望從事壓力容器和管道行業的技術人員能夠繼續努力,加強跨領域合作,為中國壓力容器和管道工業的發展開創新的篇章。在科技強國的戰略目標下,中國學者的學術成果在國際舞臺上一定會具備越來越大的影響力。

2024 ASME PVP會議將于2024年7月28日～8月2日在美國華盛頓貝爾維尤市舉行,大會主席為Yasumasa Shoji博士。會議將繼續涵蓋技術教程、技術示范論壇兩大版塊,包含“規范與標準”“設計與分析”“材料與制造”和“無損檢測與診斷及預測”等前述九類議題。論文摘要提交的截止日期為2023年10月16日;論文全文初稿提交的截止日期為2024年1月29日。