中国承压设备材料的国际化趋势

徐 彤 寿比南 桂乐乐 尹立军 张雪涛 孙 超

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

中国承压设备材料的国际化趋势

徐 彤 寿比南 桂乐乐 尹立军 张雪涛 孙 超

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

本文围绕中国承压设备材料国际化，阐明了中外承压设备材料相互认可的必要性，概述了国外标准规范认可和接受我国材料牌号的状况，回顾总结了ASME锅炉压力容器规范材料卷中国国际工作组自成立以来的工作成果，提出了中国承压设备材料进入国际标准的步骤和途径，展望了我国材料国际化的未来发展趋势。文章认为：中国的材料标准被国际上的承压设备标准承认，是我国承压设备产业国际化的努力方向，不仅将带动我国钢铁产品走向世界，同时也是我国承压设备标准成为国际认可标准的前提条件。

ASME中国国际工作组 承压设备 材料 标准互认

1 必要性

我国是承压设备生产大国。截至2013年底，我国境内有锅炉64.12万台，压力容器301.12万台，气瓶1.4387亿只，压力管道89.83万公里[1]，这些承压设备大多是我国自行生产制造的。我国现有境内锅炉制造企业1047家，压力容器制造企业4596家，气瓶生产企业158家，压力管道制造企业5620家[1]。随着近年来我国经济的迅猛发展，节能减排的要求日趋严峻，承压设备技术向着高参数、大型化、复杂化的方向发展，其中，大型化包括新材料的使用、设计方法的变革、制造装备的要求、检验工艺的复杂、对运输和安装的要求；高参数化指的是承压设备趋向于高温、高压、强腐蚀性的使用环境；复杂化指的是设备的结构日趋复杂、操作复杂、破坏机理复杂，各种破坏机理交互作用。同时还要考虑设备的制造、维护和使用经济性，保证安全性、环境保护和经济性的和谐统一。这些技术进步均涉及到设备的材料必须具有更加良好的力学性能以及极端环境的使用性能（耐高温、深冷、抗强腐蚀、中子辐射等），促进了承压设备材料研发向高等级的方向发展。

随着经济发展的全球化以及中国制造的国际化扩展，中国承压设备的国际化趋势也逐渐显现。这包括，我国的大型工程公司承揽境外石化、电力工程建造项目，部分承压设备的制造由境内设备制造商完成；境外跨国公司在全球范围内的工程项目，均将我国作为重要的设备采购地，也就是说，有相当部分的设备由我国企业建造。这意味着我国制造企业需要按照国外标准生产承压设备产品，因而必须采用国外标准认可的材料，通常也就是国外牌号材料，从事承压设备建造。为了承担这些订单，中国有大量的承压设备制造企业拥有国外锅炉压力容器制造的证书。我国现有680余家锅炉压力容器制造企业拥有ASME证书，其中核电设备制造商29家。换而言之。有680余家企业可按照ASME规范的要求生产锅炉压力容器的设备，其按ASME要求制造用材也必须是ASME规范所认可的材料。由于历史原因，出口产品采用中国承压设备材料制造的只占很小的比例，造成了我国承压设备出口产品技术含量和经济附加值偏低。

另外，由于我国安全法规和技术标准发展的不平衡，法规标准体系仍在逐步完善，部分即使是我国自行设计建造的承压设备产品仍然不得不或多或少应用国外先进技术、国外标准，这使得在国内制造的产品采用国外材料不可避免。

众所周知，境外采购成本高，供货周期长，采用国外材料经常是不得已而为之。解决这个问题有两个途径，一是国家加大对材料研究的投入，尽快将国外新材料进行国产化，保障新材料研究开发的可持续性和足够的资金强度和时间力度；一是开展国内外材料标准互认的工作，通过材料标准互认，使得我国标准中的材料可用于国外产品的建造。而后者是更为快捷经济的手段，并且能够保持我国技术的自主地位，保证可持续的发展。国内外标准互认不仅是行业的需求，也是经济和制造水平发展到一定阶段的必然结果。若能正常发展，必将带来巨大的经济效益，促进中国材料走向世界，也促进中国承压设备标准走向世界。

钢铁产业是不可替代的产业，钢铁材料是无可替代的材料，国民经济高速发展的需求拉动了钢铁产业飞速发展，钢铁产业的飞速发展又支持了国民经济的高速发展。据统计，去年我国粗钢产量达到7.17亿吨，80家重点大中型钢铁企业2012年吨钢利润是2.6元(包括非钢收入在内)，而上缴的利税和缴纳银行的财务费用却是吨钢200多元。随着我国企业外包服务能力的提高，在涉外工程总包中可以大幅提高使用自有钢材的份额，在装备出口方面增加钢材二次出口，也可以消化不少钢铁产能。标准互认可以加强钢材出口，促进钢产品走出国门。

近年来钢铁产业快速发展，中国钢铁材料生产能力已经跃居世界前列，不锈钢产能已位居世界第一；装备和技术的不断进步使得我国金属材料的质量和水平大幅度提高，一些牌号的技术性能指标已经达到或接近国际先进水平，承压设备用金属材料的质量、性能和稳定性等均有了很大提高，实现中美承压设备材料互认的时机和条件已经基本成熟。以Q345R为例，现在钢厂的S、P等有害杂质含量已经降到很低，而力学性能指标却保持在较稳定的水平，详见图1～图4。

图1 Q345R牌号S含量分布情况

图2 我国Q345R牌号P含量分布情况

图3 Q345R牌号36-60mm规格板材抗拉强度分布

图4 Q345R牌号36-60mm规格板材断后伸长率分布

2 承压设备材料的发展状况

随着承压设备行业的技术要求变化，材料工业的技术进展，例如通过热模拟、装备更新等，展现出更高、更快、更强的特点。

材料具有更高的纯净度，和更高的质量要求、以及适应更高的极限使用温度。这包括夹杂物减少、偏析度减弱；并且在EN 10028《Flat products made of steels for pressure purposes （承压用钢板）》、GB/T 713-2014《锅炉和压力容器用钢板》、GB 19189-2011《压力容器用调质高强度钢板》等材料标准以及制造的订货技术条件中对材料规定了有更高的质量要求，例如S、P含量上限值更低等；而对晶粒度、各向同性、气体含量、J系数、X系数等的要求也更为详尽。同时，材料现在比一、二十年前更可适用于更高的极限条件，这些极限条件包括温度、压力、腐蚀，具体体现在随着超超临界锅炉发展，高温材料需适应700℃以上的服役条件；环境保护减少碳排放的要求使得液化天然气（-162℃）、液氢（-253℃）等新型能源的储运提上议事日程，这可涉及到超低温、超高压等领域。

新材料不断出现，复合材料的使用也日趋成熟。为满足承压设备发展的需求，高温、超低温、高压、强腐蚀等极限环境的承压设备制造催生了新材料的不断出现，例如HR3C、超级304等已在超超临界锅炉中得到广泛应用。日本新日铁和住友金属公司开发的材料SAVE12AD（9Cr-3W-3Co-Nd-B）已经摆放到了ASME锅炉压力容器规范材料卷委员会的桌面上等待ASME规范的认可。我国3.5Ni、5Ni、和9Ni钢等低温用钢的生产厂家也逐渐增多。同时，从设备轻量化的发展需求出发，复合材料的使用日益广泛。随着我国技术的进步，碳纤维生产能力的提升，纤维缠绕气瓶纤维已经有望从玻璃纤维向碳纤维的方向发展。

材料具有更高的强度和韧性。近十年来，发展的新材料都具有强度、或者韧度更高的特点。含N的铬镍系奥氏体不锈钢304LN (UNS S30453)在2006年即被ASME标准委员会通过，成为Codecase 2127；铬锰系奥氏体不锈钢201LN (UNS S20153)也在2006年成为code case 2504，并在2010年正式成为ASME BPV第II卷SA 240中的一员。另外，前述的新材料SAVE12AD（9Cr-3W-3Co-Nd-B）材料在可焊性、成形性、力学性能等方面都有不错的表现，而且其持久强度比Grade92高20%。国际上，针对强腐蚀的介质环境，制造反应器的材料SiC已经出现。

受到全球化的影响，各国各协会材料标准的发展相互借鉴相互渗透。近期，ASME B31.1（动力管道）标准委员会委托ASME BPV II材料标准委员会帮助提供的X系列材料在B31.1标准中的许用应力标准规定值。由于世界各国材料制造技术的发展，以及承压设备大型化高参数化的影响，各国碳钢生产减少，数据积累严重不足。鉴于中国仍有大量的碳钢生产，因而ASME材料卷标准委员会在对中国国际工作组协助提供X系列材料数据进行详尽分析后，确定了X系列管材许用应力数据处理方法，得以完成B31.1的委托的任务。

3 材料标准国际互认现状

随着2012年ASME美国机械工程师学会锅炉压力容器规范(BPVC)第II卷中国国际工作组（CIWG）的成立，中外材料的标准互认工作可以更加有组织和更有计划地进行。中国国际工作组宗旨之一就是向中美标准化委员会提出材料标准的建议和提案，促进中美双方的材料标准互认。自建立以来，CIWG对国内外锅炉压力容器和压力管道用钢材的生产、使用和检验等数据进行了大量、系统、精心而细致的收集、整理、分析和研究工作，中国与国外材料标准的互认工作取得了长足的进展。

3.1 ASME规范接受部分中国材料牌号

2013版美国机械工程师学会锅炉压力容器规范材料卷ASME BPV SectionII的第A部分Part A中 列 出SA/GB 713” SPECIFICATION FOR STEEL PLATES FOR BOILERS AND PRESSURE VESSELS”[2]，表明ASME认可中国国家标准GB 713。当然，实际上ASME BPV 第II卷Part D中的表1A“第I卷、第III卷Classes 2和3、第VIII卷第1、以及第XII卷的铁基金属最大许用应力值表”、表U“铁基金属和非铁基金属的抗拉强度值Su”和表Y-1“铁基金属和非铁基金属的屈服强度值Sy”中仅分别列入了GB713《锅炉压力容器用钢版》中的3个牌号Q345R，Q370R和15CrMoR，给出了这3个牌号的许用应力，适用范围，以及不同温度下抗拉强度、屈服强度参考值。而在Code Case 2642中，将Q345R的使用温度从260℃（500）提高到427℃（800），见表1。

表1 中国牌号材料在ASME BPV规范的适用范围

3.2 中国标准接受部分美国材料牌号

出于对等的原则，本着最终和ASME锅炉压力容器用材料能够互认的目的，全国锅炉压力容器标准化技术委员组织专家对国内设计、制造、检验和使用单位常用的一些ASME锅炉压力容器用钢材进行了充分的分析和研究，第一步选出SA 516 Gr70、SA 537 Cl 1和SA 387 Gr12 Cl2等3个在国内使用较多，且各项数据较全的ASME锅炉压力容器用钢号放入GB150《压力容器》中，以满足我国锅炉压力容器及压力管道的设计、生产制造、检验和使用单位之需求。也就是在我国的压力容器基础标准GB 150里，纳入3个相应的美国牌号。这意味着，在按中国标准设计建造压力容器时，也可采用这3种美国牌号材料进行设备制造。

在计划中的GB 150.2-2011《压力容器》“第2部分：材料”第1号修改单中，规定了使用状态、厚度和使用温度范围、超声检测要求、以及许用应力、外压应力系数B曲线图号、以及焊接工艺评定中的母材组别号等技术条件和指标等。该国标的规范性引用文件里加入关于ASME Ⅱ A SA-387M：2013 ASME锅炉及压力容器规范第2卷材料 A篇铁基材料 SA 387M《压力容器用铬-钼合金钢板》、SA 516M《低温压力容器用碳素钢钢板》以及SA 537M《压力容器用碳锰硅热处理钢板》三个条款，并在表2“碳素钢和低合金钢钢板许用应力”、表3“壳体用钢板超声检测要求”、以及表4“钢板的使用温度下限”里添加关于3个ASME牌号GB/SA 516 Gr70、GB/SA 537 Cl 1和 GB/SA 387 Gr12 Cl 2的相关内容。条款4.1.4和4.1.12也进行了相应的调整。

3.3 ISO低温容器相关标准接受中国部分材料牌号

随着中欧交流合作的进一步深入，在2014年国际深冷容器（ISO/TC220）标准化组织会议上，讨论了“中国钢材牌号将引入ISO低温容器相关标准”的提案。最后，GB3531《低温压力容器用低合金钢钢板》中的16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR；GB150.2中的08Ni3DR、06Ni9DR；GB24511《承压设备用不锈钢钢板及钢带》中的S30408、S30403、S31608、S31603等9个牌号获得批准了批准，这意味着中国材料牌号已经开始被国际标准化组织（ISO）所接受；世界各国采用ISO低温容器相关标准的国家可以直接采购中国牌号钢铁材料，为国外消化我国钢材产能开辟出了新路；通过采用中国的钢材，将大幅降低我国设备制造厂制造ISO产品的生产成本，提高国际竞争力。

4 材料互认展望

4.1 材料配套

据不完全统计，2013版ASME锅炉压力容器规范第II卷收纳了ASTM43个钢板钢带、28个管道(pipe)以及21个管子（tube）标准，同时还有相配套的标准，法兰管件21个、螺栓14个、棒材13个、铸钢12个、以及钢坯锻件铸铁等25个，同时还接纳了国际上16个非ASTM材料标准，其中包括中国标准GB 713-2008 《锅炉和压力容器用钢板》。

不 包 括 规 范 案 例（Code Case），ASME BPVC-II的钢板牌号304个，钢管管道和管子牌号有近600个。每种材料有都有相配套板、管、锻件等产品形式，并规定了不同使用用途的牌号。以304L为例，ASME BPVC的SA240 “Specification for Chromium and Chromium-Nickel Stainless Steel Plate， Sheet， and Strip for Pressure Vessels and for General Applications”规定了压力容器和一般用途铬及铬镍不锈钢板和钢带的技术要求，在SA182、SA403和SA479分别规定了相应的法兰、阀门等部件、管件和棒材和型钢的技术要求；并且 在SA213， SA249，SA312，SA335，SA358，SA409，SA 688，SA813规定了对管钢的技术要求，区分了管子或管道、无缝或焊管、高温或腐蚀、以及不同用途等，为工程公司、设计单位进行设备选材和设计提供了极大的方便。

我国承压设备材料标准数量不多，牌号偏少。以钢板为例，我国承压设备常用钢板标准主要包括GB 713、GB3531、GB24511、GB 19189《压力容器用调质高强度钢板》、GB 24510《低温压力容器用9%Ni钢板》、和GB 6653《焊接气瓶用钢板和钢带》等，涉及的材料牌号不到50个，与国外相比差距较大。而且与板材、管材相配套的管件、锻件、棒材等标准也并不齐全。以耐蚀镍合金板材为例，“有16个牌号，但板材、管材、锻件和棒材配套齐全的牌号只有2个。除各种制成品规格尺寸造成了不配套以外，各种制成品牌号齐全但技术性能指标不一致或缺项也了造成了不配套”[3]。

上述问题更加突出的体现在我国材料国际化的进程中。现阶段我国3个钢板牌号已经列入ASME锅炉压力容器规范，但是与其配套的焊材、管件、锻件、棒材等等材料标准，仍未进入ASME规范。此问题同样困扰为ISO所接受的9个牌号低温钢板。这不利于承压设备制造企业在设计和建造承压设备产品中真正使用这些牌号材料。今后还需要继续努力，把与这些钢板牌号相配套的材料其它产品形式的标准、牌号和相应焊材介绍到ASME、ISO规范技术委员会，争取国际社会的承认。

4.2 补充完善

按照2013版ASME BPVC中的规定，Q370R和15CrMoR仅限于锅炉建造。而众所周知，在我国，Q370R和15CrMoR是作为压力容器材料广泛使用的。这意味着，还需要向ASME BPVC技术委员会提出议案，申请将该2个牌号用于ASME BPV第VIII卷（压力容器卷）第1篇“规则设计”和第2篇“分析设计”的产品建造。

新材料进入ASME BPVC，需要提供大量的数据，包括化学成分、物理性能、拉伸性能、冲击性能等。若材料用于特殊环境，如高温、循环等，还需要提供高温蠕变、持久强度、疲劳强度等大量实验数据。这凸显了我们在材料研制和使用过程中数据积累的重要性。没有足够的数据支持，中国承压设备材料的国际化就是一个空谈。

4.3 全面推进

ASME BPV材料卷中国国际工作组正着力于我国钢板标准GB 24511、GB 19189、钢管材料GB 5310《高压锅炉用无缝钢管》12Cr1MoVG等得到ASME认可的工作，相应牌号的ASME材料进入中国标准的工作也在准备过程中。

5 总结

中外材料标准的互认工作，现在仅仅做到3个低合金钢板牌号取得ASME规范的承认，5个低温材料钢板牌号和4个奥氏体不锈钢板材牌号得到ISO低温容器相关标准的承认。其他牌号的板材，以及管材、锻件等材料牌号获得国际上的认可仍有待时日。所以中外标准互认工作的工作，虽然迈出了一大步，但仍任重而道远。

世界科技经济较量在很多领域里体现为技术标准的竞争，在一定程度上，技术标准甚至比技术本身更为重要。中国技术标准走向世界，为国际广为接受，是我国产业转型，“中国制造”走向世界、企业做大做强过程中的必经之路。而所有产品技术标准的载体就是材料标准。同时，承压设备的主体是金属材料，承压设备竞争的核心是金属材料市场的竞争。以标准规范带动工程总承包，以工程总承包带动设备出口，以设备出口带动金属材料出口，已经成为承压设备市场国际竞争的主要方式[3]。没有材料的国际化，承压设备产品的出口只能停留在低附加值的层面，承压设备产品建造规范的国际化也成为一句口号而缺乏实际意义，更无法提高整个承压设备行业和钢铁行业的竞争能力。相反，承压设备用材料标准一旦获得国际承认，既可以促进承压设备材料的直接出口，也可以通过承压设备的出口带动材料出口，形成合作双赢的格局。同时，为我国承压设备设计和建造规范和标准真正走向世界，得到国际的承认和广泛使用奠定基础。

[1] 国家质检总局关于2013年全国特种设备安全状况情况的通报[J]，2014，29（6），1-4.

[2] 美国机械工程师学会锅炉压力容器规范ASME BPV Section II 2013版[S].

[3] 王为国、寿比南、杨国义，等.国内外承压设备材料标准比较，中国特种设备安全[J]，2009，24（11），38-43.

The internationalization of China pressure equipment materials

Xu Tong Shou Binan Gui Lele Yin Lijun Zhang Xuetao Sun Chao
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

This paper focuses on the internationalization of Chinese pressure equipment materials, illustrates the necessity of mutual recognition of domestic and foreign pressure equipment materials, and an overview of Chinese material grades recognized and accepted by foreign standards, reviews the achievements of ASME Boiler and Pressure Vessel Code (II) Chinese International Work Group since establishment, proposed pathway of Chinese pressure equipment material cooperated into the international standards, and looks up the future of material internationalization.It points out that Chinese material standards incorporated into international pressure equipment standards is the frst step for the internationalization of Chinese pressure equipment industries.Also it can facilitate China's iron and steel products to the world market, and is the prerequisite of China's pressure equipment standards becoming internationally recognized.

ASME China International Working Group Pressure equipment Material Material recognition

X923

B

1673-257X(2015)06-14-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.06.004

徐彤(1967～)，女，硕士，高工，副主任，主要从事金属材料性能评价和微试样试验方法研究工作。

2015-05-15）