压力容器标准技术最新进展与中国压力容器标准化
全国压力容器标准化技术委员会秘书长 寿比南

前言  
    经过压力容器标准化工作者的几十年的不懈努力,我国已经颁布并实施了以GB150《钢制压力容器》为核心的一系列压力容器产品标准、基础标准和零部件标准,并以此构成了压力容器标准体系的基本框架。我国的压力容器标准在技术内容上既参照了国外先进国家标准的相应要求,也考虑了国内压力容器行业各生产环节的现状,基本上能够满足全行业的需要,为提高压力容器相关企业的技术水平和管理水平做出了应有的贡献,也赢得了全行业的广泛拥护。国家压力容器安全监察机构依据压力容器安全监察行政管理部门颁布的压力容器安全监察法规,并根据压力容器标准所提出的相关技术要求,监督和控制压力容器产品的设计、制造和检验等各个环节,以保障其产品质量和生产及使用安全。因此,压力容器标准与压力容器安全监察行政管理部门颁布的安全监察法规应同步实施,二者相辅相成,构成了我国完整的压力容器产品质量标准体系和压力容器安全监察法规体系。
    压力容器标准的技术内容综合体现了压力容器行业综合技术水平和管理水平,不仅影响产品质量及其安全性,而且对产品的经济性和市场竞争力也有重要影响。标准与法规中不合理的技术要求和管理要求会制约相关技术水平的提高和相关产业的发展,影响压力容器产品的质量和市场竞争力。因此,标准与法规都应随着行业的技术发展状况和质量管理状况适时加以修正,使之适合与不断发展的生产技术水平和不断提高的产品质量水平相适应。中国即将加入WTO,国际标准对我国标准和压力容器生产的影响日益加大,我们所面临和要解决的问题越来越多,也越来越紧迫。压力容器标准的技术现状及其发展趋势,我国标准与国际接轨所面临的问题及对策,我国压力容器标准体制如何适应行业技术进步,我国标准能否及如何帮助中国压力容器产品进入国际市场,都是业内人士所极为关注的问题,也是我们标准化工作者的所面临的新的研究课题。本文拟就上述有关问题分三个专题进行探讨,希望对我国压力容器标准化工作及整个压力容器行业的发展有所裨益。

一、压力容器标准及其技术进展
   压力容器是一个涉及多行业、多学科的综合性产品,其技术涉及到冶金、机械加工、腐蚀与防腐、无损检测、安全防护等众多行业。随着冶金、机械加工、焊接和无损检测等技术的不断进步,特别使计算机技术的飞速发展,在世界各国投入了大量人力物力进行深入的研究的基础上,压力容器技术领域也取得了相应的进展。为了生产和使用更安全、更具有经济性的压力容器产品,传统的设计、制造、焊接和检验方法已经和正在不同程度地为新技术、新产品所代替,而冶金、机械加工、焊接和无损检测等压力容器相关行业的技术进步,是压力容器行业整体技术水平的提高的前提条件。

1、压力容器用材料的技术进展
    近年来压力容器产品大型化、高参数化的趋势日益明显,千吨级的加氢反应器、一万立方米的天然气球罐等已经在我国大量应用,压力容器在石油化工、核工业、煤化工等领域中的应用场合也日益苛刻。因此,耐高温、高压和耐腐蚀的压力容器用材料的研制与开发一直是压力容器行业所面临的重大课题。对此,各国均投入了大量的人力物力从事相关的研究工作。目前,压力容器用材料的主要研究成果和技术进步表现在以下几个方面:
    a)材料的高纯净度:冶金工业整体技术水平和装备水平的提高,极大地提高了材料的纯净度,提高了压力容器用材料的力学性能指标,提高了安全性;
    b)材料的介质适用性:针对各种腐蚀性介质和操作工况,已研究开发出各种金属材料,使之适合各种应用条件,给设计者以更多选择的空间;
    c)材料的应用界限:针对高温蠕变、回火脆化、低温脆断所进行的研究,准确地给出材料的应用范围。

2、计算机技术的广泛应用
    在信息时代的今天,计算机技术应用已经渗透到压力容器行业的每一个领域。计算机软、硬件的每一个进步都极大地影响着压力容器行业的技术进展,其主要表现为:
    a) 设计—传统的计算机辅助设计(CAD)已逐步向计算机辅助工程(CAE)的方向发展。随着计算机能力的不断增强和分析手段的日益多样化,设计者在结构设计阶段就可以预见到诸如焊接过程中所产生的残余应力、设备组装和运输过程中可能会出现的碰撞等问题,并在设计阶段消除这些问题,分析设计和结构优化设计已经逐渐为设计者所掌握;
    b) 制造—计算机辅助制造(CAM)技术正在逐步改变压力容器制造厂传统的工艺卡方式,质量管理意识和生产方式已经发生了深刻的变革。压力容器全过程的计算机管理使得所有控制点均能得到有效的控制,极大地减少了人为失误,有效地保证了产品质量的稳定,保证了生产周期和生产成本的降低;
    c) 焊接—计算机控制的仿形焊机、激光焊机和全位置自动焊机的应用以及药芯焊丝的普遍应用,极大地提高了生产效率和产品质量;
    d) 无损检测—计算机射线实时成像、超声扫描模拟成像和多通道声发射等技术的应用,再配以专门研制的专家系统,使检测的结果更加准确和客观。特别是超声扫描模拟成像缺陷探察技术已经成功地用于核设备、加氢反应器等厚度大于100mm的重型容器。在ASME Code Cases 2235和欧洲标准中,已经将该方法正式列入,这对提高重型容器的生产效率和减少射线污染起到了积极的作用。

3、结构设计
    现代的压力容器结构设计正在逐步摆脱传统观念的束缚,体现真正满足工艺要求的设计理念,追求实效性、安全性和经济性的和谐统一。
    a) 结构的合理性设计:事实上,国外标准中对压力容器的具体结构形式不予限制,因此国外的压力容器结构所受的制约较少,给设计者很大的发挥空间,有利于设计出更加合理的结构。另外,分析设计手段的运用和验证性试验的实施为结构的合理性设计提供了必要的保障。由于我国缺少必要的应力分析手段和相关人才,在管理体制方面也存在不必要的制约因素,大多数设计者不敢脱离标准进行结构的优化设计,使得大量结构设计多年来重复使用,既存在不合理性,也严重制约了设计水平的提高;
    b) 结构的经济性设计:压力容器的安全性和经济性的和谐统一一直是设计者的追求,应力分析标准就是应此要求而出现的。焊接钢管的使用和特殊结构的应用,在很大程度上是考虑了压力容器结构的经济性。近年来,我国压力容器结构的经济性设计日益得到重视,并逐渐为用户所接受,但仍然受到我国普遍存在的设计与制造脱离的体制性弊端的制约。

4、安全系数的降低
    为了增加本国产品的竞争性,降低安全系数是目前世界各国和地区压力容器标准的普遍倾向,美国(ASME)和欧洲统一压力容器标准(正在制订中)均降低了相应的安全系数,美国将nb由4.0降为3.5,欧洲统一压力容器标准的nb最小值为1.875。我国也提出了将特定材料按分析设计方法设计的安全系数nb降为2.6的提案。安全系数的降低关系到压力容器标准的基础,对压力容器行业的经济性及安全性影响极大,必须慎之又慎。降低安全系数的前提条件是:
    a) 结构分析设计水平的提高;
    b) 制造经验的积累和制造技术水平的提高;
    c) 更严格的材料技术要求;
    d) 更科学的质量保证体系。

 二、压力容器标准国际化趋势
    随着全球经济一体化形势的发展,压力容器标准国际化的趋势已经越来越明显。欧洲议会已于1997年5月正式批准了欧洲统一的承压设备指令(Pressure Equipment Directive),该指令将于1999年11月开始成为欧盟成员国的法规,于2002年5月在欧盟内强制执行。欧洲统一的压力容器标准(Unfired Pressure Vessels)正在由CEN/TC54技术委员会组织制订,其主要内容为:
    --总则(General)
    --材料(Materials)
    --设计(Design)
    --制造(Manufacture)
    --检验和试验(Inspection and Testing)
    --安全系统(Safety Systems)
    --铸铁容器(Cast Iron Vessels)
    欧洲标准化委员会(CEN)现正在采取积极行动,试图将一些已经颁布的欧洲标准提升为国际标准。
    美国和日本等一些国家为了争夺国际市场,也在采取积极的措施加速锅炉压力容器国际标准的制订工作。1997年以来,本届秘书处设在美国的ISO/TC11“锅炉压力容器技术委员会”已多次召开会议,并已经提出了ISO 16528 国际锅炉压力容器标准草案(Boilers and Pressure Vessels-Registration of Codes and Standards to Promote International Recognition),现已经进入最终投票表决阶段。
    ISO 16528国际锅炉压力容器标准草案的主要内容为:
    --锅炉、压力容器的规定范围;
    --名词术语;
    --基本要求;
    --质量体系的要求;
    --结构安全性的要求;
    --各国标准成为国际认可标准的注册程序等。
    事实上该国际标准是一个压力设备标准的通则,目的是消除各国标准中可能出现的技术壁垒,在标准国际认可的基础上,实现全球锅炉压力容器产品的自由贸易。
针对压力容器标准国际化的形势,我国已经由国家有关政府部门、全国压力容器标准化技术委员会和全国锅炉标准化技术委员会组成“ISO/TC11中国工作组”,积极参与该国际标准的制订工作,及时了解新的动态,研究我国标准的相应对策和方针,并开始着手筹备中国锅炉、压力容器标准和法规的国际认可注册工作。我们希望行业内的广大同仁积极参与此项工作,争取使中国的锅炉、压力容器标准早日实现国际注册认可,为我国锅炉压力容器产品参与国际竞争创造先决条件。

 三、我国压力容器行业和标准化工作的发展方向

 1、加入WTO后中国压力容器行业所面临的机会与挑战
    尽管世界各国都在设定相应的技术壁垒,试图保护本国的压力容器产业,但在压力容器的制造成本及销售价格的压力下,国际压力容器市场更为开放的趋势不可避免。我国是压力容器生产大国而非强国,由于我国压力容器行业的整体技术水平与国外先进工业国家水平差距不大,且在劳动力成本等方面还具有一定的优势,因此加入WTO是我国压力容器行业参与国际竞争的绝好机遇,但中国的压力容器行业也同样面临如下挑战:
    a) 企业基础环境的改善:世界上的压力容器生产大国均有强大的国际化工程公司和市场化的压力容器管理体制为依托,冶金工业的技术水平和装备能力也足以支撑压力容器用材料的特殊要求,并具有与市场化规则相一致的资质认可方式。我国的工程公司距离国际化公司尚有很大的差距,冶金工业目前的发展水平尚不能完全满足压力容器的要求,其它基础环境如管理水平也亟待改善;
   b) 适应国际化市场的能力:过去中国的压力容器企业仅仅满足于国内市场需要,对国际化市场的游戏规则和国际化生产的状况与相关规则不甚了解。因此,有计划地组织中国压力容器企业了解和学习这些规则很有必要,可以培养出一批骨干企业和专业人员,参与国际市场竞争,在竞争中不断提高自身的能力;
    c) 社会化生产的能力:目前发达国家的压力容器生产的专业化程度极高,标准零部件供应、热处理和无损检测分包已经是压力容器制造厂普遍采用的市场模式。这样可以使其产品的生产流程缩短,设备利用率提高,也易于实现计算机自动化管理,集中力量发展自己的拳头技术。与国外的同类厂家相比较,我国的压力容器制造厂专业化程度较低,小而全、大而全现象较为普遍,普遍存在设备利用率低、机构臃肿、生产成本高等一系列问题。当然,我国压力容器行业中目前也已经出现了专业化的趋势,如:专业的封头制造厂、管件制造厂、热处理公司和无损检测公司等,而且大都具有专利技术。笔者认为这是市场经济发展的必然结果,也是提高竞争力的有效途径,压力容器制造厂也应走专业化的道路。鉴于此,在标准和法规的制订中应予以适当考虑,在标准内容中也应对其资格、构成、设备等各方面进行必要的规定,以促进压力容器行业的专业化进程。
   d) 质量意识的提高:应该说整个中国工业的质量意识还停留在以国家标准为生产准则的水平,有的企业甚至把国家标准视为紧箍咒,缺乏企业标准或者企业标准水平普遍较低的现象依然严重,尤其缺乏国家标准是最低标准、企业标准应严于国家标准的意识。但是,既然压力容器行业要进入国际市场,就必须提高质量意识,必须树立国家标准和行业标准是产品的最低要求的基本概念,必须高度重视质量体系的有效运行,彻底改变给国外用户造成的中国压力容器制造企业产品质量不稳定的印象,还应特别注重产品质量文件的完整性和关系到企业形象的产品外观质量问题。
    e) 价格保护意识的增强:压力容器的竞争力体现在质量、服务和价格等因素的综合平衡,在任何情况下,保证安全的质量因素是第一位的,应高于价格因素。目前中国的压力容器产品价格远低于国际平均水平,企业仅为生存而生产,无法为新产品研发和技术改造进行必要的资金积累。为避免已经存在的国内恶性竞争,适当调整压力容器价格以保证生产企业有足够的利润进行技术改造,有关政府和行业协会部门应对整个行业提出价格指导性意见,提高自我保护意识,对有条件的企业应鼓励其树立自己的品牌。

2、中国压力容器标准的发展方向
    就技术而言,中国压力容器标准与国外工业国家的总体水平相当。安全系数、计算方法和制造检验要求等技术内容的单纯比较还不足以说明标准先进性,任何国家标准的制订都有自己的原则和历史条件,都不能脱离自己国家的压力容器整体技术水平、安全控制要求和质量保证要求的客观条件及其演变。标准的内容不仅反映了压力容器行业及其相关行业的总体技术水平,还体现出压力容器的设计、建造体系的总体质量控制水平。因此,标准的先进性如何,应首先体现在标准是否能有效地保证压力容器产品的安全性和经济合理性,其次才是是否体现了代表时代的技术手段的应用和是否能推动行业的技术进步。以此衡量,我国的压力容器标准与国外成熟的标准尚存在一定的差距,具体体现在标准体系尚不完善,标准内容还不够完整,一些技术及管理要求不尽合理以及反映相关现代技术不够等。为了使中国压力容器行业走向国际,标准化的工作必须围绕国际化的主题开展,核心工作有以下几个方面:
     (1)深入研究和调整目前的有关压力容器的标准体系,使之适合于压力容器生产市场化的要求:开展压力容器有关标准的系统研究,改变目前压力容器相关标准内容重复、内容矛盾和管理混乱的局面。承压设备均涉及人身安全,应由统一的技术和管理归口单位负责整个标准体系的工作,也有利于政府有关管理部门实施安全监察;
    (2)标准制修订管理体制应适合技术快速发展的要求:标准在制修订中,其主要技术内容应相对稳定,有固定、统一的标准编制程序和管理体制,并应能够快速反应压力容器行业和相关行业的新技术、新工艺。以ASME为例,标准每三年修订一次,每年有二次补遗。ASME标准提案审查的工作组形式已经形成条例化,标准在连贯性和内容协调性等方面均很成熟。ASME标准分为以下四个层次:
    ——标准(CODE):规定了压力容器设计、制造、检验和验收所遵循的基本要求;
    ——标准案例(CODECASE):给出了超出标准范围的应用案例,如新材料、新结构、新的无损检测技术等在压力容器的特定应用,对继续使用这类新技术有参考借鉴作用;
    ——标准解释(INTERPRETATION):针对特有的应用咨询,解释标准条款的含义和技术指标的应用范围;
    ——公告(BULLETIN):以研究报告的形式,对标准技术内容进行扩展。
    我国的压力容器标准每五年修订一次,且采用编制人统稿方式,每次修订的变化都比较大,特别是基础定义的变动较大,不利于标准的连续性和协调性,也不利于在标准中体现新技术和新成果。1999年全国压力容器标准化技术委员会开始试行在标准修订过程中采用提案审查制度,目前已经收到150份提案,为标准修订的程序化奠定了基础。我们要继续坚持和不断完善业已实行的标准提案审查制度,对新技术和新产品试行标准案例公布制度,实行定期发布标准解释的做法,为压力容器行业服务。
     (3)中国标准与国际接轨:在积极参加ISO/TC11国际标准活动的同时,应认真研究我国标准的技术内容与国外标准相应内容的差别,尽量采用国际通行的标准。我们应刻意宣传和在国际项目中推广应用我国的压力容器标准,加大标准外文版工作的力度,在已有GB150、GB12337和“容规”英文版的基础上,加速GB151、JB4708~JB/T4709和JB4730的翻译工作,以适应标准国际化注册和压力容器生产国际化的需要。
     (4)完善标准的技术内容:目前中国压力容器标准仍然是以借鉴先进国家标准技术内容为主,由于基础研究的经费不足,有关本国材料的基础数据尚不完善,特别是材料的外压曲线、高温性能、疲劳数据等亟待完善和充实。全国压力容器标准化技术委员会已经设立了材料外压曲线、冲击功与试样尺寸关系等研究项目,借以完善标准的技术内容。
    (5)实现承压设备相关标准的统一:锅炉和压力容器均为承压设备,在结构、材料、制造、检验等多方面有共同点。在国际上,锅炉和压力容器都使用统一的焊接工艺评定和无损检测标准,其材料在很大程度上可以互用。在我国,由于计划经济体制的长期影响,锅炉和压力容器标准长期各行其是,给制造厂家和用户带来了很多麻烦。我们认为,在我国逐步向市场经济转化的过程中,锅炉和压力容器能统一的标准应尽量统一。为此,在与全国锅炉标准化技术委员会充分协商的基础上,组成双方参加的标准工作组,对JB4730 和JB4708~JB/T4709两个标准进行修订,今后锅炉和压力容器行业将共同采用JB4708作为焊接工艺评定标准、JB4730作为无损检测标准。

结束语
   中国即将加入WTO,我国的压力容器行业已经不可避免地面临国际市场的激烈竞争。在新形势下,压力容器生产厂家应充分认识自身的优势与不足,改变观念,实行国际压力容器生产的通行做法,使产品早日走出国门。
    国际标准的变化对我国标准的影响日益增大,因此我国应加快进行标准与国际接轨的工作,加强宣传和推广中国标准,使中国的压力容器标准能成为国际认可的标准之一。
    加大标准基础研究的力度,建立合理的标准制修订程序,保持标准技术内容的稳定与协调,是完善我国标准技术内容的重要举措。扩大标准的影响范围,完善提案审查制度,试行标准案例公布制度和定期公布标准解释的方法,将有利于新技术的推广。
    中国有雄厚的压力容器制造基础,今后5年将是中国压力容器企业能否进军国际压力容器市场的关键时期,而中国压力容器标准的国际注册是中国产品进入国际市场的重要条件。笔者热切希望压力容器行业内的有关各方积极参与国际竞争,支持中国压力容器的标准化工作,为使中国成为国际压力容器生产强国贡献力量。
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