第5章　主要應用領域材料延壽現狀、差距與建議

5.1　制造工程

我國已經成為世界工業制造大國，2009年我國裝備制造業工業總產值已位居世界首位。伴隨制造業的大幅發展，基礎材料產業產量也躍居世界前列。制造工程材料按功能大致可分為兩大類：一類是用量最大的結構材料；另一類是基礎件材料。以齒輪、軸承、模具、密封件和緊固件等為代表的基礎件是裝備制造業的基礎性產業，也是國民經濟建設各領域的重要基礎。基礎件產業關聯度高、吸納就業能力強和技術資金密集，是各類主機行業產業升級、技術進步和發展戰略新興產業的重要支撐，也是我國從制造大國向制造強國轉變的標志性產業，本課題側重于對基礎件材料延壽的研究。

5.1.1　基礎件材料發展現狀

（1）我國已成為世界基礎構件主要生產國家，基礎件行業產量世界排名，軸承為第三位，齒輪為第四位，模具為第三位（2008年），密封件為第七位。基礎構件材料品種規格基本能適應我國裝備制造業的需求。

（2）我國已經擁有高端基礎構件產品與關鍵技術，但其技術水平與國外先進水平的差距明顯大于主機間的差距；基礎件制造材料的工藝性和環境適應性研究及其檢測技術得到相應的發展。

存在突出的問題如下所述。

①基礎件中低檔產品過剩，高檔產品不足，高端零部件主要靠進口。總體特征是大而不強、小而不專、多而不精，成為制約裝備工業升級的突出瓶頸。

②自主開發能力薄弱，缺乏有自主知識產權的高性能、高可靠性的基礎件產品。與國外先進水平相比，我國研發周期長2～3倍，性能、水平低一個檔次，使用壽命短30％～50％，新產品貢獻率約為國外的1/10，產品和技術的總體水平約落后10～15年。

5.1.2　基礎件材料發展差距

（1）技術水平總體較低，對外依賴性強。中低檔產品產能過剩、性能質量尚存差距；高檔產品依賴國外的局面未能根本扭轉。2010年機械通用零部件產品進出口同比增長38％，但進出口貿易仍然是逆差，且達歷史最大值69.6億美元；其中齒輪是進口的主導產品，占進口總額的72.7％；零部件出口額最高的是緊固件產品。

（2）主要技術瓶頸：基礎研究、設計理論、熱處理與加工工藝、共性制造技術以及數據積累等，戰略性高端基礎件受制于人。

（3）自主創新能力不強，擅長模仿和局部改進，對引進的技術消化不力、缺乏創新動力與主動精神。關鍵零部件逐代引進，代價沉重；產業技術進步呈被動跟蹤態勢。

（4）基礎件企業技術基礎普遍薄弱、效益低，技術進步缺乏支持保障條件。

與國際先進水平相比，我國基礎件行業在技術方面急需攻關解決的問題如下。

①基礎構件材料質量穩定性及其構件性能與國外還存在較大的差距。

②基礎構件基礎研究和設計理論以及數據積累等方面與國外差距顯著。我國缺乏基礎件材料基礎研究與設計理論及實際工況下的試驗數據支撐。針對高速重載工況下高端基礎件設計所面臨的諸多復雜性難題，我國精密數控機床、風電、精密軋機及國防等重要裝備制造業對高端高速重載精密軸承存在非常迫切的重大需求，對其產品設計涉及核心技術發展提出了越來越大的挑戰。

③我國基礎構件精度、可靠性、壽命與國外具有一定差距。在特殊工況的軸承應用技術方面，我國高端軸承更是存在著相當大的差距。還存在高精度數控機床軸承精度保持度不足、高速鐵路機車軸承壽命低、航空設備或飛行器軸承可靠性低等問題，與國外具有一定差距。我國車輛齒輪主要依賴從國外進口，國產化率不到22％，工業通用齒輪和工業專用齒輪也僅為38％和32％。

與國外先進水平相比，研發周期是國外同類產品的2～3倍，齒輪服役壽命是國外同類產品的30％～50％。相比國外低1/3～2/3，產品精度以及一致性相比國外具有一定差距。

④高檔精密檢測設備以及檢測方法和標準依賴國外。一些高端齒輪軸承材料性能和制造成齒輪軸承產品的檢測技術、檢測方法、檢測標準依賴國外。材料性能的檢測技術、材料制成品是否合格的檢測技術、方法、標準也依賴國外。

⑤基礎部件所構成的系統可靠安全性研究較少，系統全壽命控制和系統安全檢測與在線健康監測方面與國外先進水平差距較大。

5.1.3　我國基礎件材料發展對策與建議

（1）我國基礎件材料發展技術思考。鑒于機械基礎件壽命普遍低于主機產品和工程要求，直接影響主機的大修周期，甚至出現過早失效引發事故，機械基礎件的材料延壽與可持續發展應成為強基工程的重要內容。我國基礎制造工程材料技術發展建議：①加強基礎件制造工程材料的系列化、標準化、通用化與服役性能數據積累；②加強基礎件材料熱處理工藝、基礎件表面處理與表面改性以及構件生產和質量管理；③加強基礎件產品質量向高精密、高性能和長壽命方向發展；④促進基礎件材料和產品規格品種多樣化促使制造技術向系列化、自動化和智能化方向發展；⑤重視基礎技術和相關技術的應用研究，各類基礎件是相關行業，彼此緊密聯系，建立基礎件關鍵、共性、基礎技術和相關技術研究，改變基礎件研究相互隔絕的局面，推廣、普及基礎件選材信息化網絡技術對提高基礎件的整體水平十分必要；⑥加強基礎件材料的使用的全壽命管理和成本體系建設。

（2）我國基礎制造工程材料行業發展思考。工業強國（包括后起工業國）高度重視基礎件的研發與更新換代。隨著產品性能的高級化，技術門檻抬高，行業的集中化趨勢明顯，基礎件制造也緊跟主機技術動向，不斷加大技術研發力度，保持產品和技術制高點地位。我國基礎件行業發展：①要扭轉“重主機、輕配套、輕共性技術”的偏差；②要發展基礎件行業的中國“航母級”企業；③必須強調行業級共性技術研究機構的作用；④加強基礎件行業協會組織，提高國家科研投入的效率；⑤從制造向服務延伸。

5.2　能源和電力工程

5.2.1　成就與差距

能源和電力是提供經濟和社會發展動力的重要物質基礎。2012年，我國煤炭生產量達到36.5億噸，石油產量2.05億噸，天然氣產量1072億立方米。全國發電裝機容量達到11.45億千瓦，火電裝機6805臺，水電裝機3530臺，風電裝機37000余臺，資產總額達到10萬億元。其中，煤電裝機容量7.58億千瓦，占總裝機容量的66.2％；燃氣裝機容量3827萬千瓦；水電裝機容量2.49億千瓦；風電裝機容量6083萬千瓦；核電裝機容量1257萬千瓦；35kW以上輸電線路達148萬公里。目前，我國能源和電力工業規模位居世界前列，使用了大量的自然資源和工業材料。能源和電力工業的可持續發展對材料的有效利用、傳統材料的升級換代、現有材料性能的提高、新材料的開發利用和材料服役環境的適應性提出了更高的要求，它需要材料研究、材料加工制造、材料保護和材料應用研究多方面證實所選材料在工件使用環境條件下確實可靠、安全、經濟和耐久；它需要從設計入手，合理地選用材料和結構設計，認真地制造加工，選擇合理的表面技術，提高材料性能；認真地使用維護、減少環境的不利影響，讓材料延壽技術服務于能源和電力工業的可持續發展。

近年來，我國在能源和電力工程材料方面開展了大量的試驗研究、對先進技術的消化吸收和創新研制工作，提供了大量的工業裝備和各種材料，基本能滿足我國能源和電力工程建設的需要，但是，在工藝規范、加工精度和高精尖材料研制等方面與國際上的先進水平有一定差距，主要表現在以下幾方面。

（1）2012年，國內采煤機、刮板輸送機、掘進機產量分別為1611臺、4651臺、2513臺，液壓支架產量100928架，總噸位288萬噸。煤機裝備裝機功率、大型化上與國外產品相當，甚至稍微占優，但受國內基礎材料研究不足、熱處理工藝相對落后影響，國產高端采煤機的截割減速器使用壽命為600萬噸，只有進口高端產品的60％；行走減速器使用壽命為200萬噸，只有進口產品的66.6％；整機設備無故障運行時間約80％，比進口產品低15％。

（2）2010年，我國油井管總需求量為265.6萬噸，約占當年世界油井管總產量的1/4，其中油管54.3萬噸、國產套管196.1萬噸、進口套管15萬噸。我國油井管的制造能力和產量已達到國際先進水平。但隨著復雜油氣藏開采，急需開發適用于高溫高壓、深井、超深井、高應力地層、苛刻腐蝕環境等復雜服役工況條件的高強韌性和耐蝕性油井管材料。

（3）截至2012年底，我國超臨界、超超臨界燃煤機組服役臺數420余臺，位居世界第一位，除早期投運機組外，三大主機基本由國內企業生產，但主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道、高壓給水管道等大口徑高端耐熱鋼管材及轉子等大型關鍵部件的坯料仍然依賴進口。火電機組設計壽命一般為30年，但機組的實際服役時間往往大于設計壽命，因此在經濟上有利、安全上有保障、滿足環保要求的原則下，通過加強在線管理、節能技改和環保技改，使機組的運行壽命達到50年或者更長時間。

（4）2012年12月15日，我國具有自主知識產權的第一臺重型燃氣輪機R0110機組完成72h帶負荷試驗運行，其裝機容量為11.45萬千瓦。另外，國內組裝生產的F級重型燃機幾年前就已投產發電，但其核心部件均依賴進口。我國已在渦輪葉片材料、制造工藝、涂層方面開展了相關研究工作并取得了一定成績，但在質量穩定性及服役壽命方面與國外仍有較大差距。

（5）我國自主研發、設計、制造的當今世界上單機容量最大的水輪發電機組（單機容量為800MW的混流式機組）已投產發電，但大型、超大型水輪發電機組制造過程中關鍵部件的材料面臨兩方面挑戰：一是大型鑄件的成型工藝與成型質量問題，二是高強度鋼板的國產化問題。目前，大型鑄件的成型工藝仍在不斷研究與改善中，高強度鋼板的國產化已基本實現。

（6）核電方面，至2013年3月，我國已投產運行的17臺機組，都是二代技術或二代改進型技術。在建及開工備選電站主要是大型壓水堆，包括我國自主研制的二代改進型CPR1000機組、自美國引進的三代技術AP1000機組和三代改進性CAP1400機組。我國正逐步形成從核級海綿鋯到AP1000核燃料組件的完整生產鏈。核電技術的發展特別是第三代AP1000核電機組的建造，使得我國大噸位優質鍛件生產技術、鍛造工藝、鎳基合金材料和產品制造技術面臨嚴峻挑戰。第四代核電技術處于研究初期，材料選型與性能要求還有待明確，本著“材料先行”的精神，需要及早安排。

（7）風電裝機近年增長較快，我國已經成為世界上風電裝機容量最多的國家，2012年比2011年增長31.6％。2～3MW風電機組已是主流產品，5MW及以上的大型風電機組也已開始應用，7～10MW的風電機組正在研制，風電的開發也開始從陸地逐步擴展到海上。2011年5月，我國自主開發并生產出全球領先的6MW風電機組。葉片作為風電機組的關鍵部件，其材料與規格尺寸是風電機組向大容量發展的主要制約因素，復合材料的使用是未來風電發展的趨勢，目前國內兆瓦級葉片所用關鍵材料大部分依賴進口。

（8）我國是世界上太陽能光伏發電裝備生產量最大的國家，主要銷往國外（95％以上），是典型的“將利益送給別人，把污染留給自己”的行業，2012年底，我國太陽能光伏裝機328kW，與2011年同比增長47.8％。太陽能光伏發電目前尚存在襯底材料質量問題、熱斑效應、非晶硅太陽電池的低光電轉換效率問題、封裝材料老化等問題；太陽能熱發電系統中儲熱材料問題、儲能容器的腐蝕控制等問題也亟待解決。

（9）我國力求將輸電線路的使用壽命從30年提升到40年，將變電站的使用壽命從40年提升到60年，這對電網用材料及其構件的延壽提出了更高要求，包括輸變電設備用金屬材料的長效防腐，非金屬材料的長效防老化，設備構件對冰災、地震、臺風等災害的防護能力等。目前，電網高端裝備，尤其是高壓、特高壓工程用關鍵材料仍依賴進口，現有材料及其部件的使用壽命與國外還存在差距。

5.2.2　材料延壽建議

（1）開展材料全壽命周期管理的政策法規、技術、經濟、環境和標準體系的研究，制定相關的政策法規，建立相應的標準體系。

（2）材料性能試驗及服役過程數據積累，建立材料應用數據庫。

（3）開展基于服役環境的全壽命周期管理、狀態監測和壽命評估技術研究及工程實證。

（4）加強與工作環境及服役條件相適應的高性能材料、新型材料及表面技術的研究開發。如：煤機裝備用高強、高韌、高耐磨性材料的研究開發；深井、超深井用高強韌性、耐蝕性油井管材料的研發；火力發電用耐高溫、抗氧化、抗熱疲勞的耐熱鋼的研究開發；線路器材的防護技術開發等。

5.3　現代交通工程

5.3.1　發展成就和差距

現代交通各領域均經歷了從無到有，到快速發展的過程，有的方面已達到國際先進水平。

鐵路領域：鐵路總營業里程已達9萬多公里，其中高速營業里程達1萬公里。全球第一條高寒高速鐵路——哈大高鐵服役環境溫度最低達-40℃。汽車領域：汽車工業已經走過了60年，至2012年，汽車年產量達到1900萬輛，穩居世界第一，保有量達到1.2億輛。船舶領域：已有能夠建造30萬噸級大型油輪以及世界頂級的海洋平臺工作船、軍用船舶已具備建造航空母艦及先進常規潛艇的能力，成為名副其實的造船大國。航空領域：民用航空已逐步發展，軍用航空從1954年的第一架初教-5飛機上天，先后生產各型飛機達1萬6千多架，與之配套的發動機達到5萬多臺以及相應的機載設備。

現代交通各領域材料從完全仿制到消化吸收自主創新，目前已基本建立了各自的材料體系，基本滿足使用要求。在材料檢測、評價與材料延壽技術方面也開展了大量的工作。如國家對航空材料及零件的理化性能和模擬試驗檢測十分重視，投入了大量的人力和財力。北京航空材料研究院牽頭進行航空材料的應用研究，其中檢測研究中心相關機構就擁有檢測設備儀器1500多臺套、固定資產價值達3億元人民幣、科研和檢測人員500余人。新中國成立以來，航空失效分析、全壽命評估積累了大量與可靠性、延壽相關的數據、經驗和措施。在提高航空零部件材料使用可靠性和壽命的研究開始較早，如20世紀70年代對渦噴五發動機渦輪葉片和軸的延壽研究；80年初采用八項技術將海軍用渦噴六發動機整機的首翻期從100h延長到300h；90年代運用“航空腐蝕控制系統工程”理念，編寫了《軍用飛機腐蝕控制設計細則》、《殲八-X型飛機腐蝕控制指南》進入了飛機的設計、制造和維護，為確保殲-10使用20年、飛行5000h不出現重大腐蝕故障做出了貢獻。

與國外先進國家相比，現代交通各領域還存在一些問題和差距，特別是在一些核心和關鍵技術上仍處于“跟跑”階段，主要體現在以下幾方面。

（1）關鍵核心技術依靠進口或引進國外許可證技術生產。我國能夠生產為普速列車配套的輪軸部件，而250km等級以上的高速列車輪軸材料全部從國外進口。普通機車車輛用軸承總體技術水平基本與世界先進水平相當，但國內生產的高速鐵路軸承僅適用于160km等級的車輛；船舶動力裝置、甲板機械與艙室設備等船舶配套業的技術與產能狀況遠落后于造船主業的發展，船用柴油機主要是原裝整機進口或是引進國外許可證技術生產。海洋平臺的重要結構如樁腿用超高強度鋼、Z向鋼、高技術船舶所需的一些特殊性能的材料如殷瓦鋼等還需進口。主船體用鋁合金也仍需進口。

（2）材料的基礎和應用研究應進一步加強。受鐵路政策的影響，我國鐵路制動材料有許多特殊的地方，帶來了許多新的問題，如造成金屬鑲嵌和對車輪的異常磨耗等，需要進行系統基礎理論等方面的研究工作。部分高速動車組在超低溫條件下長時間運行等技術現狀下的輪軸設計和制造技術問題也急需解決。

我國鋼鐵工業發展迅速，但一些品種質量仍然不能滿足汽車工業發展的需要，如高強度動力傳動系統用高強度非調質鋼、齒輪鋼等。

船舶與海洋工程裝備重要的耐大氣腐蝕鋼發展比較成熟，而耐海水腐蝕用鋼國內雖開發力度最大，但進展緩慢，應用量很少。船舶建造方面我國的超寬、超薄、超長等特殊規格船用鋼的生產技術還較薄弱。玻璃鋼船舶的建造與使用規模顯著落后。特殊鋼材和特殊造船工藝技術的欠缺導致了我國在一些高技術船舶的建造方面仍處于落后狀態。

我國航空材料目前還滿足不了研制和生產現代發動機（推重比為10）和寬機身大飛機的能力，許多能保證相關零件服役環境適應性的材料、工藝和涂層還需要抓緊研究。

（3）材料質量穩定性和批次一致性差。我國鐵路鋼軌材質已形成系列，基本滿足不同運輸條件對鋼軌的需求。但在材質的純凈化、強韌化、重型化等方面仍需進一步開展研究。汽車輕量化是解決汽車高油耗和高排放的最直接最有效的途徑之一，中國汽車輕量化工作目前已取得了一定的進展，為適應汽車輕量化的需要，一系列先進的高強度輕質材料得以發展，但批量穩定性和國外相比仍然存在較大差距。

我國航空材料仿制多，材料性能不夠穩定，使用可靠性較差。如航空、鐵路常用的金屬材料，其常規性能基本能達到國外的先進水平，但疲勞極限相比國外低5％～15％。歷史上，我國出現過許多材料過早失效所引發的事故，有的甚至是重大事故。例如電鍍鋅過程中，除氫不足，引發××飛機20框裂紋，使一批飛機停飛；電鍍鎘零件使用位置不當，引發鎘侵蝕，使××發動機壓氣機盤撕裂飛出，造成一等事故；××發動機一級壓氣機葉片熱處理不合理，引發多起二等事故，造成一批飛機帶隱患飛行等。說明材料的壽命最終體現在產品的壽命，而延長材料的壽命，需要擁有適應各相關零件服役環境要求的材料，并保證材料的質量穩定性和批次一致性。

（4）材料的標準化和規范化遠遠不足。我國高鐵動車組輪軸雖可進行小批量制造與應用，但缺乏系統性標準體系研究、系統基礎分析與可靠性研究等。國內鐵路材料制造企業均處于被動，還不能做到研制一代、儲備一代，跟著國外跑，也未參與到相關國際標準的制定中，對標準中一些概念不能很好理解。由于對高速鐵路新產品上路條件的限制，國內鐵路行業需迫切建立中國高速鐵路行業輪軸材料技術標準，實現在自主創新體系支撐下的高速輪軸國產化。我國汽車行業從2010年開始著手制定汽車用材規范，起步較晚，部分標準缺失和落后，影響新材料、新技術在汽車工業中的應用。

我國航空材料牌號多、亂且重復，沒有形成相互聯系與協調配套的材料、工藝及理化檢測標準系列，材料性能數據“少、缺、散”現象嚴重，航空材料應用的規范化和標準化程度明顯不夠。

（5）材料檢測和評價體系需加強和完善。我國研制的閘瓦、閘片等廣泛應用于鐵路機車車輛中，目前國內外差異主要體現在制造技術和評價體系方面。環境適應性是材料評價體系中的關鍵環節之一，1956年航空系統開始建立全國大氣環境試驗網站，1957年我國與東歐七國啟動了熱帶電器產品的環境試驗，部署了全國的試驗網站，對飛機機載電器產品環境適應性開展了有益的研究。近年來，我國航空材料環境適應性評價方面得到了一定的加強，但距離先進國家差距仍很大，亟須加強。民機材料采用國際采購的方式，但關鍵的是民機材料國產化不夠。民用飛機所用關鍵材料必須擁有100爐連續規模生產的穩定數據才可能通過并入編《民用飛機材料采購手冊》。目前還沒能評估我國軍用飛機使用的材料有多少能通過適航檢查。

（6）材料體系建設需進一步完善，并大力推廣。我國的航空材料仿制了英國、法國、美國和俄羅斯等多國的材料，20世紀末，逐步清理和編寫了發動機、飛機（包括直升機）和機載設備的材料體系，明確了發展具有自主知識產權的新材料發展方向。但目前很多航空材料選用仍主要以國外原型機材料國產化為主。

我國汽車用鋼系列包括德系、美系、日系、法系和韓系，做了大量的國產化工作，目前我國鋼鐵工業發展迅速，需要建立自己的汽車材料體系。

（7）具有指導性意義的各類材料手冊需要更新。船舶材料種類相當廣泛，1989年版的《船舶材料手冊》涉及材料種類高達260多個。至今，船舶材料的品種不斷更新和發展，《手冊》已不能滿足需求；1988年版的《中國航空材料手冊》包括了飛機、發動機和機載所需要的各種材料1677個牌號，2002年第二版《中國航空材料手冊》淘汰了舊材料94個牌號，增加了605個新材料。目前又有一批新材料問世，一些舊材料需要淘汰，需要更新手冊。

（8）材料應用發展的不平衡狀態需改善。我國船舶材料的發展很快，但不平衡，且創新不足。大型造船企業船舶質量已達世界一流水平。而一些小型船企船舶（如漁船）使用壽命遠低于國外同類船舶。但這些船舶的總量十分龐大，造成不可回收的材料消耗也最大，改善它們材料應用的落后現狀是一項艱難而急需的任務。

5.3.2　建議

（1）編制具有指導意義的各類手冊，如《鐵路高速、重載應用材料技術手冊》、《船舶材料手冊》、《船舶防腐蝕設計手冊》、《中國航空材料手冊》（第三版）、《艦載飛機材料失效預防與控制指南》等，并建議中國工程院能不斷地組織全國的專家進行研討，給予理論和技術指導。

（2）建立行業材料和結構信息系統，從產品研發、性能數據、標準、生產和制造、質量監測、失效分析及壽命終了建立起全過程的管理系統。

（3）開展關鍵基礎性項目的研究，如開展材料質量穩定性和一致性的研究、材料和相關工藝技術的環境協調性評價的研究和評估、新材料失效與損傷行為及安全評估研究等。

5.4　化工與石化工程

5.4.1　成就與差距

（1）我國主要的石油和化工產品產量居世界前列。例如，化肥、染料產量居世界第一位，純堿、農藥產量居世界第二位，原油一次加工能力和硫酸、燒堿產量居世界第三位，合成橡膠產量居世界第四位，乙烯和五大合成樹脂生產能力居世界第五位。近十年中國煉油能力增長量最大、增速最快，能力增加72.8％，年均增長率6.3％。2012年，石化產業累計產值108585億元人民幣，其中化工行業72036億元人民幣、煉油行業33561億元人民幣。化工產品實現銷售收入70829.03億元人民幣。外貿易總額3976億美元，其中進口2273億美元，出口1702億美元。化工行業增加值同比增長15.1％。主要產品中，燒堿產量1763萬噸，純堿產量1837萬噸，化肥產量6051萬噸。

（2）化工材料從最初滿足基本生產需要的基礎材料發展到現在用于各種新領域的新材料，如用于可再生能源產業的多晶硅、碳纖維；用于腐蝕環境的芳綸、氟材料、硅材料、工程塑料；用于海水淡化、污水處理、現代分類技術的各種膜材料；有利于環境的各種生物質基材料；用于國防、軍工的特種纖維、特種聚合物等。這些化工新材料對于我國整個工業領域的發展都有著極其重要的意義。

（3）化工與石化新工藝、新技術、新材料、新設備等方面與國際水平差距如下。

①核心與高端技術及設備依賴進口（依賴度70％），成為行業轉型升級的“瓶頸”。2012年原油對外依存度76.2％，天然氣依存度29.7％，2013年依賴程度仍呈上升趨勢。

②化工行業材料手冊多是普通材料的選用方法，缺乏新材料選用標準。

③化工設備核心材料使用可靠性與壽命不高，腐蝕失效及其事故頻繁，腐蝕防護和工藝過程與國外有較大差距。

④化工行業能耗水平與國外差距較大。以合成氨為例，國內平均能耗為1392kgce/t，美國為1000kgce/t左右。生產工藝和通用設備的設計、材質、制造及操作控制水平對能耗有決定性影響。

⑤石化與化工行業專用設備在大型化、創新性以及核心技術方面差距較大。

a.合成塔。尚無設計制造30萬噸/a氨合成塔的經驗。

b.大型聚合釜。主要表現在攪拌器種類少、創新性不足、選型能力差。國外帶攪拌器反應釜技術比較成熟，可以根據不同物料和參數系列開發各種攪拌器結構形式。

c.鈑翅式換熱器（冷箱）。我國還沒有掌握高壓冷箱的設計與制造技術，在分凝分餾技術方面與國外差距較大。

（4）截至2013年11月，我國油氣管道建設總里程為10.6萬公里，“十二五”規劃末管道總長15萬公里，2020年達20萬公里，基本建成覆蓋全國的油氣管網，承擔70％原油成品油和99％天然氣運輸。西氣東輸一線采用X80管線鋼，標志著我國輸氣管道進入跨越式發展時期；世界上最長的天然氣管道西二線總長8704km，是我國第一條進口天然氣大型管道，實現了X80管線鋼全面國產化；在建總長7378km的西三線和2038km的西四線將一改我國天然氣供應格局；目前已完成西五西六線的規劃與勘查工作，西七西八線也正在規劃中。第一批戰略石油儲備基地已在鎮海、岙山、黃島、大連四個沿海地區建設，標志著國內大型儲罐建設迎來了成熟發展期，四大國儲庫的10萬方儲罐已實現自主設計建設。目前，15萬方罐建設正在國產化，已具備20萬方罐設計能力。

（5）隨著西氣東輸一線工程全線貫通，特別是陜京一二三線、忠武線、川氣東送以及西氣東輸二線等骨干管線建成，以及沿海液化天然氣（LNG）接收站布局投運，極大促進了天然氣資源在城市燃氣行業中的規模化利用，天然氣資源供應渠道實現多元化。2012年我國天然氣表觀消費量達到1475億立方米，用氣人口超過2億，城鎮氣化率達到29％，城市燃氣、發電用氣提升，工業用氣、化工用氣下降。截至2013年11月城鎮燃氣管網總長度已超過45萬公里。在中亞、中緬跨國天然氣管道的推動下，城鎮燃氣將繼續增長。

（6）在管道業和城市燃氣業的大發展中，干線管道、城市燃氣設備設施和管網的安全事故也呈上升趨勢。事故模式為爆炸、斷裂、變形、表面損傷，主要原因為第三方破壞（40％），腐蝕、管材質量、施工質量、突發性自然災害。儲罐的火災與爆炸是我國目前最常見、后果最嚴重的事故。最新案例如下。

①2013年11月22日，中石化青島開發區黃濰輸油管線管道腐蝕穿孔破裂漏油造成原油泄漏和爆燃，原油沿著雨水管線進入膠州灣，致67人死亡、11人失蹤，膠州灣油污1萬平方米。

②2013年6月2日，大連市甘井子區大連石化939號儲罐發生爆炸起火，引起臨近936號、935號和937號儲罐著火。事故造成2人死亡、2人失蹤。

③2013年11月24日，浙江溫州鹿城區馬鞍池東路與大南路交叉口，發生施工燃氣管道爆炸事故，多人受傷。

（7）目前X90及以上高強度管材尚未工業化應用，管道焊接和裂紋控制技術差距較大，特大口徑金屬/非金屬復合管尚為空白，缺乏系列化的高精度裂紋智能檢測技術，大口徑抗大變形和抗硫管材尚未工業化應用，城市燃氣管網檔案缺失并常年得不到維護，未建立管道事故上報、分析和公共數據管理機制，管道完整性與可靠性管理機制尚不完善。特大型儲罐和全容罐（20萬立方米及以上）建造尚為空白，大型閥門、儲罐焊接技術與焊材急需國產化，儲罐在線機器人檢測技術落后，開罐檢修周期缺乏理論依據。

5.4.2　建議

（1）系統編撰化工行業和裝備全壽命周期材料研制、設計、選用、制造工藝、防腐蝕及維護各階段全過程的新標準和手冊。

（2）制定強制性支持政策措施，開發推廣節能減排技術，提高材料質量、改進工藝水平。

（3）自主開發高強度管材（X100、X120）。研究新管材在復雜嚴酷環境下的服役行為，研究應用新型管道鋼長距離、高壓、大流量輸氣管道的設計方法，制訂管道的設計壽命，開展管道壽命預測技術和延壽機理的前瞻性研究，突破材料環境失效的預測和控制的重大科學和技術問題，形成管材延壽技術體系。

（4）開展大型天然氣管網安全與供應可靠性研究，加強管道完整性檢測技術和評價標準的基礎研究。建立管道完整性與可靠性管理機制，強制推廣管理體系的覆蓋實施，推行管道和管網安全的強制性標準，建立國家或行業統一的監督機制，完善檢測評價機制，政府監管實行分類定期的安全檢測和安全評估。

（5）加緊對進口燃氣輪機、大型和小微型LNG裝置、大型閥體及其關鍵部件的國產化進程，盡早形成自主技術體系。

（6）加強腐蝕工程教育，組建一批規模化、規范化、標準化、專業化的防腐蝕工程公司。

（7）統籌和治理城市燃氣行業中政府、央企、民企、外企及相關股份制企業的區域壟斷格局，理順天然氣上下游供需矛盾。

（8）在國家新型城鎮化發展思路下，引導市場化取向，吸引社會資金參與，加快組織、規劃、實施城鎮燃氣管網改造和建設，構筑市政建設方與管網營運方的聯動機制，監理管網設施檔案信息管理系統，建立管網安全評估制度，實行管網安全動態管理。

（9）建立國家或行業油氣儲運及城市燃氣事故上報和管理機制，針對事故進行宏觀統計、統一管理和分析研究，創建事故及其分析的宏觀公共數據庫。政府規劃和組織行政區域交叉、管道（網）營運交叉、地質環境復雜、人員活動稠密、社會依托條件差、搶險交通條件差、社會環境復雜等區域的油氣儲運事故聯防力量，強制實行高效管道巡護，從根本上消除聯防“盲區”。

（10）建立中國管道安全法律法規體系，強力實施并建立責任追究制度。在《管道安全保護法》中增加詳細的防腐內容，在新管道建設中從制管、施工、管理各環節建立管道的身份證，以保證管道責任事故的問責。

5.5　基礎設施工程

5.5.1　發展現狀

（1）公路交通基礎設施

①道路結構。目前，全國公路總里程達423.75萬千米，其中等級公路里程360.96萬千米，占公路總里程的85.2％，二級及以上公路里程50.19萬千米（高速公路里程達9.62萬千米），占公路總里程的11.8％。全國有鋪裝路面229.51萬千米，其中，瀝青混凝土路面64.19萬千米，水泥混凝土路面165.32萬千米。高速公路鋪裝主要采用瀝青混凝土，其中改性瀝青用量比例已超過10％，遠高于國外高速公路。

②橋隧結構。全國公路橋梁達71.34萬座、3662.78萬米。其中，特大橋梁2688座、468.86萬米，大橋61735座、1518.16萬米。公路橋梁90％以上采用鋼筋混凝土或預應力混凝土材料，不到10％的橋梁采用鋼材、石材、木材。

全國公路隧道為10022處、805.27萬米。其中，特長隧道441處、198.48萬米，長隧道1944處、330.44萬米。隧道襯砌主要采用鋼筋混凝土材料。

（2）水運交通基礎設施。全國港口擁有生產用碼頭泊位31862個，其中，沿海港口和內河港口生產用碼頭泊位分別為5623個和26239個。港口碼頭工程主要采用混凝土和鋼材。水泥強度等級要求不得低于32.5級，鋼材主要為碳素結構鋼、低合金高強結構鋼、橋梁用碳素結構鋼和普通低合金鋼板。

（3）水利基礎設施。我國水工大壩總量位居世界第一。目前30m以上大壩為5443座，其中，300m以上大壩有1座，壩高200～300m的大壩有14座，壩高在150～200m的大壩有27座，壩高在100～150m的大壩有124座，壩高在60～100m的大壩有509座，60m以下的大壩有4770座。大壩主要分為土石壩、混凝土壩、漿砌石壩、鋼筋混凝土壩、橡膠壩、木壩等。混凝土筑壩的主要材料要求采用低水化熱和低收縮混凝土。

（4）工業與民用建筑設施。我國既有建筑保有量約為440億平方米，其中工業廠房有40億平方米，城鄉民用建筑總面積為400億平方米。建筑業總產值占GDP的6.6％。主要采用木結構、磚石結構、磚木結構、磚混結構、鋼筋混凝土骨架結構和鋼結構，混凝土是建筑主要材料。

5.5.2　基礎設施發展存在差距

（1）公路交通基礎設施

①道路路面結構。美國AASHTO規定設計年限一般為10～20年；英國、法國、德國、南非規定設計年限一般為20年；澳大利亞規定為20～40年；日本的設計年限，從疲勞開裂的角度考慮為20年。我國規定的瀝青混凝土路面設計使用年限：高速公路、一級公路為15年；二級公路為12年；三級公路為8年；四級公路為6年。我國水泥混凝土路面設計使用年限：高速公路、一級公路為30年；二級公路為20年；三級、四級公路分別為15年和10年。

我國瀝青路面設計使用年限總體上略低于發達國家。存在的主要問題是服役年限不能完全達到設計要求，大多在使用到設計使用年限的2/3時就出現了結構性路面損壞。

②橋梁結構。美國AASHTO規定公路橋梁的設計年限為75～100年；英國BS規定設計使用年限120年；歐盟Eurocode規定設計使用年限100年；日本規定設計使用年限100年。

根據《工程結構可靠性設計統一標準》，大橋、特大橋和重要橋梁設計使用年限為100年，中橋和重要小橋為50年，小橋和涵洞為30年。我國公路中、小橋設計標準總體偏低。主要存在問題是13％公路橋梁技術狀況達到四類或五類。

我國公路混凝土橋梁使用壽命短于發達國家橋梁。美國公路鋼筋混凝土橋梁平均使用壽命73～83年，預應力混凝土橋梁平均使用壽命66～102年；日本公路混凝土橋梁平均使用40～60年大修或重建；荷蘭混凝土橋梁平均使用壽命41年。而我國公路混凝土橋梁平均使用30年后大修或重建。

（2）水運交通基礎設施。我國港口結構設計標準規定，永久性港口建筑物的設計使用年限為50年，臨時港口建筑物為5～10年。

我國20世紀80年代年前建成的海港碼頭一般5～10年就出現銹蝕破壞，狀況較好的使用壽命僅為20年左右。使用壽命遠低于國外碼頭75～100年的標準。80年代后，采用高性能混凝土，港口工程使用壽命可提高到50年，甚至100年。

（3）水利基礎設施。據水電部調查，我國水工混凝土建筑物耐久性的總體狀態欠佳，大部分大壩或水閘在運行20～30年甚至更短時間就出現明顯的耐久性不良、材質劣化問題。

我國現有的混凝土壩中，壩齡最長的已超過70多年，20世紀50年代修建的大壩壩齡也已達到60年。由于設計標準偏低和環境侵蝕作用，老化現象日趨嚴重。

（4）工業與民用建筑設施。我國民用房屋建筑和公共建筑的主體結構構件實際平均使用年限達50年，且不需大修，但一般構件使用年限不到30～40年就出現鋼筋銹脹破壞和混凝土保護層剝落；一般工業廠房及露天構筑物使用25～30年后即需大修，接觸有害氣體液體物質的工業建筑使用壽命僅15～20年甚至更短。

（5）小結。改革開放30年，我國已發展成為公路交通運輸、水運交通運輸、水利工程、工業與民用建筑等基礎設施的大國。基礎設施建設的發展推動了工程建設與養護技術體系的發展，形成了較為完備的技術標準體系。目前，我國基礎設施進入了建養并重階段，提高基礎設施建設質量和延長設施的服役壽命已成為當今的主題。

長期以來的“重建設，輕養護”“邊建設，邊研究”的發展模式導致基礎設施的服役壽命偏短。除了經濟的高速發展帶來的高交通量、環境惡化等外因外，基礎設施材料本身的壽命偏短和性能偏低是造成使用壽命偏短的內因。

5.5.3　基礎設施延壽的發展建議

（1）在基礎設施結構設計標準方面，借鑒發達國家的經驗，提高我國工程材料的性能和設計標準，提高結構冗余度，確保結構設計使用年限。

（2）適時啟動我國基礎設施長期性能研究計劃，形成結構長期性能數據采集、管理和研究的戰略機制，推動新一代基礎設施結構設計、施工和養護技術的發展。借鑒發達國家經驗，加快開展以兼顧強度和壽命為核心的“基礎設施使用壽命設計技術體系”的研究。

（3）大力推進服役基礎設施使用壽命（年限）評估技術體系的建設，研發服役基礎設施結構安全性和剩余壽命的評估手段，建立設施結構延壽式養護技術標準體系，實現對設施結構的預防性養護。

（4）啟動服役基礎設施工程壽命管理條例的編制工作，提出確保基礎設施工程長期安全使用的制度要求，全面貫徹基礎設施結構全壽命責任制，促進基礎設施的可持續發展。

5.6　農業機械工程

5.6.1　發展現狀

（1）農業機械的廣泛推廣和全面應用將顯著提高農業勞動生產率、土地產出率和資源利用率，關系到我國13億人民的生活和國家糧食安全，是新型城鎮化建設中推進農村人口轉移的必要條件，是全面建設小康社會的重要環節。

2012年我國農作物耕種收綜合機械化水平達到57％，農機總動力達到10.2億千瓦，大中型拖拉機、水稻插秧機、玉米聯合收割機擁有量分別達到490萬臺、50.7萬臺、23.3萬臺。我國不但是農機應用第一大國，也已經成為農機生產第一大國。

2012年僅農機用鑄鐵材料就消耗590萬噸，與鋼材合計消耗量超過1000萬噸。特別是最近10年，由于黨的惠農政策的貫徹，我國農機工業連續10年以超過20％的增速高速成長。這對農機制造業和制造技術都提出了更高的要求，以確保為高速發展的農業機械化和現代化助力，其中，材料和材料加工技術作為農業機械制造的基礎將發揮越來越重要的作用。

（2）我國的農機材料及制造技術伴隨著我國的農業機械化，經歷了幾個不同時期發展至今，為推進我國的農業機械化和農業現代化做出了貢獻。其中，早在“五五”到“七五”計劃期間，我國農機工程材料領域就開展了很多工作，1978年、1981年、1984年相關部門分別組織翻譯出版了3部農機工程材料方面的技術文獻集，首次系統地介紹了國外農機工程材料發展狀況、農機用鋼和農機抗磨技術，同時，開展了大量農機工藝材料的科研課題研究，取得了農機薄壁鑄鐵、變截面板簧、砂土犁鏵等一批科研成果。進行了從黑龍江到海南島、從膠州灣到新疆的全國范圍的農機磨損和農機腐蝕情況的調查。1978～1985年間，農機行業出國考察86項，引進項目78個，其中約30％為材料及其加工技術考察，農機材料和工藝方面的出國進修科目14個；來華交流中材料專題有5項。來華交流報告和出國技術考察報告中材料工藝相關報告101篇。“六五”計劃到“七五”計劃期間列入國家標準和行業標準的熱軋特殊斷面型鋼有11個品種17種規格，基本形成了我國農機工程材料體系，支撐著3000多種農機的生產，在材料的數量上基本滿足了當時條件下我國農業機械的生產需求。

（3）21世紀以來，農機行業中內燃機骨干企業的工藝裝備水平和鑄造技術水平顯著提高，缸體廢品率的先進水平已經下降到1.5％以下，部分鑄件的精度、粗糙度、力學性能、耐磨耐熱耐蝕指標達到了國際一流水平，在規模企業和大型工廠，鐵水的熔煉水平不低于先進國家，100kg以內的精密鑄造件具有相當的國際競爭力。

（4）已有部分農機企業走出去，到國際上尋找自己需要的匹配資源，來彌補自己的短板和能力上的不足，甚至直接購買國外先進水平的零部件工廠進行“嫁接”，獲得海外的成熟技術，在此過程中企業的材料應用水平和產品質量得到大幅度提升，直接與國際先進水平并軌。

（5）行業普遍認為，農機零部件的質量水平在60％以上的程度上影響整機水平，與材料和材料制造技術密切相關的零部件制造業近年來得到了快速發展，近8年平均年增長率高達57％，2012年產值達到474億元。通過進一步規范小的和落后的配件企業，在行業中切實貫徹專業化、標準化、系列化、推行全面質量管理，加強材料及其相關技術的應用，還將進一步提升我國農業機械的質量水平。

5.6.2　問題和差距

（1）總體來看，我國農機工程材料的應用水平還不高，不但落后先進國家20～30年，也落后于國內汽車等行業10年。國內各農機企業的材料和應用技術水平參差不齊，一些小作坊質量低劣的配件依然流向市場。

（2）我國農機可靠性問題突出，作業故障率較高，拖拉機一般使用大約2000h后就需要大修，而發達國家一般使用5000～6000h后才需大修，產品使用壽命高于我國1倍多。國產聯合收割機平均故障間隔時間普遍達不到國家規定的70h，只是國外同類產品的1/3；平均無故障工作時間只有30～40h，遠低于國外同類產品的70～100h等。

（3）我國幅員遼闊，各地的土壤、氣候、地貌差別大，肥料和作物也都參與侵蝕作業裝備，作業環境嚴酷，由此引發的農機零部件的磨損、腐蝕、斷裂失效現象較為嚴重。而作為農機裝備自身的問題主要是零部件材料和材料加工技術問題。主要表現為膠帶壽命短、液壓件漏油、發動機可靠性差等。由材料問題導致的早期失效也很常見，如農機入土件使用壽命短、動力鏈條拉長變形。更嚴重的情形有機械操控失靈、輪胎脫落、傳動軸和發動機曲軸斷裂等。

（4）農機技術水平與先進國家差距大，基礎工藝、基礎材料、基礎零件依然是制約我國農業裝備水平提升的最薄弱的環節。我們模仿的產品越來越像，但是在關鍵部件的研究上卻進展緩慢，著力不足，疏忽了基礎性的工作。

（5）我國生產的材料在數量上基本滿足需求，而在冶金質量和材料性能上與先進國家還有明顯的差距。相同牌號的材料，國產的性能低于進口的，零部件國產化時，往往需要考慮加大尺寸。有牌號沒實物和材料降級替代、購進材料中不合格品和混料時有發生，給后續熱處理等工序造成困難，甚至出現廢品。

（6）為農機工程配套的材料加工企業規模小，如鑄造廠，平均規模1117t（2008年），只相當于先進國家（如德國）的1/10，整體水平不高，鑄件廢品率（2％～3％）成倍于發達國家。熔煉造型分析及檢測儀器、生產工藝裝備整體水平落后于發達國家，能耗高、污染嚴重、噸鑄件的各種污染物排放總量是工業發達國家的3～5倍，噸鑄件的生產能耗是發達國家同類工藝的1.5～2倍。

（7）由于材料和材料加工技術的原因，一些農機關鍵件需要進口，如自動變速箱、采棉頭、打結器、青飼收割機切碎機的動刀和定刀片等，高端的液氣密封件、軸承、閥體也仍然需要進口，進口零部件可靠性和耐久性好，制作精美。

（8）熱處理裝備和工藝管理水平不高，加上原材料質量問題，導致農機零部件熱處理質量問題突出，引發變形、斷軸，甚至行走時車輪脫落而造成事故。由于材料和材料加工技術方面的原因，農機零配件的合格率不高，一直都在60％～70％。

（9）表面涂裝技術和表面工程技術的應用有很大差距，進口農機涂層精美耐久，涂層面在數年間可保持基本完好，而國產農機表面1年甚至幾個月就可以看到明顯的變化，防護性能和耐候性都有很大差距。而在涂裝材料方面，高端涂料靠進口，涂料中使用的高端著色顏料也基本上為國外巨頭所控制。堆焊和熱噴涂等表面工程技術在農機上的應用不如國外普遍，應用水平也有差距。今后，應重點在農機具方面加強推廣應用。

5.6.3　建議和措施

（1）建設農機作業環境工況模擬室內實驗平臺，構建材料選材標準體系，組織編寫《農機工程材料應用手冊》。

（2）在行業科研院所的基礎上，建設農機工程材料關鍵技術和共性技術研究平臺，針對農機服役環境的特點，組織開展農機行業材料共性技術和關鍵零部件延壽攻關研究，加快先進制造技術和材料延壽技術在農機工業中的應用研究，縮短我國農機與國際先進水平的距離。

（3）進一步補充和完善農機零部件和配件行業準入條件，促進節能、節材、環保和可持續發展政策的貫徹落實，促進農機零部件水平提高和市場的健康有序發展。