王振川 劉雪敏 笪耀東

（國家市場監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（特種設(shè)備安全與節(jié)能）,中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029)

承壓設(shè)備是承壓類特種設(shè)備的簡稱,是指涉及生命安全、危險(xiǎn)性較大的鍋爐、壓力容器（含氣瓶)及壓力管道等設(shè)備設(shè)施[1],主要分布在經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的城市和地區(qū),同時(shí)又是公共安全的重要組成部分,受到國家和政府的高度重視[2]。承壓設(shè)備廣泛應(yīng)用在石油化工、電力能源、熱力供暖、燃?xì)廨斉涞汝P(guān)系國計(jì)民生的重要行業(yè)領(lǐng)域,在保障能源綠色低碳轉(zhuǎn)型、促進(jìn)新能源發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

承壓設(shè)備具有量大面廣、能源資源消耗量大等特點(diǎn),截至2022 年底,全國共有鍋爐32.92 萬臺、壓力容器497.15 萬臺、氣瓶2.35 億只、壓力管道8.59×105km（在冊）[3]。承壓設(shè)備是能源資源消費(fèi)大戶,也是重要的污染物和碳排放源。據(jù)估算,每年承壓設(shè)備生產(chǎn)用鋼材近107t；在能源消耗方面,以鍋爐為例,年消耗能源約2×109t 標(biāo)準(zhǔn)煤,碳排放量占全國碳排放總量的40%[4]。同時(shí),承壓設(shè)備對于氫能儲運(yùn)、光熱發(fā)電及壓縮空氣儲能等新能源領(lǐng)域發(fā)展具有重要支撐作用,例如在氫氣儲運(yùn)系統(tǒng)中,幾乎所有的儲氫、輸氫裝備都是由壓力容器、壓力管道、氣瓶等承壓設(shè)備構(gòu)成的。承壓設(shè)備綠色化、低碳化、智能化發(fā)展,對我國綠色低碳循環(huán)發(fā)展體系建立具有重要意義。

本文從鍋爐、壓力容器、油氣長輸管道等典型承壓特種設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢出發(fā),論述我國承壓設(shè)備綠色發(fā)展方式,闡述承壓設(shè)備對我國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的安全保障作用,分析承壓設(shè)備綠色低碳發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)體系脈絡(luò)。通過對承壓設(shè)備綠色低碳發(fā)展趨勢進(jìn)行分析與展望,助力我國“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

1 承壓設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及問題

1.1 鍋爐設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及問題

近些年來,鍋爐設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造取得了較大的技術(shù)發(fā)展和突破,朝著更大容量、更高蒸汽參數(shù)、更低污染物排放方向發(fā)展,其中電站鍋爐主汽壓力已達(dá)31 ～35 MPa,主汽參數(shù)已達(dá)620 ～630 ℃,并朝650 ℃等級邁進(jìn)[5]；燃煤工業(yè)鍋爐最大額定熱功率已達(dá)168 MW,燃?xì)夤I(yè)鍋爐為116 MW,電加熱工業(yè)鍋爐最大額定蒸發(fā)量為80 t/h,工業(yè)鍋爐定型產(chǎn)品的平均測試熱效率呈現(xiàn)明顯的升高態(tài)勢[6]。

我國電站鍋爐的發(fā)展經(jīng)歷了引進(jìn)、消化吸收、優(yōu)化創(chuàng)新到全面發(fā)展的階段,形成了哈爾濱鍋爐廠、東方鍋爐廠、上海鍋爐廠三大電站鍋爐制造和研發(fā)基地,我國電站鍋爐技術(shù)跨進(jìn)了世界先進(jìn)水平行列,開發(fā)了600 ～1 000 MW 超超臨界二次再熱鍋爐,300 ～600 MW 大型循環(huán)流化床鍋爐、余熱鍋爐。目前我國已能制造適合多煤種、不同燃燒方式、不同爐型的全系列產(chǎn)品,形成了中壓、高壓、超高壓、亞臨界、超臨界、超超臨界等一系列不同壓力等級的電站鍋爐[7]。

工業(yè)鍋爐是重要的熱能動力設(shè)備,廣泛應(yīng)用于工業(yè)動力、建筑采暖、人民生活等各個(gè)領(lǐng)域。目前我國持有各級別鍋爐制造許可證的企業(yè)1 300 余家,工業(yè)鍋爐年產(chǎn)量約39 萬蒸t/h,我國是當(dāng)今世界上工業(yè)鍋爐生產(chǎn)和使用最多的國家[8]。在宏觀經(jīng)濟(jì)下行、節(jié)能減排需求提升、結(jié)構(gòu)調(diào)整陣痛顯現(xiàn)的形勢下,我國工業(yè)鍋爐產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整,燃?xì)忮仩t、生物質(zhì)鍋爐等工業(yè)鍋爐迅速發(fā)展,工業(yè)鍋爐逐步向燃料清潔化、大型化、高效率方向發(fā)展,工業(yè)鍋爐自動化水平不斷提高,能耗高、污染重的狀況得到明顯改善。

2005 年以來,我國加大了鍋爐節(jié)能減排工作力度,鍋爐節(jié)能環(huán)保水平有了大幅度提高,其中電站鍋爐平均供電煤耗由2011 年的330 g/（kW·h）持續(xù)下降至2022 年的301.5 g/（kW·h）[9],工業(yè)鍋爐定型產(chǎn)品的平均測試熱效率明顯升高[6]。但在當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)背景下,電站鍋爐還存在大容量、高參數(shù)機(jī)組所占比例有限、平均供電煤耗與先進(jìn)機(jī)組存在一定差距、大量燃煤電站鍋爐仍有較大節(jié)能增效改造空間等問題。為保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性,應(yīng)對新能源的間歇性和不穩(wěn)定性挑戰(zhàn),煤電機(jī)組將通過深度調(diào)峰等方式承擔(dān)新能源消納作用,電站鍋爐面臨著燃燒穩(wěn)定性降低、鍋爐效率降低、NOx排放濃度升高等多重安全節(jié)能環(huán)保挑戰(zhàn)[10]；在工業(yè)鍋爐燃料結(jié)構(gòu)、自動化水平明顯改善情況下,仍存在平均運(yùn)行熱效率與設(shè)計(jì)值有較大差距,設(shè)計(jì)制造、運(yùn)行管理水平有待提高等問題,由于其量大面廣、使用分散的特點(diǎn),工業(yè)鍋爐節(jié)能降碳面臨的形勢也更為復(fù)雜。

1.2 壓力容器發(fā)展現(xiàn)狀及問題

壓力容器是一個(gè)涉及多行業(yè)、多學(xué)科的綜合性產(chǎn)品,涉及冶金、機(jī)械加工、腐蝕與防腐、無損檢測等眾多行業(yè)。壓力容器廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)械動力、航空航天等部門,化工生產(chǎn)中的反應(yīng)裝置、換熱裝置,核動力反應(yīng)堆的壓力殼,鍋爐系統(tǒng)中的汽包等都是壓力容器。它是社會生產(chǎn)過程中必不可少的核心設(shè)備,是一個(gè)國家裝備制造水平的重要標(biāo)志。

全球壓力容器市場主要集中于歐美、日韓和中國等地區(qū),我國壓力容器制造業(yè)從無到有、從小到大,經(jīng)歷了從混業(yè)到專業(yè)的發(fā)展歷程,已形成了多種體制、多種類型生產(chǎn)企業(yè)并存的格局。我國壓力容器設(shè)計(jì)制造與維護(hù)技術(shù)已達(dá)到發(fā)達(dá)國家先進(jìn)水平,實(shí)現(xiàn)了從跟跑、并跑到局部領(lǐng)跑的跨越,壓力容器逐漸向高溫、高壓、低溫、深冷、超大容積、超大壁厚、超長超高等極端方向發(fā)展[11]。

隨著我國石化領(lǐng)域千萬噸級煉油、百萬噸級乙烯、50 萬噸級醋酸大型煤化工等國家重大工程成套化技術(shù)落地,大型壓力容器制造行業(yè)市場范圍廣闊,潛力巨大。從產(chǎn)業(yè)政策、市場需求方面來看,壓力容器行業(yè)前景總體較好,但仍需在行業(yè)技術(shù)水平、技術(shù)創(chuàng)新能力上持續(xù)突破,在高端壓力容器制造領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力。隨著下游行業(yè)的產(chǎn)品升級和轉(zhuǎn)型,未來我國的壓力容器制造業(yè)將呈現(xiàn)大型和特種產(chǎn)品主導(dǎo)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)國際化但產(chǎn)品定制化的態(tài)勢。

壓力容器行業(yè)中相關(guān)企業(yè)的制造水平、經(jīng)營規(guī)模都有了較大提高,但在技術(shù)實(shí)力、產(chǎn)品質(zhì)量等方面仍與國際龍頭企業(yè)存在一定差距。我國壓力容器較歐美同類產(chǎn)品重3%～12%[11],導(dǎo)致建造成本急劇上升,嚴(yán)重降低了我國壓力容器產(chǎn)品的國際競爭力。增加重量并不能必然增加壓力容器的安全性和穩(wěn)定性,在壓力容器大型化、重型化發(fā)展過程中還容易出現(xiàn)耗材耗能費(fèi)工、加工制造困難、難以實(shí)施高質(zhì)量焊接和無損檢測等問題。如何在保障壓力容器本質(zhì)安全的前提下實(shí)現(xiàn)超大型、重型壓力容器綠色制造,在減輕重量的同時(shí)尋求壓力容器的安全性和經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)籌提升是今后壓力容器行業(yè)需重點(diǎn)關(guān)注的突出問題。

1.3 油氣長輸管道發(fā)展現(xiàn)狀及問題

管道運(yùn)輸是目前大規(guī)模、長距離輸送石油及天然氣的主要方式,管道運(yùn)輸成為繼鐵路、公路、水運(yùn)、航空運(yùn)輸之后的第五大運(yùn)輸業(yè),具有運(yùn)輸量大、連續(xù)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[12]。我國作為全球最大的發(fā)展中國家,隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的發(fā)展,工業(yè)企業(yè)與居民對油氣資源的消費(fèi)逐漸加大,油氣管道運(yùn)輸需求不斷增長。截至2022 年底,我國油氣長輸管網(wǎng)總里程約1.8×105km,其中原油管道2.8×104km,成品油管道3.2×104km,天然氣管道1.18×105km,新建長輸管道里程3 000 km 以上[13]。

在原油輸送上,我國管輸原油多為高蠟、高粘、易凝原油,經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)和改造,我國與國外先進(jìn)技術(shù)水平差距逐漸縮小,減阻劑室內(nèi)合成技術(shù)、易凝高粘原油添加降凝劑改性輸送技術(shù)、低輸量添加降凝劑綜合處理輸送工藝等已達(dá)到世界先進(jìn)水平,節(jié)能降耗配套技術(shù)攻關(guān)取得顯著成果,管輸綜合能耗降低約20%。原油流變學(xué)的一些研究成果已用于生產(chǎn)實(shí)踐,取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[14]。在天然氣輸送上,我國大規(guī)模生產(chǎn)和消費(fèi)天然氣是由西氣東輸工程的建成投產(chǎn)開始的,我國天然氣干線管道具有分布零散、相互調(diào)配較難等特點(diǎn)。我國在管道內(nèi)涂層技術(shù)、水合物的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)方面開展了研究工作,取得了一定成果并且制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),但是仍需在分布、聯(lián)網(wǎng)、調(diào)配、儲氣設(shè)施上加強(qiáng)研究。在成品油輸送上,我國主要以輸送柴油和汽油為主,輸送工藝包括密閉輸送、順序輸送、隔離輸送等方法,我國在輸送水力計(jì)算以及批量跟蹤等方面取得了一定研究成果并完成了軟件開發(fā)。

通過分析我國油氣長輸管道技術(shù)現(xiàn)狀,可以發(fā)現(xiàn)我國油氣長輸管道技術(shù)與國外先進(jìn)水平仍存在一定差距。主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：1）原油流變學(xué)的研究仍待深化,尤其是對已建管道原油改性輸送、降溫輸送、間歇輸送等工藝改進(jìn)仍需深入；2）天然氣管道系統(tǒng)運(yùn)行管理和維護(hù)軟硬件水平均需提高；3）仍需深入開展在役管道的剩余強(qiáng)度評價(jià)和剩余壽命預(yù)測研究；4）管輸系統(tǒng)整體優(yōu)化技術(shù)尚在起步階段,能耗指標(biāo)較高,節(jié)能降耗、降低成本仍有較大空間。

2 承壓設(shè)備綠色低碳發(fā)展趨勢

為實(shí)現(xiàn)“中國二氧化碳排放力爭2030 年前達(dá)到峰值,努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標(biāo),必須深入推動制造業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展,努力構(gòu)建高效、清潔、低碳、循環(huán)的綠色制造體系。推進(jìn)承壓設(shè)備輕量化綠色設(shè)計(jì)制造、高效節(jié)能長周期運(yùn)維以及全生命周期綠色低碳循環(huán)等,是未來承壓設(shè)備綠色低碳發(fā)展的重要方向。

承壓設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)的綠色化是其綠色低碳發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié),包括設(shè)備的設(shè)計(jì)方法綠色化使得產(chǎn)品能夠節(jié)材節(jié)能,制造過程中的綠色化、智能化促進(jìn)整個(gè)制造環(huán)節(jié)的節(jié)能減排,以及運(yùn)行過程中的綠色運(yùn)維、合于使用評價(jià)、檢驗(yàn)檢測等方式實(shí)現(xiàn)使用環(huán)節(jié)安全節(jié)能環(huán)保。結(jié)合承壓設(shè)備的特點(diǎn),承壓設(shè)備綠色低碳發(fā)展方向有相似的地方又有所不同,下文將討論鍋爐、壓力容器、油氣長輸管道等承壓設(shè)備的綠色低碳發(fā)展趨勢以及全生命周期內(nèi)承壓設(shè)備的綠色低碳應(yīng)用方向。

2.1 鍋爐設(shè)備朝燃料綠色低碳、運(yùn)行高效節(jié)能方向發(fā)展

我國能源體系下長期形成了以化石能源（尤其是煤炭）為主體的能源結(jié)構(gòu)和基本格局,在“雙碳”目標(biāo)下非化石能源發(fā)展十分迅速,規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大,但是化石能源主體消費(fèi)地位仍較難發(fā)生根本性改變。因此在當(dāng)前能源轉(zhuǎn)型升級背景下,伴隨節(jié)能環(huán)保政策的不斷收緊,電站鍋爐、工業(yè)鍋爐的燃料結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步優(yōu)化,節(jié)能環(huán)保水平仍需不斷提升,運(yùn)行管理能力需持續(xù)提高。國家發(fā)展改革委等部門提出,到2025 年,通過實(shí)施鍋爐更新改造,帶動工業(yè)鍋爐、電站鍋爐平均運(yùn)行熱效率較2021 年分別提高5 個(gè)百分點(diǎn)、0.5 個(gè)百分點(diǎn),實(shí)現(xiàn)年節(jié)能量約3×107t 標(biāo)準(zhǔn)煤,年減排二氧化碳約8 ×107t[4]。

我國電站鍋爐面臨提高效率、降低污染物排放、碳減排以及新能源消納等多重任務(wù),通過推行更嚴(yán)格的能效環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),開發(fā)高效清潔燃煤電站鍋爐技術(shù),節(jié)能降耗改造、供熱改造和靈活性改造制造“三改聯(lián)動”,以及清潔燃料替代等措施,將深入推進(jìn)電站鍋爐和煤電行業(yè)清潔、高效、靈活、低碳、智能化高質(zhì)量發(fā)展[15]。

1）通過技術(shù)創(chuàng)新和燃料優(yōu)化替代等方式,將有助于推動電站鍋爐朝著綠色低碳方向發(fā)展,提高鍋爐能效環(huán)保水平的同時(shí),降低電站鍋爐和火電機(jī)組的碳排放量。當(dāng)前超超臨界機(jī)組普遍采用過熱蒸汽壓力25.0 MPa,過熱蒸汽/再熱蒸汽溫度600 ℃/600 ℃參數(shù),通過研制高效率二次再熱超超臨界鍋爐,可將鍋爐出口參數(shù)提高至過熱蒸汽壓力35.0 MPa,過熱蒸汽溫度605 ℃,一次再熱蒸汽溫度/二次再熱蒸汽溫度623 ℃/623 ℃,供電煤耗降低約12 g/（kW·h）,年減排二氧化碳近2×105t。提高蒸汽參數(shù)至650 ℃可進(jìn)一步降低能耗和減少污染物排放,650 ℃機(jī)組成為今后一段時(shí)間我國火電建設(shè)重要目標(biāo)[16]；在黑龍江、河南等生物質(zhì)資源豐富的地區(qū),進(jìn)一步推廣生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)純燒發(fā)電技術(shù),實(shí)現(xiàn)部分燃料結(jié)構(gòu)優(yōu)化,替代燃煤可實(shí)現(xiàn)近1.3×109t 的二氧化碳減排量[6]。

2）通過節(jié)能改造、靈活性改造以及深度調(diào)峰技術(shù)等,可充分挖掘電站鍋爐及火電機(jī)組調(diào)峰潛力,提高電力系統(tǒng)可再生能源消納能力,推動整個(gè)能源系統(tǒng)綠色低碳發(fā)展體系的建立。在《全國煤電機(jī)組改造升級實(shí)施方案》中指出,“十四五”期間將對供電煤耗在300 g/（kW·h）以上的煤電機(jī)組,加快創(chuàng)造條件實(shí)施節(jié)能改造,同時(shí)對存量煤電機(jī)組靈活性改造應(yīng)改盡改,促進(jìn)清潔能源消納[15]。通過對供電煤耗300 g/（kW·h）以上機(jī)組,特別是亞臨界機(jī)組節(jié)能降碳改造,大型風(fēng)光基地配套煤電靈活性改造以及東北地區(qū)和工業(yè)園區(qū)供熱改造,將逐步降低煤電裝機(jī)占比和發(fā)電量占比,進(jìn)一步提升煤電靈活調(diào)節(jié)能力和清潔高效水平。

我國工業(yè)鍋爐面臨燃料優(yōu)化轉(zhuǎn)型、日趨嚴(yán)格的節(jié)能減排環(huán)保要求、運(yùn)行管理水平有待提高、新產(chǎn)品和新技術(shù)有待研究和突破等問題,未來工業(yè)鍋爐領(lǐng)域?qū)⒕劢构?jié)能、環(huán)保、減排、智能化等多重領(lǐng)域,通過研發(fā)、轉(zhuǎn)化、集成創(chuàng)新等手段形成關(guān)鍵新技術(shù)、新產(chǎn)品,進(jìn)一步提升工業(yè)鍋爐能效水平,持續(xù)推動工業(yè)鍋爐燃料結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整,從源頭控制污染物和二氧化碳排放水平。

1）工業(yè)鍋爐能源結(jié)構(gòu)進(jìn)一步調(diào)整,天然氣、生物質(zhì)比重逐步提高,燃煤比重逐步減少。自2018 年開始,工業(yè)鍋爐定型產(chǎn)品測試中天然氣鍋爐總數(shù)占比超過50%,燃煤鍋爐總數(shù)占比為24.4%,生物質(zhì)鍋爐總數(shù)占比為15.5%[6],可以看出工業(yè)鍋爐燃料結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)根本性變化。隨著我國重點(diǎn)用煤區(qū)域燃煤鍋爐、工業(yè)窯爐等天然氣替代改造完成,我國“煤改氣”項(xiàng)目將會繼續(xù)深化,新增項(xiàng)目將以燃?xì)忮仩t為主,燃煤更多集中利用在大型集中供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目上。

2）我國工業(yè)鍋爐型式已基本成熟,在技術(shù)層面工業(yè)鍋爐將由有到優(yōu)、由整體到細(xì)節(jié)、由單體到系統(tǒng)的方向優(yōu)化提高。燃煤工業(yè)鍋爐中將逐步淘汰鏈條爐,節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢較為明顯的循環(huán)流化床鍋爐、煤粉鍋爐將得到優(yōu)先利用,煤炭潔凈燃燒鍋爐一體化技術(shù)將被優(yōu)化和推廣[17]；燃?xì)夤I(yè)鍋爐將繼續(xù)朝著低氮燃燒、冷凝化方向發(fā)展,同時(shí)摻氫、摻氨等天然氣鍋爐燃燒關(guān)鍵技術(shù)將深入研究和突破；基于天然氣鍋爐的深度利用技術(shù)和產(chǎn)品將繼續(xù)開發(fā)和推廣,未來將朝著多能源系統(tǒng)化、集成化方向發(fā)展,大幅度提高能源利用率及降低二氧化碳等污染物排放。

2.2 壓力容器朝輕量化綠色制造、長周期綠色運(yùn)維方向發(fā)展

隨著我國煉油、石油化工及煤化工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,結(jié)合冶金、機(jī)械加工、焊接和無損檢測等技術(shù)的不斷進(jìn)步,我國壓力容器行業(yè)得到了高質(zhì)量的快速發(fā)展。在“中國制造2025”、制造強(qiáng)國、國家“一帶一路”倡議的不斷推進(jìn)下,壓力容器設(shè)備也面臨轉(zhuǎn)型升級、高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的巨大挑戰(zhàn),需不斷推動壓力容器設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)檢測、使用管理等方面朝著綠色智能化、高端化、長周期化方向進(jìn)步。壓力容器行業(yè)突破了“拓邊界、修準(zhǔn)則、控風(fēng)險(xiǎn)”等技術(shù)瓶頸,揭示了極端服役條件下壓力容器失效模式和機(jī)理,建立完善了壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和方法。在保障壓力容器本質(zhì)安全的前提下,深入推進(jìn)壓力容器輕量化綠色制造、突破長周期運(yùn)行保障技術(shù)等方面將是壓力容器行業(yè)面臨的突出問題。

在壓力容器輕量化設(shè)計(jì)制造方面,我國在國外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了再創(chuàng)新,在現(xiàn)行GB/T 150.1—2011《壓力容器 第1 部分：通用要求》中對材料許用強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行了調(diào)整,許用抗拉強(qiáng)度系數(shù)由3.0 調(diào)整為2.7、許用屈服強(qiáng)度系數(shù)由1.6 調(diào)整為1.5,壓力容器理論節(jié)材約10%；通過微合金彌散強(qiáng)化、組織和厚度均勻性控制等措施,開發(fā)了更高強(qiáng)度技術(shù)材料,實(shí)現(xiàn)了重型化壓力容器輕量化,節(jié)材的同時(shí)降低了壓力容器生產(chǎn)成本；通過多場耦合分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和高效傳熱元件開發(fā),有效提高傳熱效率和減小結(jié)構(gòu)厚度,實(shí)現(xiàn)換熱器輕量化和高效節(jié)能；利用材料應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)提高材料的屈服強(qiáng)度和承載能力,實(shí)現(xiàn)奧氏體不銹鋼深冷儲運(yùn)壓力容器輕量化運(yùn)用[11]。壓力容器輕量化是安全與節(jié)能節(jié)材并重設(shè)計(jì)理念的具體體現(xiàn),已成為壓力容器的主要發(fā)展方向,未來在壓力容器輕量化設(shè)計(jì)制造、局部失效判據(jù)、材料應(yīng)變強(qiáng)化等方面仍需加強(qiáng)基礎(chǔ)研究[18],實(shí)現(xiàn)壓力容器安全環(huán)保節(jié)能節(jié)材綠色化應(yīng)用。

在壓力容器運(yùn)行維護(hù)過程中,面臨著運(yùn)行環(huán)境日趨復(fù)雜、傳統(tǒng)檢驗(yàn)方式失效、結(jié)構(gòu)完整性不明晰、設(shè)備壽命不明確、腐蝕減薄開裂綜合作用等問題。通過開發(fā)基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)、合于使用評價(jià)、在線檢測監(jiān)測技術(shù)等,我國已形成一套達(dá)到國際先進(jìn)水平的基于風(fēng)險(xiǎn)的在役維護(hù)技術(shù)體系,實(shí)現(xiàn)了我國檢修理念和方式的根本變革,我國煉油裝置檢修周期由原來的1 年延長至3 ～6 年,乙烯裝置由原來的2 年延長至4 ～6 年。在追求系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一的理念下,繼續(xù)完善大型石化裝置長周期運(yùn)行工程風(fēng)險(xiǎn)評估與控制技術(shù)、優(yōu)化石化裝置基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)周期、檢驗(yàn)檢測方法、豐富在線檢測監(jiān)測技術(shù)手段以及深入開展腐蝕減薄、環(huán)境開裂、材質(zhì)劣化和機(jī)械損失等失效模式研究,將在有效保證設(shè)備安全運(yùn)行的前提下,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性與安全性的統(tǒng)一,避免不必要的檢測、維修、報(bào)廢造成的巨大損失。

2.3 油氣長輸管道朝降凝減阻、輸送效率提高方向發(fā)展

隨著我國油氣長輸管道總里程不斷增加,管道輸運(yùn)量高速增長,管道消耗能量總量也在大幅增加,如何提高管輸系統(tǒng)的能源利用率,減少單位輸送能源的能耗水平,降低管輸系統(tǒng)的生產(chǎn)成本,是未來油氣長輸管道系統(tǒng)需要重點(diǎn)關(guān)注的研究方向。

我國油氣長輸管道輸運(yùn)的原油具有凝點(diǎn)高、粘度大、流動特性差等特點(diǎn),一般采用加熱輸送,造成能耗高、運(yùn)行效率偏低等問題。通過添加減阻劑,可以阻止油品形成湍流,降低原油流動阻力；通過在原油中添加降凝劑可以改變原油形態(tài)和特性,降低原油凝點(diǎn),進(jìn)而改善原油在低溫下的流動性能,減少原油在輸運(yùn)過程中的加熱能量使用。在天然氣輸送過程中,普遍采用管道內(nèi)壁涂層技術(shù),內(nèi)涂層的使用可以有效改善氣體流動特性,同時(shí)有效防止管壁腐蝕工況的發(fā)生。在天然氣中添加減阻劑是一種新型天然氣輸送節(jié)能技術(shù),國內(nèi)已在天然氣輸送管道中應(yīng)用具有潤滑、防凍等效果的化學(xué)添加劑,但這項(xiàng)技術(shù)仍需深入研究[19]。

我國油氣輸運(yùn)設(shè)備存在運(yùn)行效率偏低、一些管道存在“大馬拉小車”現(xiàn)象,輸運(yùn)管道能耗管理制度不夠精細(xì)等問題。有效提高輸運(yùn)設(shè)備節(jié)能水平,采用先進(jìn)的輸送工藝,對管輸行業(yè)能耗提供科學(xué)有效的評價(jià)、指導(dǎo)和監(jiān)管,將是我國未來油氣長輸管道節(jié)能的重點(diǎn)方向。加熱爐、輸油泵、換熱器是輸油管道加熱的關(guān)鍵設(shè)備,提高加熱爐燃燒效率、開發(fā)新型高效加熱爐燃燒設(shè)備、采用輸油泵變頻技術(shù)、超聲波清洗換熱器積垢等方式都能對油氣管輸節(jié)能減排產(chǎn)生積極作用。同時(shí)應(yīng)用熱泵或光熱加熱等方式替代加熱爐加熱,也可以產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)節(jié)能效益。

2.4 承壓設(shè)備朝著全生命周期綠色低碳應(yīng)用方向發(fā)展

承壓設(shè)備全生命周期可分為材料選取、設(shè)備設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、設(shè)備運(yùn)維、設(shè)備報(bào)廢回收等方面[20],按照全生命周期理論對承壓設(shè)備進(jìn)行綠色低碳管理與應(yīng)用,對我國能源綠色低碳循環(huán)發(fā)展體系的建立具有重要意義,也是未來我國應(yīng)對環(huán)境污染、資源短缺等環(huán)境問題的重要手段。

合理選用材料,是保證承壓設(shè)備安全運(yùn)行的重要措施。當(dāng)材料選用不當(dāng),即使具有較大的強(qiáng)度裕度,仍可能在運(yùn)行環(huán)節(jié)發(fā)生破壞事故。選用承壓設(shè)備的材料,不僅要從操作條件（工作介質(zhì)、壓力、溫度、載荷特性等）、使用環(huán)境（氣溫、濕度等）的角度考慮,還要從制造角度進(jìn)行考慮,即保證材料容易加工并且不易產(chǎn)生加工缺陷。通過開發(fā)和應(yīng)用高強(qiáng)度鋼、新型復(fù)合材料等,對材料端進(jìn)行優(yōu)化,可有效解決生產(chǎn)工藝控制技術(shù)難題,同時(shí)滿足設(shè)備輕量化設(shè)計(jì)需求。

承壓設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要保證各受壓部件具有足夠的強(qiáng)度,避免和減小復(fù)合應(yīng)力和集中應(yīng)力,還應(yīng)在保證安全運(yùn)行前提下進(jìn)行多場協(xié)同耦合分析等設(shè)計(jì)優(yōu)化,降低承壓設(shè)備材料用量、制造能源消耗,提高運(yùn)行過程中能效水平。

制造過程是將原材料按照設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到生產(chǎn)過程中,直至形成最終產(chǎn)品。制造效率對承壓設(shè)備運(yùn)行效率具有重要影響,也是承壓設(shè)備綠色低碳應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)。通過不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程,提高材料生產(chǎn)過程的要素精益管理和資源配置水平,對實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量精確控制、機(jī)械設(shè)備高效可靠、生產(chǎn)過程節(jié)能環(huán)保具有重要作用[21]。

承壓設(shè)備的運(yùn)行管理目的是使設(shè)備在工藝參數(shù)、生產(chǎn)負(fù)荷、安全、節(jié)能、操作周期、檢修等方面都具有較好的技術(shù)性能,使設(shè)備處于較好的工作狀態(tài)。承壓設(shè)備在運(yùn)行使用過程中,受到工作介質(zhì)腐蝕、升降壓等疲勞載荷等操作條件的影響,還受到外部環(huán)境的影響,需通過設(shè)備的定期檢驗(yàn),進(jìn)行設(shè)備的損傷失效檢驗(yàn)和風(fēng)險(xiǎn)控制,及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的缺陷,消除隱患。為實(shí)現(xiàn)承壓設(shè)備的節(jié)能減排,應(yīng)在保證安全運(yùn)行的情況下,通過智能運(yùn)維、優(yōu)化控制等方式提高設(shè)備能效水平。

承壓設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造、使用、檢驗(yàn)、改造直至報(bào)廢的全生命周期應(yīng)用中,依據(jù)特種設(shè)備法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行安全管理使用的同時(shí)保證節(jié)能節(jié)材綠色低碳,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、智能運(yùn)維、節(jié)能減排等技術(shù)方法,確保承壓設(shè)備安全運(yùn)行、系統(tǒng)功能正常發(fā)揮的底線,拉高承壓設(shè)備綠色低碳應(yīng)用的高線,在材料端、設(shè)計(jì)端、制造端、運(yùn)維端等方面不斷創(chuàng)新優(yōu)化下,提升能源資源利用率,助力我國能源綠色低碳體系的發(fā)展。

3 承壓設(shè)備對我國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的保障作用

能源領(lǐng)域是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的主戰(zhàn)場,實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)必須做好能源綠色低碳轉(zhuǎn)型,需要加快發(fā)展風(fēng)電、太陽能發(fā)電等新型發(fā)電技術(shù),發(fā)揮氫能、儲能等新能源在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中的重要作用。在我國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型過程中,承壓設(shè)備發(fā)揮著重要保障作用,氫能、光熱發(fā)電、儲能等多個(gè)新能源應(yīng)用領(lǐng)域都大量廣泛使用承壓設(shè)備。

近年來,我國已初步形成較為完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈,自主化水平快速提升,氫能技術(shù)研發(fā)持續(xù)突破。但目前仍存在安全風(fēng)險(xiǎn)、輕量化、極端化等挑戰(zhàn),其中包括如何在高壓、深冷等極端氫環(huán)境下保障材料可靠性、安全性,如何降低液化制氫能耗、提高氫氣儲存密度等內(nèi)容。未來我國將通過對制、儲、輸、用氫全鏈條安全技術(shù)開發(fā)應(yīng)用,制定涉氫特種設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)體系,開展液氫制取、儲運(yùn)與加注關(guān)鍵裝備及安全性研究,推進(jìn)我國未來實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模、低成本應(yīng)用。

太陽能光熱裝置利用大規(guī)模鏡場和吸熱器收集太陽熱能,通過換熱裝置提供蒸汽,驅(qū)動傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。光熱發(fā)電對推動能源革命,促進(jìn)能源安全、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境等具有十分重要的意義,同時(shí)還能繼續(xù)發(fā)揮承壓設(shè)備、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等我國傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)能力。我國光熱產(chǎn)業(yè)在基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)、關(guān)鍵設(shè)備、工程實(shí)踐等領(lǐng)域都已形成一定的基礎(chǔ),甚至在一些重要技術(shù)領(lǐng)域的研究處于國際領(lǐng)先地位,但仍存在初投資高、技術(shù)不夠成熟、運(yùn)行間斷等現(xiàn)實(shí)問題及承壓設(shè)備腐蝕行為不清、系統(tǒng)安全運(yùn)維技術(shù)缺乏等技術(shù)問題。未來光熱發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)從安全節(jié)能環(huán)保一體化角度出發(fā),針對影響光熱發(fā)電系統(tǒng)安全環(huán)保運(yùn)行的關(guān)鍵問題開展全鏈條研究,為光熱發(fā)電的長期穩(wěn)定運(yùn)行與安全保障提供可靠支持。

4 承壓設(shè)備綠色發(fā)展法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系

承壓設(shè)備綠色發(fā)展法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系建立在承壓設(shè)備法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系基礎(chǔ)之上,在保障承壓設(shè)備本質(zhì)安全的前提下,提升承壓設(shè)備綠色低碳水平。構(gòu)建承壓設(shè)備綠色低碳標(biāo)準(zhǔn)體系有助于推動我國承壓設(shè)備產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型升級,激發(fā)行業(yè)綠色發(fā)展的內(nèi)生動力,增強(qiáng)國際綠色競爭力。

在法律、條例層面,《中華人民共和國節(jié)約能源法》的頒布實(shí)施推動了全社會節(jié)約能源,提高能源利用效率,保護(hù)和改善環(huán)境,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。在承壓設(shè)備領(lǐng)域,《中華人民共和國節(jié)約能源法》全面推動了承壓設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、使用的節(jié)能、節(jié)材、節(jié)水、節(jié)地和環(huán)境保護(hù)?！吨腥A人民共和國特種設(shè)備安全法》中指出建立、健全特種設(shè)備安全和節(jié)能責(zé)任制度,加強(qiáng)特種設(shè)備安全和節(jié)能管理,確保特種設(shè)備生產(chǎn)、經(jīng)營、使用安全,符合節(jié)能要求?！短胤N設(shè)備安全監(jiān)察條例》規(guī)定特種設(shè)備生產(chǎn)、使用單位應(yīng)當(dāng)建立健全特種設(shè)備安全、節(jié)能管理制度和崗位安全、節(jié)能責(zé)任制度。國家鼓勵(lì)特種設(shè)備節(jié)能技術(shù)的研究、開發(fā)、示范和推廣,促進(jìn)特種設(shè)備節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用。特種設(shè)備生產(chǎn)、使用單位和特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu),應(yīng)當(dāng)保證必要的安全和節(jié)能投入。

在部門規(guī)章、技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)層面,《高耗能特種設(shè)備節(jié)能監(jiān)督管理辦法》規(guī)定,加強(qiáng)高耗能特種設(shè)備節(jié)能審查和監(jiān)管,提高能源利用效率,促進(jìn)節(jié)能降耗,推動高耗能特種設(shè)備生產(chǎn)（含設(shè)計(jì)、制造、安裝、改造、維修）、使用、檢驗(yàn)檢測的各個(gè)環(huán)節(jié)均納入節(jié)能監(jiān)管。TSG 91—2021《鍋爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)規(guī)程》優(yōu)化了鍋爐節(jié)能環(huán)保監(jiān)管措施,進(jìn)一步完善了鍋爐環(huán)?；疽?有助于推進(jìn)特種設(shè)備碳達(dá)峰碳中和工作；TSG R0010—2019《熱交換器能效測試與評價(jià)規(guī)則》制定了板式熱交換器能效限定值和目標(biāo)值,規(guī)范了熱交換器能效測試與評價(jià)工作；TSG R0005—2011《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中對安全系數(shù)做出了重大調(diào)整,在保證容器安全的同時(shí),節(jié)省了材料,減輕了容器的自重。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10180—2017《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》、GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》、GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 27698.1 ～4—2023《熱交換器及傳熱元件性能測試方法》,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47066—2018《冷凝鍋爐熱工性能試驗(yàn)方法》、NB/T 47004.1—2017《板式熱交換器 第1 部分：可拆卸板式熱交換器》等標(biāo)準(zhǔn)從熱工性能、排放強(qiáng)度等方面,規(guī)定了鍋爐、熱交換器節(jié)能環(huán)保測試方法,有效推動了鍋爐、熱交換器等承壓設(shè)備能效水平的提高；國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 150.1 ～4—2011《壓力容器》對材料許用強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。理論上講,按調(diào)整后的許用強(qiáng)度系數(shù),壓力容器最大可節(jié)省約10%的金屬材料,節(jié)材效果顯著。

總體上講,我國承壓設(shè)備綠色低碳標(biāo)準(zhǔn)體系雛形已初步構(gòu)建,尤其是對鍋爐設(shè)備已構(gòu)建“安全-節(jié)能-環(huán)保”三位一體的長效監(jiān)管機(jī)制,但是承壓設(shè)備綠色低碳標(biāo)準(zhǔn)體系仍存在節(jié)材標(biāo)準(zhǔn)不夠明確、產(chǎn)品全生命周期綠色低碳標(biāo)準(zhǔn)缺失等問題。隨著新材料、新設(shè)計(jì)方法、新制造技術(shù)的逐步成熟和推廣,在滿足安全運(yùn)行和使用功能需求的基礎(chǔ)上,應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)理論研究,科學(xué)合理制定承壓設(shè)備節(jié)能節(jié)材等方面的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)一步推動承壓設(shè)備全生命周期綠色低碳標(biāo)準(zhǔn)的制定,順應(yīng)我國節(jié)能、減排、低碳環(huán)保的綠色發(fā)展方向。

5 結(jié)束語

“十四五”是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期,能源綠色低碳發(fā)展是關(guān)鍵,我國應(yīng)進(jìn)一步發(fā)揮好科技創(chuàng)新引領(lǐng)作用,增強(qiáng)能源科技創(chuàng)新能力,充分發(fā)揮承壓設(shè)備在保障能源安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)作用,提高承壓設(shè)備及系統(tǒng)能源利用效率,進(jìn)一步推動承壓設(shè)備全生命周期綠色低碳標(biāo)準(zhǔn)體系的制定,做好承壓設(shè)備領(lǐng)域的綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展。