第5章 主要应用领域材料延寿现状、差距与建议
5.1 制造工程
我国已经成为世界工业制造大国，2009年我国装备制造业工业总产值已位居世界首位。伴随制造业的大幅发展，基础材料产业产量也跃居世界前列。制造工程材料按功能大致可分为两大类：一类是用量最大的结构材料；另一类是基础件材料。以齿轮、轴承、模具、密封件和紧固件等为代表的基础件是装备制造业的基础性产业，也是国民经济建设各领域的重要基础。基础件产业关联度高、吸纳就业能力强和技术资金密集，是各类主机行业产业升级、技术进步和发展战略新兴产业的重要支撑，也是我国从制造大国向制造强国转变的标志性产业，本课题侧重于对基础件材料延寿的研究。
5.1.1 基础件材料发展现状
（1）我国已成为世界基础构件主要生产国家，基础件行业产量世界排名，轴承为第三位，齿轮为第四位，模具为第三位（2008年），密封件为第七位。基础构件材料品种规格基本能适应我国装备制造业的需求。
（2）我国已经拥有高端基础构件产品与关键技术，但其技术水平与国外先进水平的差距明显大于主机间的差距；基础件制造材料的工艺性和环境适应性研究及其检测技术得到相应的发展。
存在突出的问题如下所述。
①基础件中低档产品过剩，高档产品不足，高端零部件主要靠进口。总体特征是大而不强、小而不专、多而不精，成为制约装备工业升级的突出瓶颈。
②自主开发能力薄弱，缺乏有自主知识产权的高性能、高可靠性的基础件产品。与国外先进水平相比，我国研发周期长2～3倍，性能、水平低一个档次，使用寿命短30％～50％，新产品贡献率约为国外的1/10，产品和技术的总体水平约落后10～15年。
5.1.2 基础件材料发展差距
（1）技术水平总体较低，对外依赖性强。中低档产品产能过剩、性能质量尚存差距；高档产品依赖国外的局面未能根本扭转。2010年机械通用零部件产品进出口同比增长38％，但进出口贸易仍然是逆差，且达历史最大值69.6亿美元；其中齿轮是进口的主导产品，占进口总额的72.7％；零部件出口额最高的是紧固件产品。
（2）主要技术瓶颈：基础研究、设计理论、热处理与加工工艺、共性制造技术以及数据积累等，战略性高端基础件受制于人。
（3）自主创新能力不强，擅长模仿和局部改进，对引进的技术消化不力、缺乏创新动力与主动精神。关键零部件逐代引进，代价沉重；产业技术进步呈被动跟踪态势。
（4）基础件企业技术基础普遍薄弱、效益低，技术进步缺乏支持保障条件。
与国际先进水平相比，我国基础件行业在技术方面急需攻关解决的问题如下。
①基础构件材料质量稳定性及其构件性能与国外还存在较大的差距。
②基础构件基础研究和设计理论以及数据积累等方面与国外差距显著。我国缺乏基础件材料基础研究与设计理论及实际工况下的试验数据支撑。针对高速重载工况下高端基础件设计所面临的诸多复杂性难题，我国精密数控机床、风电、精密轧机及国防等重要装备制造业对高端高速重载精密轴承存在非常迫切的重大需求，对其产品设计涉及核心技术发展提出了越来越大的挑战。
③我国基础构件精度、可靠性、寿命与国外具有一定差距。在特殊工况的轴承应用技术方面，我国高端轴承更是存在着相当大的差距。还存在高精度数控机床轴承精度保持度不足、高速铁路机车轴承寿命低、航空设备或飞行器轴承可靠性低等问题，与国外具有一定差距。我国车辆齿轮主要依赖从国外进口，国产化率不到22％，工业通用齿轮和工业专用齿轮也仅为38％和32％。
与国外先进水平相比，研发周期是国外同类产品的2～3倍，齿轮服役寿命是国外同类产品的30％～50％。相比国外低1/3～2/3，产品精度以及一致性相比国外具有一定差距。
④高档精密检测设备以及检测方法和标准依赖国外。一些高端齿轮轴承材料性能和制造成齿轮轴承产品的检测技术、检测方法、检测标准依赖国外。材料性能的检测技术、材料制成品是否合格的检测技术、方法、标准也依赖国外。
⑤基础部件所构成的系统可靠安全性研究较少，系统全寿命控制和系统安全检测与在线健康监测方面与国外先进水平差距较大。
5.1.3 我国基础件材料发展对策与建议
（1）我国基础件材料发展技术思考。鉴于机械基础件寿命普遍低于主机产品和工程要求，直接影响主机的大修周期，甚至出现过早失效引发事故，机械基础件的材料延寿与可持续发展应成为强基工程的重要内容。我国基础制造工程材料技术发展建议：①加强基础件制造工程材料的系列化、标准化、通用化与服役性能数据积累；②加强基础件材料热处理工艺、基础件表面处理与表面改性以及构件生产和质量管理；③加强基础件产品质量向高精密、高性能和长寿命方向发展；④促进基础件材料和产品规格品种多样化促使制造技术向系列化、自动化和智能化方向发展；⑤重视基础技术和相关技术的应用研究，各类基础件是相关行业，彼此紧密联系，建立基础件关键、共性、基础技术和相关技术研究，改变基础件研究相互隔绝的局面，推广、普及基础件选材信息化网络技术对提高基础件的整体水平十分必要；⑥加强基础件材料的使用的全寿命管理和成本体系建设。
（2）我国基础制造工程材料行业发展思考。工业强国（包括后起工业国）高度重视基础件的研发与更新换代。随着产品性能的高级化，技术门槛抬高，行业的集中化趋势明显，基础件制造也紧跟主机技术动向，不断加大技术研发力度，保持产品和技术制高点地位。我国基础件行业发展：①要扭转“重主机、轻配套、轻共性技术”的偏差；②要发展基础件行业的中国“航母级”企业；③必须强调行业级共性技术研究机构的作用；④加强基础件行业协会组织，提高国家科研投入的效率；⑤从制造向服务延伸。
5.2 能源和电力工程
5.2.1 成就与差距
能源和电力是提供经济和社会发展动力的重要物质基础。2012年，我国煤炭生产量达到36.5亿吨，石油产量2.05亿吨，天然气产量1072亿立方米。全国发电装机容量达到11.45亿千瓦，火电装机6805台，水电装机3530台，风电装机37000余台，资产总额达到10万亿元。其中，煤电装机容量7.58亿千瓦，占总装机容量的66.2％；燃气装机容量3827万千瓦；水电装机容量2.49亿千瓦；风电装机容量6083万千瓦；核电装机容量1257万千瓦；35kW以上输电线路达148万公里。目前，我国能源和电力工业规模位居世界前列，使用了大量的自然资源和工业材料。能源和电力工业的可持续发展对材料的有效利用、传统材料的升级换代、现有材料性能的提高、新材料的开发利用和材料服役环境的适应性提出了更高的要求，它需要材料研究、材料加工制造、材料保护和材料应用研究多方面证实所选材料在工件使用环境条件下确实可靠、安全、经济和耐久；它需要从设计入手，合理地选用材料和结构设计，认真地制造加工，选择合理的表面技术，提高材料性能；认真地使用维护、减少环境的不利影响，让材料延寿技术服务于能源和电力工业的可持续发展。
近年来，我国在能源和电力工程材料方面开展了大量的试验研究、对先进技术的消化吸收和创新研制工作，提供了大量的工业装备和各种材料，基本能满足我国能源和电力工程建设的需要，但是，在工艺规范、加工精度和高精尖材料研制等方面与国际上的先进水平有一定差距，主要表现在以下几方面。
（1）2012年，国内采煤机、刮板输送机、掘进机产量分别为1611台、4651台、2513台，液压支架产量100928架，总吨位288万吨。煤机装备装机功率、大型化上与国外产品相当，甚至稍微占优，但受国内基础材料研究不足、热处理工艺相对落后影响，国产高端采煤机的截割减速器使用寿命为600万吨，只有进口高端产品的60％；行走减速器使用寿命为200万吨，只有进口产品的66.6％；整机设备无故障运行时间约80％，比进口产品低15％。
（2）2010年，我国油井管总需求量为265.6万吨，约占当年世界油井管总产量的1/4，其中油管54.3万吨、国产套管196.1万吨、进口套管15万吨。我国油井管的制造能力和产量已达到国际先进水平。但随着复杂油气藏开采，急需开发适用于高温高压、深井、超深井、高应力地层、苛刻腐蚀环境等复杂服役工况条件的高强韧性和耐蚀性油井管材料。
（3）截至2012年底，我国超临界、超超临界燃煤机组服役台数420余台，位居世界第一位，除早期投运机组外，三大主机基本由国内企业生产，但主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道、高压给水管道等大口径高端耐热钢管材及转子等大型关键部件的坯料仍然依赖进口。火电机组设计寿命一般为30年，但机组的实际服役时间往往大于设计寿命，因此在经济上有利、安全上有保障、满足环保要求的原则下，通过加强在线管理、节能技改和环保技改，使机组的运行寿命达到50年或者更长时间。
（4）2012年12月15日，我国具有自主知识产权的第一台重型燃气轮机R0110机组完成72h带负荷试验运行，其装机容量为11.45万千瓦。另外，国内组装生产的F级重型燃机几年前就已投产发电，但其核心部件均依赖进口。我国已在涡轮叶片材料、制造工艺、涂层方面开展了相关研究工作并取得了一定成绩，但在质量稳定性及服役寿命方面与国外仍有较大差距。
（5）我国自主研发、设计、制造的当今世界上单机容量最大的水轮发电机组（单机容量为800MW的混流式机组）已投产发电，但大型、超大型水轮发电机组制造过程中关键部件的材料面临两方面挑战：一是大型铸件的成型工艺与成型质量问题，二是高强度钢板的国产化问题。目前，大型铸件的成型工艺仍在不断研究与改善中，高强度钢板的国产化已基本实现。
（6）核电方面，至2013年3月，我国已投产运行的17台机组，都是二代技术或二代改进型技术。在建及开工备选电站主要是大型压水堆，包括我国自主研制的二代改进型CPR1000机组、自美国引进的三代技术AP1000机组和三代改进性CAP1400机组。我国正逐步形成从核级海绵锆到AP1000核燃料组件的完整生产链。核电技术的发展特别是第三代AP1000核电机组的建造，使得我国大吨位优质锻件生产技术、锻造工艺、镍基合金材料和产品制造技术面临严峻挑战。第四代核电技术处于研究初期，材料选型与性能要求还有待明确，本着“材料先行”的精神，需要及早安排。
（7）风电装机近年增长较快，我国已经成为世界上风电装机容量最多的国家，2012年比2011年增长31.6％。2～3MW风电机组已是主流产品，5MW及以上的大型风电机组也已开始应用，7～10MW的风电机组正在研制，风电的开发也开始从陆地逐步扩展到海上。2011年5月，我国自主开发并生产出全球领先的6MW风电机组。叶片作为风电机组的关键部件，其材料与规格尺寸是风电机组向大容量发展的主要制约因素，复合材料的使用是未来风电发展的趋势，目前国内兆瓦级叶片所用关键材料大部分依赖进口。
（8）我国是世界上太阳能光伏发电装备生产量最大的国家，主要销往国外（95％以上），是典型的“将利益送给别人，把污染留给自己”的行业，2012年底，我国太阳能光伏装机328kW，与2011年同比增长47.8％。太阳能光伏发电目前尚存在衬底材料质量问题、热斑效应、非晶硅太阳电池的低光电转换效率问题、封装材料老化等问题；太阳能热发电系统中储热材料问题、储能容器的腐蚀控制等问题也亟待解决。
（9）我国力求将输电线路的使用寿命从30年提升到40年，将变电站的使用寿命从40年提升到60年，这对电网用材料及其构件的延寿提出了更高要求，包括输变电设备用金属材料的长效防腐，非金属材料的长效防老化，设备构件对冰灾、地震、台风等灾害的防护能力等。目前，电网高端装备，尤其是高压、特高压工程用关键材料仍依赖进口，现有材料及其部件的使用寿命与国外还存在差距。
5.2.2 材料延寿建议
（1）开展材料全寿命周期管理的政策法规、技术、经济、环境和标准体系的研究，制定相关的政策法规，建立相应的标准体系。
（2）材料性能试验及服役过程数据积累，建立材料应用数据库。
（3）开展基于服役环境的全寿命周期管理、状态监测和寿命评估技术研究及工程实证。
（4）加强与工作环境及服役条件相适应的高性能材料、新型材料及表面技术的研究开发。如：煤机装备用高强、高韧、高耐磨性材料的研究开发；深井、超深井用高强韧性、耐蚀性油井管材料的研发；火力发电用耐高温、抗氧化、抗热疲劳的耐热钢的研究开发；线路器材的防护技术开发等。
5.3 现代交通工程
5.3.1 发展成就和差距
现代交通各领域均经历了从无到有，到快速发展的过程，有的方面已达到国际先进水平。
铁路领域：铁路总营业里程已达9万多公里，其中高速营业里程达1万公里。全球第一条高寒高速铁路——哈大高铁服役环境温度最低达-40℃。汽车领域：汽车工业已经走过了60年，至2012年，汽车年产量达到1900万辆，稳居世界第一，保有量达到1.2亿辆。船舶领域：已有能够建造30万吨级大型油轮以及世界顶级的海洋平台工作船、军用船舶已具备建造航空母舰及先进常规潜艇的能力，成为名副其实的造船大国。航空领域：民用航空已逐步发展，军用航空从1954年的第一架初教-5飞机上天，先后生产各型飞机达1万6千多架，与之配套的发动机达到5万多台以及相应的机载设备。
现代交通各领域材料从完全仿制到消化吸收自主创新，目前已基本建立了各自的材料体系，基本满足使用要求。在材料检测、评价与材料延寿技术方面也开展了大量的工作。如国家对航空材料及零件的理化性能和模拟试验检测十分重视，投入了大量的人力和财力。北京航空材料研究院牵头进行航空材料的应用研究，其中检测研究中心相关机构就拥有检测设备仪器1500多台套、固定资产价值达3亿元人民币、科研和检测人员500余人。新中国成立以来，航空失效分析、全寿命评估积累了大量与可靠性、延寿相关的数据、经验和措施。在提高航空零部件材料使用可靠性和寿命的研究开始较早，如20世纪70年代对涡喷五发动机涡轮叶片和轴的延寿研究；80年初采用八项技术将海军用涡喷六发动机整机的首翻期从100h延长到300h；90年代运用“航空腐蚀控制系统工程”理念，编写了《军用飞机腐蚀控制设计细则》、《歼八-X型飞机腐蚀控制指南》进入了飞机的设计、制造和维护，为确保歼-10使用20年、飞行5000h不出现重大腐蚀故障做出了贡献。
与国外先进国家相比，现代交通各领域还存在一些问题和差距，特别是在一些核心和关键技术上仍处于“跟跑”阶段，主要体现在以下几方面。
（1）关键核心技术依靠进口或引进国外许可证技术生产。我国能够生产为普速列车配套的轮轴部件，而250km等级以上的高速列车轮轴材料全部从国外进口。普通机车车辆用轴承总体技术水平基本与世界先进水平相当，但国内生产的高速铁路轴承仅适用于160km等级的车辆；船舶动力装置、甲板机械与舱室设备等船舶配套业的技术与产能状况远落后于造船主业的发展，船用柴油机主要是原装整机进口或是引进国外许可证技术生产。海洋平台的重要结构如桩腿用超高强度钢、Z向钢、高技术船舶所需的一些特殊性能的材料如殷瓦钢等还需进口。主船体用铝合金也仍需进口。
（2）材料的基础和应用研究应进一步加强。受铁路政策的影响，我国铁路制动材料有许多特殊的地方，带来了许多新的问题，如造成金属镶嵌和对车轮的异常磨耗等，需要进行系统基础理论等方面的研究工作。部分高速动车组在超低温条件下长时间运行等技术现状下的轮轴设计和制造技术问题也急需解决。
我国钢铁工业发展迅速，但一些品种质量仍然不能满足汽车工业发展的需要，如高强度动力传动系统用高强度非调质钢、齿轮钢等。
船舶与海洋工程装备重要的耐大气腐蚀钢发展比较成熟，而耐海水腐蚀用钢国内虽开发力度最大，但进展缓慢，应用量很少。船舶建造方面我国的超宽、超薄、超长等特殊规格船用钢的生产技术还较薄弱。玻璃钢船舶的建造与使用规模显著落后。特殊钢材和特殊造船工艺技术的欠缺导致了我国在一些高技术船舶的建造方面仍处于落后状态。
我国航空材料目前还满足不了研制和生产现代发动机（推重比为10）和宽机身大飞机的能力，许多能保证相关零件服役环境适应性的材料、工艺和涂层还需要抓紧研究。
（3）材料质量稳定性和批次一致性差。我国铁路钢轨材质已形成系列，基本满足不同运输条件对钢轨的需求。但在材质的纯净化、强韧化、重型化等方面仍需进一步开展研究。汽车轻量化是解决汽车高油耗和高排放的最直接最有效的途径之一，中国汽车轻量化工作目前已取得了一定的进展，为适应汽车轻量化的需要，一系列先进的高强度轻质材料得以发展，但批量稳定性和国外相比仍然存在较大差距。
我国航空材料仿制多，材料性能不够稳定，使用可靠性较差。如航空、铁路常用的金属材料，其常规性能基本能达到国外的先进水平，但疲劳极限相比国外低5％～15％。历史上，我国出现过许多材料过早失效所引发的事故，有的甚至是重大事故。例如电镀锌过程中，除氢不足，引发××飞机20框裂纹，使一批飞机停飞；电镀镉零件使用位置不当，引发镉侵蚀，使××发动机压气机盘撕裂飞出，造成一等事故；××发动机一级压气机叶片热处理不合理，引发多起二等事故，造成一批飞机带隐患飞行等。说明材料的寿命最终体现在产品的寿命，而延长材料的寿命，需要拥有适应各相关零件服役环境要求的材料，并保证材料的质量稳定性和批次一致性。
（4）材料的标准化和规范化远远不足。我国高铁动车组轮轴虽可进行小批量制造与应用，但缺乏系统性标准体系研究、系统基础分析与可靠性研究等。国内铁路材料制造企业均处于被动，还不能做到研制一代、储备一代，跟着国外跑，也未参与到相关国际标准的制定中，对标准中一些概念不能很好理解。由于对高速铁路新产品上路条件的限制，国内铁路行业需迫切建立中国高速铁路行业轮轴材料技术标准，实现在自主创新体系支撑下的高速轮轴国产化。我国汽车行业从2010年开始着手制定汽车用材规范，起步较晚，部分标准缺失和落后，影响新材料、新技术在汽车工业中的应用。
我国航空材料牌号多、乱且重复，没有形成相互联系与协调配套的材料、工艺及理化检测标准系列，材料性能数据“少、缺、散”现象严重，航空材料应用的规范化和标准化程度明显不够。
（5）材料检测和评价体系需加强和完善。我国研制的闸瓦、闸片等广泛应用于铁路机车车辆中，目前国内外差异主要体现在制造技术和评价体系方面。环境适应性是材料评价体系中的关键环节之一，1956年航空系统开始建立全国大气环境试验网站，1957年我国与东欧七国启动了热带电器产品的环境试验，部署了全国的试验网站，对飞机机载电器产品环境适应性开展了有益的研究。近年来，我国航空材料环境适应性评价方面得到了一定的加强，但距离先进国家差距仍很大，亟须加强。民机材料采用国际采购的方式，但关键的是民机材料国产化不够。民用飞机所用关键材料必须拥有100炉连续规模生产的稳定数据才可能通过并入编《民用飞机材料采购手册》。目前还没能评估我国军用飞机使用的材料有多少能通过适航检查。
（6）材料体系建设需进一步完善，并大力推广。我国的航空材料仿制了英国、法国、美国和俄罗斯等多国的材料，20世纪末，逐步清理和编写了发动机、飞机（包括直升机）和机载设备的材料体系，明确了发展具有自主知识产权的新材料发展方向。但目前很多航空材料选用仍主要以国外原型机材料国产化为主。
我国汽车用钢系列包括德系、美系、日系、法系和韩系，做了大量的国产化工作，目前我国钢铁工业发展迅速，需要建立自己的汽车材料体系。
（7）具有指导性意义的各类材料手册需要更新。船舶材料种类相当广泛，1989年版的《船舶材料手册》涉及材料种类高达260多个。至今，船舶材料的品种不断更新和发展，《手册》已不能满足需求；1988年版的《中国航空材料手册》包括了飞机、发动机和机载所需要的各种材料1677个牌号，2002年第二版《中国航空材料手册》淘汰了旧材料94个牌号，增加了605个新材料。目前又有一批新材料问世，一些旧材料需要淘汰，需要更新手册。
（8）材料应用发展的不平衡状态需改善。我国船舶材料的发展很快，但不平衡，且创新不足。大型造船企业船舶质量已达世界一流水平。而一些小型船企船舶（如渔船）使用寿命远低于国外同类船舶。但这些船舶的总量十分庞大，造成不可回收的材料消耗也最大，改善它们材料应用的落后现状是一项艰难而急需的任务。
5.3.2 建议
（1）编制具有指导意义的各类手册，如《铁路高速、重载应用材料技术手册》、《船舶材料手册》、《船舶防腐蚀设计手册》、《中国航空材料手册》（第三版）、《舰载飞机材料失效预防与控制指南》等，并建议中国工程院能不断地组织全国的专家进行研讨，给予理论和技术指导。
（2）建立行业材料和结构信息系统，从产品研发、性能数据、标准、生产和制造、质量监测、失效分析及寿命终了建立起全过程的管理系统。
（3）开展关键基础性项目的研究，如开展材料质量稳定性和一致性的研究、材料和相关工艺技术的环境协调性评价的研究和评估、新材料失效与损伤行为及安全评估研究等。
5.4 化工与石化工程
5.4.1 成就与差距
（1）我国主要的石油和化工产品产量居世界前列。例如，化肥、染料产量居世界第一位，纯碱、农药产量居世界第二位，原油一次加工能力和硫酸、烧碱产量居世界第三位，合成橡胶产量居世界第四位，乙烯和五大合成树脂生产能力居世界第五位。近十年中国炼油能力增长量最大、增速最快，能力增加72.8％，年均增长率6.3％。2012年，石化产业累计产值108585亿元人民币，其中化工行业72036亿元人民币、炼油行业33561亿元人民币。化工产品实现销售收入70829.03亿元人民币。外贸易总额3976亿美元，其中进口2273亿美元，出口1702亿美元。化工行业增加值同比增长15.1％。主要产品中，烧碱产量1763万吨，纯碱产量1837万吨，化肥产量6051万吨。
（2）化工材料从最初满足基本生产需要的基础材料发展到现在用于各种新领域的新材料，如用于可再生能源产业的多晶硅、碳纤维；用于腐蚀环境的芳纶、氟材料、硅材料、工程塑料；用于海水淡化、污水处理、现代分类技术的各种膜材料；有利于环境的各种生物质基材料；用于国防、军工的特种纤维、特种聚合物等。这些化工新材料对于我国整个工业领域的发展都有着极其重要的意义。
（3）化工与石化新工艺、新技术、新材料、新设备等方面与国际水平差距如下。
①核心与高端技术及设备依赖进口（依赖度70％），成为行业转型升级的“瓶颈”。2012年原油对外依存度76.2％，天然气依存度29.7％，2013年依赖程度仍呈上升趋势。
②化工行业材料手册多是普通材料的选用方法，缺乏新材料选用标准。
③化工设备核心材料使用可靠性与寿命不高，腐蚀失效及其事故频繁，腐蚀防护和工艺过程与国外有较大差距。
④化工行业能耗水平与国外差距较大。以合成氨为例，国内平均能耗为1392kgce/t，美国为1000kgce/t左右。生产工艺和通用设备的设计、材质、制造及操作控制水平对能耗有决定性影响。
⑤石化与化工行业专用设备在大型化、创新性以及核心技术方面差距较大。
a.合成塔。尚无设计制造30万吨/a氨合成塔的经验。
b.大型聚合釜。主要表现在搅拌器种类少、创新性不足、选型能力差。国外带搅拌器反应釜技术比较成熟，可以根据不同物料和参数系列开发各种搅拌器结构形式。
c.钣翅式换热器（冷箱）。我国还没有掌握高压冷箱的设计与制造技术，在分凝分馏技术方面与国外差距较大。
（4）截至2013年11月，我国油气管道建设总里程为10.6万公里，“十二五”规划末管道总长15万公里，2020年达20万公里，基本建成覆盖全国的油气管网，承担70％原油成品油和99％天然气运输。西气东输一线采用X80管线钢，标志着我国输气管道进入跨越式发展时期；世界上最长的天然气管道西二线总长8704km，是我国第一条进口天然气大型管道，实现了X80管线钢全面国产化；在建总长7378km的西三线和2038km的西四线将一改我国天然气供应格局；目前已完成西五西六线的规划与勘查工作，西七西八线也正在规划中。第一批战略石油储备基地已在镇海、岙山、黄岛、大连四个沿海地区建设，标志着国内大型储罐建设迎来了成熟发展期，四大国储库的10万方储罐已实现自主设计建设。目前，15万方罐建设正在国产化，已具备20万方罐设计能力。
（5）随着西气东输一线工程全线贯通，特别是陕京一二三线、忠武线、川气东送以及西气东输二线等骨干管线建成，以及沿海液化天然气（LNG）接收站布局投运，极大促进了天然气资源在城市燃气行业中的规模化利用，天然气资源供应渠道实现多元化。2012年我国天然气表观消费量达到1475亿立方米，用气人口超过2亿，城镇气化率达到29％，城市燃气、发电用气提升，工业用气、化工用气下降。截至2013年11月城镇燃气管网总长度已超过45万公里。在中亚、中缅跨国天然气管道的推动下，城镇燃气将继续增长。
（6）在管道业和城市燃气业的大发展中，干线管道、城市燃气设备设施和管网的安全事故也呈上升趋势。事故模式为爆炸、断裂、变形、表面损伤，主要原因为第三方破坏（40％），腐蚀、管材质量、施工质量、突发性自然灾害。储罐的火灾与爆炸是我国目前最常见、后果最严重的事故。最新案例如下。
①2013年11月22日，中石化青岛开发区黄潍输油管线管道腐蚀穿孔破裂漏油造成原油泄漏和爆燃，原油沿着雨水管线进入胶州湾，致67人死亡、11人失踪，胶州湾油污1万平方米。
②2013年6月2日，大连市甘井子区大连石化939号储罐发生爆炸起火，引起临近936号、935号和937号储罐着火。事故造成2人死亡、2人失踪。
③2013年11月24日，浙江温州鹿城区马鞍池东路与大南路交叉口，发生施工燃气管道爆炸事故，多人受伤。
（7）目前X90及以上高强度管材尚未工业化应用，管道焊接和裂纹控制技术差距较大，特大口径金属/非金属复合管尚为空白，缺乏系列化的高精度裂纹智能检测技术，大口径抗大变形和抗硫管材尚未工业化应用，城市燃气管网档案缺失并常年得不到维护，未建立管道事故上报、分析和公共数据管理机制，管道完整性与可靠性管理机制尚不完善。特大型储罐和全容罐（20万立方米及以上）建造尚为空白，大型阀门、储罐焊接技术与焊材急需国产化，储罐在线机器人检测技术落后，开罐检修周期缺乏理论依据。
5.4.2 建议
（1）系统编撰化工行业和装备全寿命周期材料研制、设计、选用、制造工艺、防腐蚀及维护各阶段全过程的新标准和手册。
（2）制定强制性支持政策措施，开发推广节能减排技术，提高材料质量、改进工艺水平。
（3）自主开发高强度管材（X100、X120）。研究新管材在复杂严酷环境下的服役行为，研究应用新型管道钢长距离、高压、大流量输气管道的设计方法，制订管道的设计寿命，开展管道寿命预测技术和延寿机理的前瞻性研究，突破材料环境失效的预测和控制的重大科学和技术问题，形成管材延寿技术体系。
（4）开展大型天然气管网安全与供应可靠性研究，加强管道完整性检测技术和评价标准的基础研究。建立管道完整性与可靠性管理机制，强制推广管理体系的覆盖实施，推行管道和管网安全的强制性标准，建立国家或行业统一的监督机制，完善检测评价机制，政府监管实行分类定期的安全检测和安全评估。
（5）加紧对进口燃气轮机、大型和小微型LNG装置、大型阀体及其关键部件的国产化进程，尽早形成自主技术体系。
（6）加强腐蚀工程教育，组建一批规模化、规范化、标准化、专业化的防腐蚀工程公司。
（7）统筹和治理城市燃气行业中政府、央企、民企、外企及相关股份制企业的区域垄断格局，理顺天然气上下游供需矛盾。
（8）在国家新型城镇化发展思路下，引导市场化取向，吸引社会资金参与，加快组织、规划、实施城镇燃气管网改造和建设，构筑市政建设方与管网营运方的联动机制，监理管网设施档案信息管理系统，建立管网安全评估制度，实行管网安全动态管理。
（9）建立国家或行业油气储运及城市燃气事故上报和管理机制，针对事故进行宏观统计、统一管理和分析研究，创建事故及其分析的宏观公共数据库。政府规划和组织行政区域交叉、管道（网）营运交叉、地质环境复杂、人员活动稠密、社会依托条件差、抢险交通条件差、社会环境复杂等区域的油气储运事故联防力量，强制实行高效管道巡护，从根本上消除联防“盲区”。
（10）建立中国管道安全法律法规体系，强力实施并建立责任追究制度。在《管道安全保护法》中增加详细的防腐内容，在新管道建设中从制管、施工、管理各环节建立管道的身份证，以保证管道责任事故的问责。
5.5 基础设施工程
5.5.1 发展现状
（1）公路交通基础设施
①道路结构。目前，全国公路总里程达423.75万千米，其中等级公路里程360.96万千米，占公路总里程的85.2％，二级及以上公路里程50.19万千米（高速公路里程达9.62万千米），占公路总里程的11.8％。全国有铺装路面229.51万千米，其中，沥青混凝土路面64.19万千米，水泥混凝土路面165.32万千米。高速公路铺装主要采用沥青混凝土，其中改性沥青用量比例已超过10％，远高于国外高速公路。
②桥隧结构。全国公路桥梁达71.34万座、3662.78万米。其中，特大桥梁2688座、468.86万米，大桥61735座、1518.16万米。公路桥梁90％以上采用钢筋混凝土或预应力混凝土材料，不到10％的桥梁采用钢材、石材、木材。
全国公路隧道为10022处、805.27万米。其中，特长隧道441处、198.48万米，长隧道1944处、330.44万米。隧道衬砌主要采用钢筋混凝土材料。
（2）水运交通基础设施。全国港口拥有生产用码头泊位31862个，其中，沿海港口和内河港口生产用码头泊位分别为5623个和26239个。港口码头工程主要采用混凝土和钢材。水泥强度等级要求不得低于32.5级，钢材主要为碳素结构钢、低合金高强结构钢、桥梁用碳素结构钢和普通低合金钢板。
（3）水利基础设施。我国水工大坝总量位居世界第一。目前30m以上大坝为5443座，其中，300m以上大坝有1座，坝高200～300m的大坝有14座，坝高在150～200m的大坝有27座，坝高在100～150m的大坝有124座，坝高在60～100m的大坝有509座，60m以下的大坝有4770座。大坝主要分为土石坝、混凝土坝、浆砌石坝、钢筋混凝土坝、橡胶坝、木坝等。混凝土筑坝的主要材料要求采用低水化热和低收缩混凝土。
（4）工业与民用建筑设施。我国既有建筑保有量约为440亿平方米，其中工业厂房有40亿平方米，城乡民用建筑总面积为400亿平方米。建筑业总产值占GDP的6.6％。主要采用木结构、砖石结构、砖木结构、砖混结构、钢筋混凝土骨架结构和钢结构，混凝土是建筑主要材料。
5.5.2 基础设施发展存在差距
（1）公路交通基础设施
①道路路面结构。美国AASHTO规定设计年限一般为10～20年；英国、法国、德国、南非规定设计年限一般为20年；澳大利亚规定为20～40年；日本的设计年限，从疲劳开裂的角度考虑为20年。我国规定的沥青混凝土路面设计使用年限：高速公路、一级公路为15年；二级公路为12年；三级公路为8年；四级公路为6年。我国水泥混凝土路面设计使用年限：高速公路、一级公路为30年；二级公路为20年；三级、四级公路分别为15年和10年。
我国沥青路面设计使用年限总体上略低于发达国家。存在的主要问题是服役年限不能完全达到设计要求，大多在使用到设计使用年限的2/3时就出现了结构性路面损坏。
②桥梁结构。美国AASHTO规定公路桥梁的设计年限为75～100年；英国BS规定设计使用年限120年；欧盟Eurocode规定设计使用年限100年；日本规定设计使用年限100年。
根据《工程结构可靠性设计统一标准》，大桥、特大桥和重要桥梁设计使用年限为100年，中桥和重要小桥为50年，小桥和涵洞为30年。我国公路中、小桥设计标准总体偏低。主要存在问题是13％公路桥梁技术状况达到四类或五类。
我国公路混凝土桥梁使用寿命短于发达国家桥梁。美国公路钢筋混凝土桥梁平均使用寿命73～83年，预应力混凝土桥梁平均使用寿命66～102年；日本公路混凝土桥梁平均使用40～60年大修或重建；荷兰混凝土桥梁平均使用寿命41年。而我国公路混凝土桥梁平均使用30年后大修或重建。
（2）水运交通基础设施。我国港口结构设计标准规定，永久性港口建筑物的设计使用年限为50年，临时港口建筑物为5～10年。
我国20世纪80年代年前建成的海港码头一般5～10年就出现锈蚀破坏，状况较好的使用寿命仅为20年左右。使用寿命远低于国外码头75～100年的标准。80年代后，采用高性能混凝土，港口工程使用寿命可提高到50年，甚至100年。
（3）水利基础设施。据水电部调查，我国水工混凝土建筑物耐久性的总体状态欠佳，大部分大坝或水闸在运行20～30年甚至更短时间就出现明显的耐久性不良、材质劣化问题。
我国现有的混凝土坝中，坝龄最长的已超过70多年，20世纪50年代修建的大坝坝龄也已达到60年。由于设计标准偏低和环境侵蚀作用，老化现象日趋严重。
（4）工业与民用建筑设施。我国民用房屋建筑和公共建筑的主体结构构件实际平均使用年限达50年，且不需大修，但一般构件使用年限不到30～40年就出现钢筋锈胀破坏和混凝土保护层剥落；一般工业厂房及露天构筑物使用25～30年后即需大修，接触有害气体液体物质的工业建筑使用寿命仅15～20年甚至更短。
（5）小结。改革开放30年，我国已发展成为公路交通运输、水运交通运输、水利工程、工业与民用建筑等基础设施的大国。基础设施建设的发展推动了工程建设与养护技术体系的发展，形成了较为完备的技术标准体系。目前，我国基础设施进入了建养并重阶段，提高基础设施建设质量和延长设施的服役寿命已成为当今的主题。
长期以来的“重建设，轻养护”“边建设，边研究”的发展模式导致基础设施的服役寿命偏短。除了经济的高速发展带来的高交通量、环境恶化等外因外，基础设施材料本身的寿命偏短和性能偏低是造成使用寿命偏短的内因。
5.5.3 基础设施延寿的发展建议
（1）在基础设施结构设计标准方面，借鉴发达国家的经验，提高我国工程材料的性能和设计标准，提高结构冗余度，确保结构设计使用年限。
（2）适时启动我国基础设施长期性能研究计划，形成结构长期性能数据采集、管理和研究的战略机制，推动新一代基础设施结构设计、施工和养护技术的发展。借鉴发达国家经验，加快开展以兼顾强度和寿命为核心的“基础设施使用寿命设计技术体系”的研究。
（3）大力推进服役基础设施使用寿命（年限）评估技术体系的建设，研发服役基础设施结构安全性和剩余寿命的评估手段，建立设施结构延寿式养护技术标准体系，实现对设施结构的预防性养护。
（4）启动服役基础设施工程寿命管理条例的编制工作，提出确保基础设施工程长期安全使用的制度要求，全面贯彻基础设施结构全寿命责任制，促进基础设施的可持续发展。
5.6 农业机械工程
5.6.1 发展现状
（1）农业机械的广泛推广和全面应用将显著提高农业劳动生产率、土地产出率和资源利用率，关系到我国13亿人民的生活和国家粮食安全，是新型城镇化建设中推进农村人口转移的必要条件，是全面建设小康社会的重要环节。
2012年我国农作物耕种收综合机械化水平达到57％，农机总动力达到10.2亿千瓦，大中型拖拉机、水稻插秧机、玉米联合收割机拥有量分别达到490万台、50.7万台、23.3万台。我国不但是农机应用第一大国，也已经成为农机生产第一大国。
2012年仅农机用铸铁材料就消耗590万吨，与钢材合计消耗量超过1000万吨。特别是最近10年，由于党的惠农政策的贯彻，我国农机工业连续10年以超过20％的增速高速成长。这对农机制造业和制造技术都提出了更高的要求，以确保为高速发展的农业机械化和现代化助力，其中，材料和材料加工技术作为农业机械制造的基础将发挥越来越重要的作用。
（2）我国的农机材料及制造技术伴随着我国的农业机械化，经历了几个不同时期发展至今，为推进我国的农业机械化和农业现代化做出了贡献。其中，早在“五五”到“七五”计划期间，我国农机工程材料领域就开展了很多工作，1978年、1981年、1984年相关部门分别组织翻译出版了3部农机工程材料方面的技术文献集，首次系统地介绍了国外农机工程材料发展状况、农机用钢和农机抗磨技术，同时，开展了大量农机工艺材料的科研课题研究，取得了农机薄壁铸铁、变截面板簧、砂土犁铧等一批科研成果。进行了从黑龙江到海南岛、从胶州湾到新疆的全国范围的农机磨损和农机腐蚀情况的调查。1978～1985年间，农机行业出国考察86项，引进项目78个，其中约30％为材料及其加工技术考察，农机材料和工艺方面的出国进修科目14个；来华交流中材料专题有5项。来华交流报告和出国技术考察报告中材料工艺相关报告101篇。“六五”计划到“七五”计划期间列入国家标准和行业标准的热轧特殊断面型钢有11个品种17种规格，基本形成了我国农机工程材料体系，支撑着3000多种农机的生产，在材料的数量上基本满足了当时条件下我国农业机械的生产需求。
（3）21世纪以来，农机行业中内燃机骨干企业的工艺装备水平和铸造技术水平显著提高，缸体废品率的先进水平已经下降到1.5％以下，部分铸件的精度、粗糙度、力学性能、耐磨耐热耐蚀指标达到了国际一流水平，在规模企业和大型工厂，铁水的熔炼水平不低于先进国家，100kg以内的精密铸造件具有相当的国际竞争力。
（4）已有部分农机企业走出去，到国际上寻找自己需要的匹配资源，来弥补自己的短板和能力上的不足，甚至直接购买国外先进水平的零部件工厂进行“嫁接”，获得海外的成熟技术，在此过程中企业的材料应用水平和产品质量得到大幅度提升，直接与国际先进水平并轨。
（5）行业普遍认为，农机零部件的质量水平在60％以上的程度上影响整机水平，与材料和材料制造技术密切相关的零部件制造业近年来得到了快速发展，近8年平均年增长率高达57％，2012年产值达到474亿元。通过进一步规范小的和落后的配件企业，在行业中切实贯彻专业化、标准化、系列化、推行全面质量管理，加强材料及其相关技术的应用，还将进一步提升我国农业机械的质量水平。
5.6.2 问题和差距
（1）总体来看，我国农机工程材料的应用水平还不高，不但落后先进国家20～30年，也落后于国内汽车等行业10年。国内各农机企业的材料和应用技术水平参差不齐，一些小作坊质量低劣的配件依然流向市场。
（2）我国农机可靠性问题突出，作业故障率较高，拖拉机一般使用大约2000h后就需要大修，而发达国家一般使用5000～6000h后才需大修，产品使用寿命高于我国1倍多。国产联合收割机平均故障间隔时间普遍达不到国家规定的70h，只是国外同类产品的1/3；平均无故障工作时间只有30～40h，远低于国外同类产品的70～100h等。
（3）我国幅员辽阔，各地的土壤、气候、地貌差别大，肥料和作物也都参与侵蚀作业装备，作业环境严酷，由此引发的农机零部件的磨损、腐蚀、断裂失效现象较为严重。而作为农机装备自身的问题主要是零部件材料和材料加工技术问题。主要表现为胶带寿命短、液压件漏油、发动机可靠性差等。由材料问题导致的早期失效也很常见，如农机入土件使用寿命短、动力链条拉长变形。更严重的情形有机械操控失灵、轮胎脱落、传动轴和发动机曲轴断裂等。
（4）农机技术水平与先进国家差距大，基础工艺、基础材料、基础零件依然是制约我国农业装备水平提升的最薄弱的环节。我们模仿的产品越来越像，但是在关键部件的研究上却进展缓慢，着力不足，疏忽了基础性的工作。
（5）我国生产的材料在数量上基本满足需求，而在冶金质量和材料性能上与先进国家还有明显的差距。相同牌号的材料，国产的性能低于进口的，零部件国产化时，往往需要考虑加大尺寸。有牌号没实物和材料降级替代、购进材料中不合格品和混料时有发生，给后续热处理等工序造成困难，甚至出现废品。
（6）为农机工程配套的材料加工企业规模小，如铸造厂，平均规模1117t（2008年），只相当于先进国家（如德国）的1/10，整体水平不高，铸件废品率（2％～3％）成倍于发达国家。熔炼造型分析及检测仪器、生产工艺装备整体水平落后于发达国家，能耗高、污染严重、吨铸件的各种污染物排放总量是工业发达国家的3～5倍，吨铸件的生产能耗是发达国家同类工艺的1.5～2倍。
（7）由于材料和材料加工技术的原因，一些农机关键件需要进口，如自动变速箱、采棉头、打结器、青饲收割机切碎机的动刀和定刀片等，高端的液气密封件、轴承、阀体也仍然需要进口，进口零部件可靠性和耐久性好，制作精美。
（8）热处理装备和工艺管理水平不高，加上原材料质量问题，导致农机零部件热处理质量问题突出，引发变形、断轴，甚至行走时车轮脱落而造成事故。由于材料和材料加工技术方面的原因，农机零配件的合格率不高，一直都在60％～70％。
（9）表面涂装技术和表面工程技术的应用有很大差距，进口农机涂层精美耐久，涂层面在数年间可保持基本完好，而国产农机表面1年甚至几个月就可以看到明显的变化，防护性能和耐候性都有很大差距。而在涂装材料方面，高端涂料靠进口，涂料中使用的高端着色颜料也基本上为国外巨头所控制。堆焊和热喷涂等表面工程技术在农机上的应用不如国外普遍，应用水平也有差距。今后，应重点在农机具方面加强推广应用。
5.6.3 建议和措施
（1）建设农机作业环境工况模拟室内实验平台，构建材料选材标准体系，组织编写《农机工程材料应用手册》。
（2）在行业科研院所的基础上，建设农机工程材料关键技术和共性技术研究平台，针对农机服役环境的特点，组织开展农机行业材料共性技术和关键零部件延寿攻关研究，加快先进制造技术和材料延寿技术在农机工业中的应用研究，缩短我国农机与国际先进水平的距离。
（3）进一步补充和完善农机零部件和配件行业准入条件，促进节能、节材、环保和可持续发展政策的贯彻落实，促进农机零部件水平提高和市场的健康有序发展。