非金屬制承壓設備標準體系研究

辛明亮 鄭偉義

(1.廣州特種承壓設備檢測研究院 廣州 510663）

（2.國家塑料制品質量監督檢驗中心(福州) 福州 350002)

相對于金屬設備，非金屬設備具有不腐蝕、使用壽命長，接口穩定、嚴密，節能，節水，運輸、安裝、施工方便，維護簡單、運行費用低，綜合成本低，對環境友好，抵抗地層表動和地震的能力強等優點在市政及化工領域具有一定程度的應用。2016年2月國家質量監督檢驗檢疫總局頒布TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》（以下簡稱《大容規》），旨在形成關于固定式壓力容器的綜合規范[1]。《大容規》將除了無增強的塑料制壓力容器以外的非金屬制壓力容器涵蓋其中，也印證了國家對非金屬承壓設備的重視。

非金屬設備相關的標準從制造、使用、檢測等方面，行標、國標等類別都有相當多的數量，部分非金屬設備如防腐蝕壓力管道、非金屬壓力管道元件等細分領域也有了標準體系的報道。非金屬制承壓設備的應用時間較短，并且在基礎數據和試驗數據積累方面也相對缺乏，導致標準制修訂工作明顯滯后的現狀，尤其缺乏對非金屬制承壓設備整體性的把控，以上原因引起國內非金屬承壓設備標準重復制定，標準管理覆蓋嚴重，標準層級不明，進而制約了非金屬制承壓設備的發展空間及應用范圍。將整個非金屬設備的標準按其內在聯系形成科學的有機整體，提出一整套標準體系的報道還相對匱乏。本文探索從非金屬承壓設備應用角度從法規到制品的思路進行了歸納總結，提出了非金屬制承壓設備的標準體系，給出了非金屬制承壓設備標準制修訂的建議。

1 非金屬承壓設備的分類

參考《大容規》，將非金屬承壓設備分為壓力管道、壓力容器和安全附件。如圖1所示，根據實際非金屬設備常用材料劃分將壓力管道和壓力容器又細分為石墨制、玻璃鋼制、搪玻璃制、塑料制和襯里制承壓設備[2]，此分類體系也參考了國外非金屬承壓設備標準體系的分類方法。

圖1 非金屬承壓設備分類

確定了非金屬承壓設備的類型后，石墨制、玻璃鋼制、搪玻璃制、塑料制或襯里制后，然后再往下細分，每個不同的類型設備還可主要分為材料與產品標準和方法標準。材料與產品標準涵蓋了原材料的相應標準和產品相關標準等。方法標準包括制造、檢驗、測試等方法標準。壓力容器按照金屬壓力容器分類原則分類，分為內壓容器與外壓容器，內壓容器又可按設計壓力大小分為超高壓容器、高壓容器、中壓容器和低壓容器。根據壓力容器在生產中的作用，分為反應型壓力容器、換熱型壓力容器、分離型壓力容器和儲存型壓力容器[3]。如圖2所示，壓力容器按照形式及功能分為：釜、塔、罐、槽、器。 壓力管道分為管道、管道元件、安全附件及安全保護裝置。其中壓力管道元件包括管子、管件、閥門、法蘭、補償器及配件。

圖2 非金屬承壓設備四級分類體系

2 非金屬承壓設備標準體系框架

標準體系是一個有機整體，按照標準的內在聯系進行組合形成。標準是組成標準體系的主要組成要素，標準之間具有相互依賴和相互作用關系。標準體系具有系統的、普遍性的特征，即可分解性與整體性、計劃性與目標性和相關性等。

我國非金屬承壓設備相關法律法規之間的關系如圖3所示。綜合考慮以及對未來非金屬產業、技術發展的預測，非金屬壓力管道元件標準體系應符合國家、行業環保和安全方面相關法規政策要求，應覆蓋涉及產品全生命周期的所有環節，包括設計、制造、安裝、使用與維護、檢驗檢測等。為規范非金屬承壓設備型式試驗程序及其監管要求，在綜合考慮我國非金屬承壓設備制造實際情況，吸收國外發達國家關于承壓設備型式試驗的基本要求和承壓設備安全技術領域研究成果的基礎上，國家質量監督檢驗檢疫總局制定并出臺了《鍋爐壓力容器制造監督管理辦法》《壓力容器定期檢驗規則》《壓力容器監督檢驗規則》《非金屬壓力容器安全技術監察規程》等多個法規明確了非金屬承壓設備設計、制造、安裝、使用、檢驗、修理和改造的多個過程的規定。

圖3 我國承壓設備相關的法律法規關系圖

為了直觀的表述非金屬承壓設備標準體系的構成，從層級、產品、范圍進行劃分，如圖4所示。按照層級劃分了企業標準、聯盟標準、團體標準等自律性標準和國家標準、地方標準政府類標準。產品標準按照非金屬承壓設備實際使用材料類型不同分門別類。范圍控制在產品制造過程中及產品使用及檢查過程所涉及的標準。

圖4 非金屬承壓設備標準體系三維結構圖

3 非金屬承壓設備標準明細

非金屬承壓設備基本標準明細表見表1，非金屬承壓設備基礎標準中管道類型較多，容器涉及的基礎標準相對較少，在今后的標準制修訂過程中將有重點的傾向于五大類非金屬承壓設備基礎標準均衡發展。

表1 非金屬承壓設備基礎標準

非金屬承壓設備用材料大致可分為有機非金屬材料和無機非金屬材料等。有機非金屬材料也稱有機高分子材料，主要包括塑料、橡膠、涂料、有機復合材料等，無機非金屬材料主要包括石墨、水泥、陶瓷、無機復合材料等。

從表1中可以看出非金屬承壓設備的常用材料常用的還是局限在含氟類、含氯類、聚乙烯和聚丙烯等塑料管道制品，2018年實施的塑料及其襯里制壓力容器將塑料的應用范圍擴展到容器，拓展了非金屬的應用領域。通用要求中關于搪玻璃和陶瓷類非金屬承壓設備的標準較少，此類標準將成為非金屬承壓設備標準體系范圍層級完善的方向。

塑料制承壓設備標準制定情況見表2，可用于承壓設備的塑料材料一般可分為以下四種類型。

1)通用塑料：聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、聚乙烯、氯化聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。

2)工程塑料：聚酰胺、ABS等共聚物。

3)含氟塑料：聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物、聚偏氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚氟乙烯及其他的共聚氟塑料聚合物。

4)熱固性塑料：環氧類塑料、聚酯類塑料等。由于第四類中的玻璃纖維增強產品應用較廣因此單獨區分開來形成玻璃鋼制設備。

表2 塑料制承壓設備產品標準

序號標準號 標準名稱31 GB/T 20207.1—2006 丙烯腈-丁二烯－苯乙烯（ABS）壓力管道系統第1部分：管材32 GB/T 20207.2—2006 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）壓力管道系統第2部分：管件33 GB 26255.1—2010 燃氣用聚乙烯管道系統的機械管件 第1部分：公稱外徑不大于63mm的管材用鋼塑轉換管件34 GB 26255.2—2010 燃氣用聚乙烯管道系統的機械管件 第2部分：公稱外徑大于63mm的管材用鋼塑轉換管件35 GB/T 28799.2—2012 冷熱水用耐熱聚乙烯（PE-RT）管道系統第2部分：管材36 GB/T 32018.1—2015 給水用抗沖改性聚氯乙烯（PVC-M）管道系統第1部分：管材37 GB/T 32018.2—2015 給水用抗沖改性聚氯乙烯（PVC-M）管道系統第2部分：管件38 HG/T 20539—1992 增強聚丙烯（FRPP）管和管件（附編制說明）39 HG/T 21561—1994 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）管和管件（附編制說明）40 HG/T 4750—2014 塑料焊接機具 擠出焊槍41 HG/T 4751—2014 塑料焊接機具 熱風焊槍

由表2可見，塑料制承壓設備產品標準主要容器標準較為籠統并未按照材料不同進行分類，管道則集中在含氯類、聚烯烴和ABS的給排水管、化工管。塑料制承壓設備的混配料、壽命檢測、定期檢驗等系列標準將為該體系今后發展的重點。

樹脂基復合材料采用的增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、晶須等。玻璃纖維的主要成分是鈣鈉硅酸鹽和鋁硼硅酸鹽。含前者多的常稱為有堿或中堿玻璃纖維（A-玻璃纖維），含后者多的常稱為無堿或低堿玻璃纖維（E-玻璃纖維）[4]。玻璃鋼制承壓設備標準見表3，根據選用的樹脂品種類型，分為聚酯玻璃鋼、環氧玻璃鋼。玻璃鋼材料質輕而硬、不導電、性能穩定、機械強度高、回收利用少、耐腐蝕，可以在機器零件和汽車、船舶外殼等代替鋼材。

表3 玻璃鋼制承壓設備產品標準

(續表)

表3中列出了玻璃鋼制承壓設備的產品標準，玻璃鋼制承壓設備發展較早相關產品標準較為完善，今后發展需減少標準的重復制定及范圍覆蓋問題。

襯里制承壓設備最大的特點是過流面采用塑料覆蓋，以隔絕鋼鐵等金屬與強腐蝕性介質的直接接觸。這樣既解決了塑料強度低，不能承受高壓的問題，又解決了鋼鐵材料不耐腐蝕的缺點，而且合理地利用了資源，符合國家節能降耗的產業策略，因而該類產品得到迅速發展。表4列出了常用的襯里制設備的產品類型。

表4列出了襯里制承壓設備產品標準，從表中看出襯里制設備主要集中在含氟設備，其他材料的襯里設備較少，今后標準制定方向將從襯里方法和材料兩個方向進行發展。

搪玻璃制承壓設備是將含硅量高的瓷釉涂于金屬表面，具有類似玻璃的化學穩定性和金屬強度的雙重優點[5]。該類設備廣泛使用于化工、醫藥、燃料、農藥、有機合成、石油、食品制造和國防工業等工業生產和科學研究中的反應、蒸發、濃縮、合成、萃取、聚合、皂化、礦化、氯化、硝化等[6]，常見搪玻璃制承壓設備見表5。當前我國搪玻璃工業發展與發達國家主要差距在產品標準執行、瓷釉水平、設備開發能力、搪瓷工藝和工裝設備、焊接水平等方面[7]。

表4 襯里制承壓設備產品標準

表5 搪玻璃制承壓設備產品標準

(續表)

搪玻璃設備的標準結合金屬制系列標準也相對較為完善。

石墨分為天然石墨和人造石墨兩種[8]。天然石墨主要有鱗片和片狀兩類，其純度較低，一般含雜質量高，組織松散發滑，在工業上較少單獨使用，多用于冶金工業電極糊、坩堝鑄造模型等。應用到承壓設備的石墨多為不透性石墨，由不透性石墨制成的設備及石墨制壓力容器具有優良的化學耐腐蝕性能和較好的導熱性能，適用于腐蝕性介質的傳熱、吸收、冷卻等過程，是理想的設備結構材料[9-10]。大多數使用在氯堿工業、石油化工、醫藥、冶金、輕工等領域，石墨制承壓設備產品標準件見表6。不透性石墨制設備及石墨制壓力容器主要由鋼制外殼、不透性石墨塊體、不透性石墨管束、不透性石墨封頭等零部件組成，不透性石墨設備中石墨零部件主要起著耐腐蝕性介質的作用。

表6 石墨制承壓設備產品標準

序號 標準號 標準名稱5 H G/T 3 1 9 3—2 0 0 9 石墨4 5°彎頭6 H G/T 3 1 9 4—2 0 0 9 石墨三通7 H G/T 3 1 9 5—2 0 0 9 石墨四通8 H G/T 3 1 9 6—2 0 0 9 石墨外接頭9 H G/T 3 1 9 7—2 0 0 9 石墨絲堵頭1 0 H G/T 3 1 9 8—2 0 0 9 石墨管端蓋1 1 H G/T 3 1 9 9—2 0 0 9 石墨絲埋頭1 2 H G/T 3 2 0 0—2 0 0 9 石墨管凸緣1 3 H G/T 3 2 0 1—2 0 0 9 石墨內接頭1 4 H G/T 3 2 0 2—2 0 0 9 石墨溫度計套管1 5 H G/T 3 2 0 3—2 0 0 9 石墨管道用鋼制對開法蘭1 6 H G/T 3 2 0 5—2 0 0 9 石墨管道補償器1 7 H G/T 3 2 0 6—2 0 0 9 石墨管道視鏡1 8 H G/T 3 2 0 7—2 0 0 9 石墨管凸緣連

表6中對常用的石墨制品標準進行列舉多為行業標準，且制定的年份較早，對該類標準的升級及標準更新將成為今后該類標準發展的重點。

4 總結

構建非金屬承壓設備標準體系有助于非金屬制承壓設備標準論述保持一致更好地進行標準推廣，為制造商、客戶和檢測人員提供一套交流的統一的交流語言，引導標準制定方面更加系統、完善的統一管理標準制修訂工作，進一步完善、補充非金屬制承壓設備系列標準。

非金屬承壓設備分類體系的制定有助于提高非金屬制承壓設備系列標準的系統性；便于使用單位、設計單位及客戶更好、更便捷地檢索相對應的標準；進一步降低標準的相互交叉覆蓋減少監控沖突；有利于標準管理部門及法律制修訂部門，有法可依，有標準做支撐，提高特種設備安全性。