未來科學城"安全師"護佑大國重器 八大裝置模擬各類極端環境

2021年04月06日08:15  來源:北京日報
 
原標題:未來科學城裡“安全師”護佑大國重器

自然環境腐蝕實驗站內,自然大氣環境結構材料試驗裝置正在測試材料的耐腐蝕性。 本報記者 和冠欣攝

本報記者 張航

百米高的風電塔聳立於戈壁、草原,數十公裡長的跨海大橋讓天塹變通途,超大型發電機組每小時將百萬度電送入千家萬戶……這些重大工程設施被譽為大國重器,是強國基礎。它們是否牢固、耐久運行,直接關系國家發展、百姓安全。

在位於未來科學城的國家材料服役安全科學中心,8大科學裝置模擬各類真實運行環境,探究重大工程材料、構件使用中的疲勞、損傷機理。目前,研究成果已經開始服務於北京冬奧會場館、北京地下排水管網、超大型發電機組等多個工程項目,正在打造成為護佑大國重器安全運行的國家戰略科技力量,是名副其實的“安全師”。

百萬次抻拉牽牢冬奧“冰絲帶”

國家速滑館是北京冬奧會的標志性場館,它有一個晶瑩的昵稱——“冰絲帶”。“冰絲帶”的頂部牽拉著世界體育場館中規模最大的單層雙向正交馬鞍形索網,最大跨度達198米。為了確保“冰絲帶”頂部穩定受力,其東西向設置了49對承重索,南北設置了30對穩定索。這些纜索的壽命,直接影響“冰絲帶”的使用壽命。

科學中心的力學與結構工程實驗站中,研究員任學沖正帶領團隊制定“冰絲帶”纜索的壽命測試方案。“根據設計方提供的信息,每根纜索可以承受160噸級的安全張拉作用力,但實際使用中,它還需承受風的載荷、自身和賽事保障設備的重力。我們需要驗証它在接近真實的環境下,能否具備百年使用壽命。”任學沖說,這需要用到實驗站250噸液壓作動器和3000噸試驗機,分別進行疲勞和破斷試驗。

科研人員計劃將一批長度8米的原版速滑館纜索兩端固定於液壓作動器和反力支座上,以120噸級至160噸級的力量每天抻拉20萬次,連續測試200萬次,通過百萬次的抻拉驗証其材料損傷情況,精准掌握纜索使用工況的極限。“我們在抻拉過程中也要給纜索加上挂載設備的重力,力求真實模擬。”任學沖說,這個實驗將在近期把測試結論提交給速滑館的設計、運營單位,科學制定纜索保養方案,確保牽牢“冰絲帶”。

可視化支招北京排水管網延壽

作為一座超大型城市,北京每天都會產生大量的生產生活污水,匯入數千公裡的地下排水管網。排水管一旦嚴重破裂,可能導致路面塌陷,橋梁、房屋受損,影響城市安全運行。

科學中心教授苗英豪和同事們研究著如何幫助北京的排水管網“延長壽命”。實驗場地上,10多段由鋼筋混凝土制成的排水管整齊碼放,它們的直徑從30厘米至80厘米不等,一些排水管的外壁已經出現裂紋,裂紋處打上了標記。“這些管道與目前北京正在使用的主流排水管規格、材料都是一樣的。我們用不同量級的壓力測試它們的力學性能,裂紋正是不同壓力下的損傷。”苗英豪說。

2020年,他們的課題在北京市科委立項,隨后與北京排水集團運營部對接,受到了歡迎。這些年,排水集團不斷應用機器人、探地雷達等設備加大管網檢測和養護維護,但對排水管道損傷的破壞機理、安全使用壽命的預測的確余力不足。“這些方面正是我們的強項。”苗英豪說。

科研人員除了用力學方法測試管道力學性能,還要將管道置於環境模擬系統內,充入腐蝕性溶液和氣體,全方位檢查管道的腐蝕損傷演變情況,再融合仿真技術手段,建立起排水管道的壽命預測模型,這項研究有望在今年結束。屆時,科研人員將集成一套可視化管理平台提供給北京排水集團,管理北京排水管道使用安全狀況、剩余壽命信息。

保駕超大型發電廠安全運行

在高溫高壓腐蝕實驗站,一項驗証第三代核電機組承壓管道安全性能的實驗正在進行。工程師劉廷光緊盯著實驗設備屏幕上跳動的數字:溫度325℃,壓力14.4兆帕。“目前管路材料一切正常,20分鐘后,試驗管道內壁的溫度將驟降至38℃,再升溫至325℃左右,如此反復。”他說,在超大型發電廠,發電機組運行過程中會遇到啟停、調峰等情形,此時管網溫度改變,熱脹冷縮會對材料產生應力,由此造成的材料損傷情況必須摸清。

過去科研人員隻能從管道構件上截取小試片在實驗室研究,如今這裡建設了一套大型回路系統,可以幾乎完整地模擬發電廠高溫高壓管路環境,真實獲取管路材料損傷數據。“研究成果可以提升我國電力裝備的制造競爭力,又能大幅降低安全事故率。”劉廷光說。

項目於2008年12月批復建設,8套大科學裝置於2019年初起陸續驗收投入運行。目前,科學中心已有7套裝置完成驗收,整體驗收將在今年上半年完成。“我們將發揮在北京的創新資源優勢,發揮重大科技基礎設施的引領作用,服務國家重大科技任務,全力建設立足首都、服務全國、面向全球的新型研發機構,為北京建設國際科技創新中心貢獻力量。”科學中心總指揮張衛冬說。

(責編:孟竹、鮑聰穎)

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