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涂善東院士是我國結(jié)構(gòu)完整性研究和管理方面的著名專家,，長期從事高溫高壓設(shè)備安全技術(shù)研發(fā)，創(chuàng)新發(fā)展了高溫承壓設(shè)備安全維修,、安全評價以及本質(zhì)安全調(diào)控等技術(shù),，成功應(yīng)用于石化、能源等重化工業(yè)領(lǐng)域安全保障工程,，為我國萬臺承壓設(shè)備事故率逐年下降做出了貢獻(xiàn),。推廣應(yīng)用于大型反應(yīng)器、換熱器、汽輪機(jī),、高端閥門等產(chǎn)品的可靠性設(shè)計制造,，為企業(yè)創(chuàng)造了顯著經(jīng)濟(jì)效益，為推動我國承壓設(shè)備設(shè)計制造與維護(hù)技術(shù)體系的變革作出了重要貢獻(xiàn),，并先后5次獲國家科技獎勵,。 《碳中和背景下的結(jié)構(gòu)完整性問題》是涂善東院士2021年10月在國際結(jié)構(gòu)完整性學(xué)術(shù)年會上所作的閉幕報告。該報告從背景,、挑戰(zhàn)以及展望等三個方面分析了當(dāng)前和今后碳中和背景下結(jié)構(gòu)完整性發(fā)展的現(xiàn)狀和方向,，并闡明了數(shù)字孿生技術(shù)在結(jié)構(gòu)完整性方面巨大的應(yīng)用前景。 背 景 工業(yè)革命以來,，人類對能源的需求快速增長,，能源消費結(jié)構(gòu)也在不斷變化，大致經(jīng)歷了煤炭替代傳統(tǒng)生物質(zhì)能（木材）,、石油替代煤炭以及目前的化石能源為主,、多種新能源互補(bǔ)三個階段。人類的財富在迅速增長的同時,，大氣中的溫室氣體也急劇增加,。如何保障世界的可持續(xù)發(fā)展已成為全世界關(guān)注的一個重大問題�,；茉吹娜紵a(chǎn)生的二氧化碳是導(dǎo)致溫室效應(yīng)的主要原因,。為應(yīng)對氣候變化的挑戰(zhàn)，包括中國在內(nèi)的眾多國家提出了碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo),。 ![]()
2016年全世界178個締約方共同簽署的氣候變化協(xié)定—《巴黎協(xié)定》,，提出控制全球平均氣溫升幅在2℃之內(nèi)，并努力將氣溫升幅限制在1.5℃之內(nèi),。2020年,，中國政府在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施,，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。 這對我國來說挑戰(zhàn)巨大,，因為我國目前還處在大規(guī)模工業(yè)發(fā)展階段,，碳排放量巨大，且清潔能源技術(shù)方面商業(yè)化程度低,，很多關(guān)鍵的裝備還依賴進(jìn)口,。但我國堅定不移走生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳的高質(zhì)量發(fā)展道路,，將逐步減少對化石能源的依賴,。據(jù)估計,，到2025年，我國一次能源中,，仍有80%的能源來自化石燃料,，而據(jù)碳中和目標(biāo)估算，到2060年,，只能有14%的能源來自煤炭,、石油和天然氣化石燃料，86%的能源將主要來自風(fēng),、光,、核、水及生物質(zhì)等,。 ![]()
對結(jié)構(gòu)完整性的挑戰(zhàn) 碳中和目標(biāo)對于結(jié)構(gòu)完整性提出了新的挑戰(zhàn),。低碳的目標(biāo)要求最大限度地節(jié)約資源，因此必須具有全壽命周期的觀點,，在追求結(jié)構(gòu)安全可靠,、長壽命的同時，還要求盡可能實現(xiàn)輕量化,。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性主要依靠相對單一的學(xué)科支持,，如機(jī)械強(qiáng)度與斷裂、材料科學(xué)以及計算科學(xué)等,，由于科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱,，設(shè)計制造欠精準(zhǔn)，因此既不能完全保證安全,，也無法有效節(jié)約資源,，更難以支撐下一代核電、風(fēng)能,、太陽能的高效開發(fā)以及氫作為能源載體的推廣應(yīng)用。
近年來,，國際上提出了結(jié)構(gòu)完整性四面體概念模型,，要求利用系統(tǒng)科學(xué)的思維來對待結(jié)構(gòu)完整性，要在傳統(tǒng)的分析,、評價和測試之上,，考慮互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面的問題，要實現(xiàn)現(xiàn)代的信息通信與數(shù)據(jù)科學(xué)緊密地結(jié)合,，最終形成數(shù)據(jù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)完整性技術(shù),。同時，可靠性制造的理念正在許多高技術(shù)企業(yè)得以實施,，它以高可靠性為目標(biāo),，貫穿產(chǎn)品的全壽命周期,，以前一代產(chǎn)品出現(xiàn)的問題、故障,、失效為依據(jù),，吸納新的知識，在新材料開發(fā),、產(chǎn)品設(shè)計,、制造與運行維護(hù)等環(huán)節(jié)緊密合作，達(dá)成更高的可靠性目標(biāo),；它以結(jié)構(gòu)完整性的科學(xué)為基礎(chǔ),，充分應(yīng)用數(shù)字制造、智能制造等高效制造模式,；為此,，新的結(jié)構(gòu)完整性科學(xué)與先進(jìn)的可靠性制造模式的結(jié)合可望有力支撐低碳技術(shù)裝備的實現(xiàn)。 ![]()
未來能源體系中結(jié)構(gòu)完整性挑戰(zhàn)除歐盟凈零排放結(jié)構(gòu)完整性挑戰(zhàn)中提出的火電,、風(fēng)電,、氫能、太陽能以及原子能方面的問題外,，還需要開展低碳材料的研究應(yīng)用,，實現(xiàn)材料本身的脫碳與低碳化。 ![]()
在火電方面,，煤電總體規(guī)模減小是顯然的趨勢,，將從發(fā)電的主力逐漸成為電網(wǎng)調(diào)峰的補(bǔ)充能源，于是負(fù)荷波動對電站設(shè)備結(jié)構(gòu)完整性的影響將顯得更為重要,。但是以煤為原料的電站,，必須加上碳捕集利用與封存(CCUS)技術(shù)，成本較高,。另外一種可能是加上生物質(zhì),，與煤混燒，達(dá)到碳的平衡,，由此也將帶來的鍋爐的積灰腐蝕等問題,。發(fā)電技術(shù)方面需要開發(fā)微型燃?xì)廨啓C(jī)系列產(chǎn)品，實現(xiàn)F級70MW和300MW重型燃?xì)廨啓C(jī)以及H級重型燃?xì)廨啓C(jī)的商業(yè)化,，以全面提升能源利用效率,。 在核電方面，可望為石化,、冶金等提供清潔能源,，其小型化、高可靠性,、工況極端化的趨勢仍然是對結(jié)構(gòu)完整性科學(xué)的挑戰(zhàn),，尤其是第四代核電在溫度,、壓力和腐蝕環(huán)境方面都需要更加扎實的基礎(chǔ)研究，積累更為充實的數(shù)據(jù),。 氫能發(fā)展過程中的安全問題同樣十分重要,，如何保障氫能的本質(zhì)安全利用問題，除了高壓氫儲氫的路線,，不排除其他本質(zhì)安全的儲運工藝,，比如兩種儲氫載體——氨和甲醇。氨的優(yōu)勢是容易存儲,、運輸和使用,，理想化的氫氣使用要比甲醇高10%,但制造工藝能耗高，溫和溫度和壓力下氨分解的轉(zhuǎn)化率低于60%,，相關(guān)催化劑還在進(jìn)一步研究,。此外，氨氣泄漏有毒性,，對于燃料電池來說存在氨中毒的問題,。另外一個較為理想的儲氫載體是甲醇，它的優(yōu)勢在于常溫下穩(wěn)定安全,，是氫含量最高的液體燃料,，缺點是甲醇轉(zhuǎn)化為氫的過程中仍然有少量二氧化碳的排出，但它可能是高壓儲氫技術(shù)全面商業(yè)化前,，可靠利用氫能的更合理的方式,。 可再生能源風(fēng)能、太陽能以及潮汐能的利用也值得關(guān)注,，但這些能源都存在不穩(wěn)定波動的問題,，必然會帶來結(jié)構(gòu)的疲勞問題，此外風(fēng)沙環(huán)境,、海洋潮濕環(huán)境也會不可避免的帶來腐蝕,、沖蝕方面的問題。 以上種種新的發(fā)展,，會帶來許多結(jié)構(gòu)完整性方面的挑戰(zhàn)問題,，首先在材料和檢驗方面，未來風(fēng)光電和煤電互補(bǔ),，火電站載荷會不斷變化，因此需要考慮啟停和穩(wěn)定運行引起的應(yīng)力變化導(dǎo)致的低循環(huán)疲勞,、熱機(jī)械疲勞以及蠕變疲勞交互作用問題,，蠕變疲勞試驗的模式不僅僅要考慮應(yīng)力控制，還要考慮應(yīng)變控制,。 ![]()
面對越來越復(fù)雜能源系統(tǒng),，多失效模式的問題將更加普遍,，除了要考慮局部斷裂、整體垮塌這些失效模式外,，還需要考慮其他的損傷類型,，如氫損傷、氧損傷,、高溫蠕變等損傷問題,。 壽命管理方面的問題，大至核電系統(tǒng),，小至燃機(jī),、風(fēng)機(jī)等能源設(shè)備都存在壽命管理方面的問題，比如,，風(fēng)機(jī)的退化機(jī)理必須考慮腐蝕與疲勞的相互作用,。 ![]()
如何評價和分析氫損傷包括氫脆、氫腐蝕,、氫鼓包等也是結(jié)構(gòu)完整性面臨的一個亟待解決的問題,。此外，氫能相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)備的數(shù)字化運維是結(jié)構(gòu)完整性面臨的一個重大問題,，利用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備運維的數(shù)字化是未來一個重要的發(fā)展方向,。 ![]()
結(jié)構(gòu)完整性的展望 對我國而言，在制造模式上不必盲從其他國家,，以可靠性為中心的制造應(yīng)該成為我們關(guān)注的核心制造模式,，這與智能制造、數(shù)字化制造和綠色制造也并不排斥,。我們應(yīng)該更加關(guān)注中國創(chuàng)制的裝備在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的失效故障,、損傷模式等問題，針對這些問題我們可以不斷進(jìn)行迭代改進(jìn)與創(chuàng)新,，在新一代的裝備制造中,，從材料開發(fā)、設(shè)計,、制造,、運維上追求更高的性能與可靠性。實現(xiàn)這樣的過程,，需要與智能制造和綠色制造的相互滲透,，需要在創(chuàng)新鏈、產(chǎn)品鏈每一個關(guān)鍵鏈條上實現(xiàn)可靠性的測試與檢驗,，保證產(chǎn)品全生命周期的可靠性的提升,。
材料方面，要著重關(guān)注極端環(huán)境下新材料的研發(fā),，如氫腐蝕等復(fù)雜條件下復(fù)合材料的研發(fā),。材料強(qiáng)化設(shè)計方面,，可通過為結(jié)構(gòu)調(diào)控引入抗氫組分提升材料的抗氫能力，比如通過晶界工程引入低能界面,；調(diào)控變形機(jī)制激發(fā)形變孿晶,；調(diào)控化學(xué)成分分布穩(wěn)定韌性相，阻止裂紋擴(kuò)展,。此外,，還需要不斷引入低碳生物基復(fù)合材料，研究它們的失效模式,，設(shè)計制造與運維的科學(xué)方法,，提高它們對鋼鐵、水泥及塑料替代的比例,。
設(shè)計方面,，主要研究設(shè)備長壽命、輕量化的設(shè)計問題,。通過長壽命服役來降低資源消耗,，對碳排放的減少是顯著的。同時,，要通過科學(xué)建模,，最大限度控制不確定性，由此確定合理的安全區(qū)間,，這需要考慮不同失效機(jī)制的相互作用,，開發(fā)基于物理學(xué)的精確壽命設(shè)計方法。 制造方面,，實現(xiàn)無缺陷,、無殘余應(yīng)力的制造是我們未來的一個追求。高可靠性的增材制造技術(shù)是目前研究的熱點,，但增材制造最大的問題是很多內(nèi)部的缺陷無法避免,，需要進(jìn)一步量化其影響；表面強(qiáng)化的壽命增益是顯著的,，但仍需要進(jìn)一步量化,。 維護(hù)方面，重點研究數(shù)字孿生技術(shù),，將維修決策從依賴停機(jī)檢驗轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰�測試與仿真結(jié)合,。特別需要指出的是，數(shù)字孿生技術(shù)并不是簡單的仿真模擬,，需要著力開展底層技術(shù)創(chuàng)新,，包括傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字模型建立等等,。 編輯：惲海艷 校對：張強(qiáng) JME學(xué)院簡介 ![]()
JME學(xué)院是由《機(jī)械工程學(xué)報》編輯部2018年創(chuàng)建，以關(guān)注,、陪伴青年學(xué)者成長為宗旨,，努力探索學(xué)術(shù)傳播服務(wù)新模式。首任院長是中國機(jī)械工程學(xué)會監(jiān)事會監(jiān)事長,、《機(jī)械工程學(xué)報》中英文兩刊主編宋天虎,。
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發(fā)表于 2023-1-30 16:09:53
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伸手黨/灌水/看不懂
想當(dāng)年還聽過涂院士的課呢，那時他還不是院士,。
樓主