当前位置:首页 > 新闻导读

【中国教育报】以“卫士”之名捍卫材料服役安全之责

——记北京科技大学“重大工程材料服役安全研究评价设施”项目

作者:程远 李娇娇 | 来源:中国教育报 | 更新时间:2017-05-08 | 点击数:

50a3ab4f93092295e7beee6ac0da8c8d.jpg

孙冬柏教授(右一)讲解重大科技基础设施关键技术。郝慧鹏 供图    

    “轰隆”一声震耳欲聋,带来的不是春雷乍响,却带走了62条鲜活的生命。再谈起“11·22”中石化东黄输油管道泄漏爆炸特别重大事故,依旧是扼腕之痛。

    截至2016年底,我国油气长输管道总里程累计约为12.6万千米;“十三五”规划目标,2016—2020年我国将新增油气管道总里程5.7万千米,俨然一座“地下长城”。近20万千米的油气管道谁来护卫?谁为油气管道隐患整改“建档立案”?

    日前,北京科技大学作为法人单位,联合中国科学院金属研究所、西北工业大学、哈尔滨工业大学建设首个国家重大科技基础设施建设项目——“重大工程材料服役安全研究评价设施”(简称MSAF)暨“国家材料服役安全科学中心”(简称NCMS)建设项目,肩负起重点行业的材料服役安全之责。

    油气管道“监测卫士”

    随着经济快速发展,对能源特别是油气资源的依赖与需求越来越大。但油气资源有一个明显特点:分布和使用存在很大的不平衡性。以我国为例,油气储藏地通常远离经济发达、人口稠密地区,而这些地区对油气资源的需求又极大。因此,如何将开采的油气资源输送到用户手中,成为一道难题。

    目前,各国油气资源首选输送方式是长距离油气管线,输送量大且经济性好。我国目前总油气管线已形成庞大的油气管网,但油气管道网络所处环境复杂多变,会对管道材料造成不同程度的腐蚀;随着管道使用年限的增加,管道材料失效概率也会增大。管线中输送的油气资源都是带有压力的易燃易爆品,管道一旦发生破损,甚至只是管壁厚度减薄,带有压力的油气都会使管道发生穿孔泄漏甚至爆裂,后果十分严重。有分析表明,我国目前使用的油气管线中,相当大比重的管道已进入事故多发期。

    对于数万公里的油气管道,一旦等发生事故再去维修更换,一方面会严重影响公共安全,另一方面停工、维修也将显著增加经济与时间成本。而如果提早更换又会使管道无法发挥其最大使用价值,造成极大的浪费。因此,开展长输/集输管网的腐蚀在线监测与安全评价,实现在线监测与离线检测的相互补充具有重要意义。

    但这种腐蚀的实时监控又存在极大困难:长输/集输管网系统庞大且深埋地下,腐蚀监控异常困难;腐蚀监测又是多学科交叉问题,需结合安全评价、材料科学与工程及机械工程等学科,对于实时监控又是一大障碍。

    难道就这样“放之任之”?该科学中心有些不甘心,充分利用自身多学科交叉特点,形成一支“强悍”的团队,进行管道壁厚在线监测系统、壁厚监测与数据中继和数据汇聚装置的设计研究,旨在为互联网与工业现场数字化腐蚀监测的融合提供解决方案。

    核电行业“安全卫士”

    “十三五”规划指出,2020年我国运行核电装机容量将达到5800万千瓦,在建3000万千瓦。其中,内陆核电建设将迎来解冻时期。

    但在加速发展核电的同时,一个严峻问题成为“拦路虎”——管道材料失效可能诱发核电站事故。虽然核电站在设计、建造、运营期间均有严格的管理标准,但由于核电站本身使用的材料往往受高温高压、特殊的水化学环境等影响,不可避免会失效。

    在核电站各种设备的制造、安装及检修过程中,焊接是最常用的工艺之一,但核电管道的焊接却成了核电站失效事故的多发部位:焊接过程中,焊接部位存在的成分差异和组织结构不均匀等问题严重影响了焊接部位的耐腐蚀性和抗应力腐蚀能力,进而会严重影响焊接材料的使用稳定性。除焊接材料问题外,核电站关键材料和结构在高温水环境下存在多因素、非线性的微动损伤问题也颇受关注。

    于是,该科学中心着手研究核电站关键部件的损伤行为及其发生机理,针对核电站管道设备,开展焊接部位的成分、组织结构及力学性能等对腐蚀、应力腐蚀的影响规律和机制以及热处理工艺对焊接性能的影响研究。最终掌握了国产及进口焊接材料在腐蚀性能、力学性能上的差异,积累了大量的基础数据,可用于国产焊接材料的开发和改进,突破了国外的技术封锁;通过将数值模拟技术与实验研究相结合,开发了预测传热管微动磨损的分析程序,建立包含材料组织、温度、水环境和微动等参数的微动损伤图谱和初步模型,揭示了核电站关键材料微动损伤过程中材料—环境—微动之间的耦合作用规律和机制。

    高速铁路“选材卫士”

    相较于传统铁路,舒适快捷的高铁逐渐成为人们出行的首选。

    在我国,高铁发展起步较晚,但取得的成就却令人震惊:2020年,我国高铁营业里程将达3万公里、覆盖80%以上大城市,占铁路总运营里程的五分之一,甚至将会实现国家、区域中心城市1—8小时高速通达圈,相邻大中城市1—4小时快速交通圈,城市群内0.5—2小时通勤圈。四通八达、畅通无阻,想想都令人振奋。

    但在高铁快速发展的同时,与高铁相关的材料的研发和应用却可能使我们“降速”,高铁不同部位会涉及不同种类和性能的材料,如车轮材料的力学性能特别是断裂韧性,会直接影响车轮材料在使用中的疲劳断裂性能。1998年德国就曾因高铁车轮失效导致百余人殒命。

    我国最初的高铁车轮全部依赖进口,因而无法解决断裂韧性偏低且测试结果稳定性差的问题。此外,由于材料热处理是钢获取不同组织改善性能的主要方法,其对钢组织结构影响的基本规律机理虽已明晰,但对于具体的高速车轮钢的组织结构的影响规律却并不十分清楚,也直接影响了我国高铁车轮材料的发展和应用。

    该科学中心随即开展热处理工艺参数及其对材料性能的影响研究,最终提出了具有自主知识产权的热处理工艺方案,在不改变现有生产设备及工艺流程基础上,使国产车轮钢达到国际先进水平,突破了国外对高性能车轮钢的垄断,并使高速车轮采购成本大大降低,促进了高速列车国产化的进程。

    实际上,类似的国家重点行业的材料服役安全研究在该科学中心比比皆是。目前,其在海洋工程、能源行业及汽车行业等领域亦开展着广泛研究,坚定不移恪守“建立重大工程材料服役安全的预测预报理论方法,突破国外的技术封锁和壁垒,为我国重大工程的选材、评估与寿命预测提供科学技术支撑”的建设使命。


    原文链接:中国教育报(2017年5月8日07版)

(责编:孟婍)