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八大装置模拟各类极端环境 未来科学城里“安全师”护佑大国重器

发布日期: 2021- 04- 06 信息来源: 北京日报 字体:[ ]

百米高的风电塔耸立于戈壁、草原,数十公里长的跨海大桥让天堑变通途,超大型发电机组每小时将百万度电送入千家万户……这些重大工程设施被誉为大国重器,是强国基础。它们是否牢固、耐久运行,直接关系国家发展、百姓安全。

在位于未来科学城的国家材料服役安全科学中心,8大科学装置模拟各类真实运行环境,探究重大工程材料、构件使用中的疲劳、损伤机理。目前,研究成果已经开始服务于北京冬奥会场馆、北京地下排水管网、超大型发电机组等多个工程项目,正在打造成为护佑大国重器安全运行的国家战略科技力量,是名副其实的“安全师”。

百万次抻拉牵牢冬奥“冰丝带”

国家速滑馆是北京冬奥会的标志性场馆,它有一个晶莹的昵称——“冰丝带”。“冰丝带”的顶部牵拉着世界体育场馆中规模最大的单层双向正交马鞍形索网,最大跨度达198米。为了确保“冰丝带”顶部稳定受力,其东西向设置了49对承重索,南北设置了30对稳定索。这些缆索的寿命,直接影响“冰丝带”的使用寿命。

科学中心的力学与结构工程实验站中,研究员任学冲正带领团队制定“冰丝带”缆索的寿命测试方案。“根据设计方提供的信息,每根缆索可以承受160吨级的安全张拉作用力,但实际使用中,它还需承受风的载荷、自身和赛事保障设备的重力。我们需要验证它在接近真实的环境下,能否具备百年使用寿命。”任学冲说,这需要用到实验站250吨液压作动器和3000吨试验机,分别进行疲劳和破断试验。

科研人员计划将一批长度8米的原版速滑馆缆索两端固定于液压作动器和反力支座上,以120吨级至160吨级的力量每天抻拉20万次,连续测试200万次,通过百万次的抻拉验证其材料损伤情况,精准掌握缆索使用工况的极限。“我们在抻拉过程中也要给缆索加上挂载设备的重力,力求真实模拟。”任学冲说,这个实验将在近期把测试结论提交给速滑馆的设计、运营单位,科学制定缆索保养方案,确保牵牢“冰丝带”。

可视化支招北京排水管网延寿

作为一座超大型城市,北京每天都会产生大量的生产生活污水,汇入数千公里的地下排水管网。排水管一旦严重破裂,可能导致路面塌陷,桥梁、房屋受损,影响城市安全运行。

科学中心教授苗英豪和同事们研究着如何帮助北京的排水管网“延长寿命”。实验场地上,10多段由钢筋混凝土制成的排水管整齐码放,它们的直径从30厘米至80厘米不等,一些排水管的外壁已经出现裂纹,裂纹处打上了标记。“这些管道与目前北京正在使用的主流排水管规格、材料都是一样的。我们用不同量级的压力测试它们的力学性能,裂纹正是不同压力下的损伤。”苗英豪说。

2020年,他们的课题在北京市科委立项,随后与北京排水集团运营部对接,受到了欢迎。这些年,排水集团不断应用机器人、探地雷达等设备加大管网检测和养护维护,但对排水管道损伤的破坏机理、安全使用寿命的预测的确余力不足。“这些方面正是我们的强项。”苗英豪说。

科研人员除了用力学方法测试管道力学性能,还要将管道置于环境模拟系统内,充入腐蚀性溶液和气体,全方位检查管道的腐蚀损伤演变情况,再融合仿真技术手段,建立起排水管道的寿命预测模型,这项研究有望在今年结束。届时,科研人员将集成一套可视化管理平台提供给北京排水集团,管理北京排水管道使用安全状况、剩余寿命信息。

保驾超大型发电厂安全运行

在高温高压腐蚀实验站,一项验证第三代核电机组承压管道安全性能的实验正在进行。工程师刘廷光紧盯着实验设备屏幕上跳动的数字:温度325℃,压力14.4兆帕。“目前管路材料一切正常,20分钟后,试验管道内壁的温度将骤降至38℃,再升温至325℃左右,如此反复。”他说,在超大型发电厂,发电机组运行过程中会遇到启停、调峰等情形,此时管网温度改变,热胀冷缩会对材料产生应力,由此造成的材料损伤情况必须摸清。

过去科研人员只能从管道构件上截取小试片在实验室研究,如今这里建设了一套大型回路系统,可以几乎完整地模拟发电厂高温高压管路环境,真实获取管路材料损伤数据。“研究成果可以提升我国电力装备的制造竞争力,又能大幅降低安全事故率。”刘廷光说。

项目于2008年12月批复建设,8套大科学装置于2019年初起陆续验收投入运行。目前,科学中心已有7套装置完成验收,整体验收将在今年上半年完成。“我们将发挥在北京的创新资源优势,发挥重大科技基础设施的引领作用,服务国家重大科技任务,全力建设立足首都、服务全国、面向全球的新型研发机构,为北京建设国际科技创新中心贡献力量。”科学中心总指挥张卫冬说。

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