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 。
【未来|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】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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