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涂善東院士談碳中和背景下的結(jié)構(gòu)完整性問題

文章來源:機(jī)械工程學(xué)報碳交易網(wǎng)2022-02-14 10:08

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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。 內(nèi)/容/來/自:中-國/碳-排*放^交%易#網(wǎng)-tan p a i fang . com

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。 本+文內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) ta np ai fan g.com

背 景

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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。化石能源的燃燒產(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)。 禸*嫆唻@洎:狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm

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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”。 本%文$內(nèi)-容-來-自;中_國_碳|排 放_交-易^網(wǎng)^t an pa i fang . c om

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。 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńpāīfāńɡ.cōm

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對結(jié)構(gòu)完整性的挑戰(zhàn) 本+文+內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放(交—易^網(wǎng)-tan pai fang . com

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。

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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(yùn)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)。 本文`內(nèi)-容-來-自;中_國_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om

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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。

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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。 本`文內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fan g.com

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)。

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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(yùn)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(yùn)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。 本`文內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fan g.com

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。

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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(yùn)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。

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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。

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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。 禸*嫆唻@洎:狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm

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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(yùn)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(yùn)維的數(shù)字化是未來一個重要的發(fā)展方向。

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結(jié)構(gòu)完整性的展望 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńpāīfāńɡ.cōm

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(yùn)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。 內(nèi)/容/來/自:中-國/碳-排*放^交%易#網(wǎng)-tan p a i fang . com

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(yùn)維的科學(xué)方法,提高它們對鋼鐵、水泥及塑料替代的比例。 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com

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。

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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。 本*文@內(nèi)-容-來-自;中_國_碳^排-放*交-易^網(wǎng) t an pa i fa ng . c om

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。 本文`內(nèi)-容-來-自;中_國_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om

編輯:惲海艷 校對:張強(qiáng)

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