百米高的風(fēng)電塔聳立于戈壁、草原，數(shù)十公里長(zhǎng)的跨海大橋讓天塹變通途，超大型發(fā)電機(jī)組每小時(shí)將百萬度電送入千家萬戶……這些重大工程設(shè)施被譽(yù)為大國(guó)重器，是強(qiáng)國(guó)基礎(chǔ)。它們是否牢固、耐久運(yùn)行，直接關(guān)系國(guó)家發(fā)展、百姓安全。

在位于未來科學(xué)城的國(guó)家材料服役安全科學(xué)中心，8大科學(xué)裝置模擬各類真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，探究重大工程材料、構(gòu)件使用中的疲勞、損傷機(jī)理。目前，研究成果已經(jīng)開始服務(wù)于北京冬奧會(huì)場(chǎng)館、北京地下排水管網(wǎng)、超大型發(fā)電機(jī)組等多個(gè)工程項(xiàng)目，正在打造成為護(hù)佑大國(guó)重器安全運(yùn)行的國(guó)家戰(zhàn)略科技力量，是名副其實(shí)的“安全師”。

百萬次抻拉牽牢冬奧“冰絲帶”

國(guó)家速滑館是北京冬奧會(huì)的標(biāo)志性場(chǎng)館，它有一個(gè)晶瑩的昵稱——“冰絲帶”。“冰絲帶”的頂部牽拉著世界體育場(chǎng)館中規(guī)模最大的單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)，最大跨度達(dá)198米。為了確保“冰絲帶”頂部穩(wěn)定受力，其東西向設(shè)置了49對(duì)承重索，南北設(shè)置了30對(duì)穩(wěn)定索。這些纜索的壽命，直接影響“冰絲帶”的使用壽命。

科學(xué)中心的力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)站中，研究員任學(xué)沖正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)制定“冰絲帶”纜索的壽命測(cè)試方案。“根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的信息，每根纜索可以承受160噸級(jí)的安全張拉作用力，但實(shí)際使用中，它還需承受風(fēng)的載荷、自身和賽事保障設(shè)備的重力。我們需要驗(yàn)證它在接近真實(shí)的環(huán)境下，能否具備百年使用壽命。”任學(xué)沖說，這需要用到實(shí)驗(yàn)站250噸液壓作動(dòng)器和3000噸試驗(yàn)機(jī)，分別進(jìn)行疲勞和破斷試驗(yàn)。

科研人員計(jì)劃將一批長(zhǎng)度8米的原版速滑館纜索兩端固定于液壓作動(dòng)器和反力支座上，以120噸級(jí)至160噸級(jí)的力量每天抻拉20萬次，連續(xù)測(cè)試200萬次，通過百萬次的抻拉驗(yàn)證其材料損傷情況，精準(zhǔn)掌握纜索使用工況的極限。“我們?cè)谵永^程中也要給纜索加上掛載設(shè)備的重力，力求真實(shí)模擬。”任學(xué)沖說，這個(gè)實(shí)驗(yàn)將在近期把測(cè)試結(jié)論提交給速滑館的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)單位，科學(xué)制定纜索保養(yǎng)方案，確保牽牢“冰絲帶”。

可視化支招北京排水管網(wǎng)延壽

作為一座超大型城市，北京每天都會(huì)產(chǎn)生大量的生產(chǎn)生活污水，匯入數(shù)千公里的地下排水管網(wǎng)。排水管一旦嚴(yán)重破裂，可能導(dǎo)致路面塌陷，橋梁、房屋受損，影響城市安全運(yùn)行。

科學(xué)中心教授苗英豪和同事們研究著如何幫助北京的排水管網(wǎng)“延長(zhǎng)壽命”。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地上，10多段由鋼筋混凝土制成的排水管整齊碼放，它們的直徑從30厘米至80厘米不等，一些排水管的外壁已經(jīng)出現(xiàn)裂紋，裂紋處打上了標(biāo)記。“這些管道與目前北京正在使用的主流排水管規(guī)格、材料都是一樣的。我們用不同量級(jí)的壓力測(cè)試它們的力學(xué)性能，裂紋正是不同壓力下的損傷。”苗英豪說。

2020年，他們的課題在北京市科委立項(xiàng)，隨后與北京排水集團(tuán)運(yùn)營(yíng)部對(duì)接，受到了歡迎。這些年，排水集團(tuán)不斷應(yīng)用機(jī)器人、探地雷達(dá)等設(shè)備加大管網(wǎng)檢測(cè)和養(yǎng)護(hù)維護(hù)，但對(duì)排水管道損傷的破壞機(jī)理、安全使用壽命的預(yù)測(cè)的確余力不足。“這些方面正是我們的強(qiáng)項(xiàng)。”苗英豪說。

科研人員除了用力學(xué)方法測(cè)試管道力學(xué)性能，還要將管道置于環(huán)境模擬系統(tǒng)內(nèi)，充入腐蝕性溶液和氣體，全方位檢查管道的腐蝕損傷演變情況，再融合仿真技術(shù)手段，建立起排水管道的壽命預(yù)測(cè)模型，這項(xiàng)研究有望在今年結(jié)束。屆時(shí)，科研人員將集成一套可視化管理平臺(tái)提供給北京排水集團(tuán)，管理北京排水管道使用安全狀況、剩余壽命信息。

保駕超大型發(fā)電廠安全運(yùn)行

在高溫高壓腐蝕實(shí)驗(yàn)站，一項(xiàng)驗(yàn)證第三代核電機(jī)組承壓管道安全性能的實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行。工程師劉廷光緊盯著實(shí)驗(yàn)設(shè)備屏幕上跳動(dòng)的數(shù)字：溫度325℃，壓力14.4兆帕。“目前管路材料一切正常，20分鐘后，試驗(yàn)管道內(nèi)壁的溫度將驟降至38℃，再升溫至325℃左右，如此反復(fù)。”他說，在超大型發(fā)電廠，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中會(huì)遇到啟停、調(diào)峰等情形，此時(shí)管網(wǎng)溫度改變，熱脹冷縮會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生應(yīng)力，由此造成的材料損傷情況必須摸清。

過去科研人員只能從管道構(gòu)件上截取小試片在實(shí)驗(yàn)室研究，如今這里建設(shè)了一套大型回路系統(tǒng)，可以幾乎完整地模擬發(fā)電廠高溫高壓管路環(huán)境，真實(shí)獲取管路材料損傷數(shù)據(jù)。“研究成果可以提升我國(guó)電力裝備的制造競(jìng)爭(zhēng)力，又能大幅降低安全事故率。”劉廷光說。

項(xiàng)目于2008年12月批復(fù)建設(shè)，8套大科學(xué)裝置于2019年初起陸續(xù)驗(yàn)收投入運(yùn)行。目前，科學(xué)中心已有7套裝置完成驗(yàn)收，整體驗(yàn)收將在今年上半年完成。“我們將發(fā)揮在北京的創(chuàng)新資源優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的引領(lǐng)作用，服務(wù)國(guó)家重大科技任務(wù)，全力建設(shè)立足首都、服務(wù)全國(guó)、面向全球的新型研發(fā)機(jī)構(gòu)，為北京建設(shè)國(guó)際科技創(chuàng)新中心貢獻(xiàn)力量。”科學(xué)中心總指揮張衛(wèi)冬說。