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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。推廣應(yīng)用于大型反應(yīng)器、換熱器、汽輪機、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)濟效益，為推動我國承壓設(shè)備設(shè)計制造與維護技術(shù)體系的變革作出了重要貢獻，并先后5次獲國家科技獎勵。

《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。

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峰與碳中和目標。

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年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。

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、光、核、水及生物質(zhì)等。

碳中和目標對于結(jié)構(gòu)完整性提出了新的挑戰(zhàn)。低碳的目標要求最大限度地節(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科支持，如機械強度與斷裂、材料科學以及計算科學等，由于科學技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，設(shè)計制造欠精準，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。

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，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、制造與運行維護等環(huán)節(jié)緊密合作，達成更高的可靠性目標；它以結(jié)構(gòu)完整性的科學為基礎(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)完整性科學與先進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)。

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。

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)峰的補充能源，于是負荷波動對電站設(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)微型燃氣輪機系列產(chǎn)品，實現(xiàn)F級70MW和300MW重型燃氣輪機以及H級重型燃氣輪機的商業(yè)化，以全面提升能源利用效率。

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)。

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。

可再生能源風能、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。

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，未來風光電和煤電互補，火電站載荷會不斷變化，因此需要考慮啟停和穩(wěn)定運行引起的應(yīng)力變化導(dǎo)致的低循環(huán)疲勞、熱機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。

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。

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)備運維的數(shù)字化是未來一個重要的發(fā)展方向。

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行迭代改進與創(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。

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)控變形機制激發(fā)形變孿晶；調(diào)控化學成分分布穩(wěn)定韌性相，阻止裂紋擴展。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)計制造與運維的科學方法，提高它們對鋼鐵、水泥及塑料替代的比例。

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制的相互作用，開發(fā)基于物理學的精確壽命設(shè)計方法。

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，需要進一步量化其影響；表面強化的壽命增益是顯著的，但仍需要進一步量化。

維護方面，重點研究數(shù)字孿生技術(shù)，將維修決策從依賴停機檢驗轉(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。

JME學院是由《機械工程學報》編輯部2018年創(chuàng)建，以關(guān)注、陪伴青年學者成長為宗旨，努力探索學術(shù)傳播服務(wù)新模式。首任院長是中國機械工程學會監(jiān)事會監(jiān)事長、《機械工程學報》中英文兩刊主編宋天虎。

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