高端科普:三大院士对我国重大基础设施安全服役、智能化、数字化的思考
2022-12-02 15:00:41 作者:本网整理 来源:中国腐蚀与防护学会 分享至:

随着我国铁路、公路、电网、石油石化管线重大基础设施的不断开展,也随着国家“一带一路”、“海洋强国”、“智慧城市”等国家战略全面实施以及川藏铁路等世纪工程的实施开展,基础设施的服役安全与耐久性问题已经成为了挑战,我国早期建设时期一些技术储备不足,质量把关不严,各类基础设施和设备老化失效问题层出不穷,比如中石化11·22事故,造成了很多人员伤亡和经济损失,已经成为制约我国基础设施水平的重要因素,影响民生及国防安全。


近年来,各行业逐步开始重视基础设施安全服役问题,但一些系统性以及行业间壁垒和障碍仍然存在,各行业一些专业领域间发展也极不平衡,因此开展国家重大基础设施的服役安全监测与耐久性研究,针对重大基础设施沿线地质生态环境开展一体化监测与灾害预警研究,针对地质气候环境因素对服役设施与装备损伤问题开展智能监测物联网建设,发展基于腐蚀大数据技术的耐久性评价、安全评估和寿命预测新技术,建设数字化、智能化的监测与评估体系,从而全面保障国家重大基础设施的安全性及可靠性是十分必要的。


因此,中国科协特别针对重大基础设施耐久性与安全性数字化、智能化体系建设于2022年11月18日在北京召开了高层次专家论坛。在本次论坛中,中国科学院院士、北京科技大学葛昌纯教授,中国工程院院士、北京航空航天大学宫声凯教授和中国科学院院士、中科院地理科学与资源研究所于贵瑞研究员分别就材料智能化制造、发动机叶片数字化建设及国家野外科学观测研究站建设发表了精彩解读,同时也是一场高端科普,让我们领略了我国乃至全球重大基础设施未来的发展蓝图。


葛昌纯院士:腐蚀与防护重大基础设施数字化、智能化与先进材料部件的协同与研究


1.智能制造2025中的材料科学与工程。


我国颁布的“智能制造2025”,几乎每项都是以材料科学为基础,特别是其中第9项直接指明:新材料。现在我国先进材料的研发、产业技术水平与美欧日发达国家仍有较大差距,在国家重大需求及国家安全方面急需的高端制造业关键材料或者部件大部分还依赖进口,关键材料自给率只有14%。


国家急需的航空发动机粉末高温合金涡轮盘材料、先进核反应堆所需的关键材料、稀土磁性材料、催化材料、能源材料、光电材料、生物材料以及电子材料等方面处于长期研发需要较大进展或者突破进展状态,处于努力创新中尚待掌握关键,或者处于受限于国外技术控制必须自主研发,可以认为是创新不足的跟踪模仿状态。其核心问题在于我们国家材料研发基础和实力相对薄弱,且长期处于学科离散、单一模拟的经验尝试或者传统试错模式,缺乏快速、低耗、创新研发先进材料的科技基础。


鉴于此,我们国家颁布了材料基因组计划,2010年8月14号和2010年7月,中国工程院和中国科学院分别召开了材料基因研讨会,到2011年12月召开了材料科学学院香山会议,2012年12月和2013年3月中国工程院向中央提交了相关材料,建议设立重大项目。通过建设高通量的自动流程系统,发展高通量技术,发展微观结构的挑战分析技术,开发自主创新。


葛院士在科技大学工作期间,集中主要力量在这三个方面的研究:先进核反应堆关键材料研究、粉末冶金先进材料研究、先进结构陶瓷和功能陶瓷研究,三项研究均是自主创新的重要实践,并取得了重要原创性成果。


首先是主要在核聚变反应堆和第四代先进核裂变反应堆关键材料的研究上取得多项创新成果,获得中国材料研究学会二等科技奖。2013年葛院士创建起国际上第一个“核能与新能源系统材料研究所”,2017年团队在燃料包壳管研究上取得重大突破。


聚变反应堆主要工作第一壁,具有上亿度高温,20mw热流,14mev中子辐照,是人类有史以来最严酷的环境。早在我国加入ITER之前十年前的1996年,葛院士向国家提出了顶层设计项目“耐高温等离子体冲刷的功能梯度材料研究”建议书并开展了研究(863项目)。前瞻性提出来“功能梯度设计”概念来解决材料问题;突破了六项关键技术,研制出了六种基于功能梯度概念的聚变堆第一壁侯选材料,其中五种国际上尚未见报导。它解决了熔点差别极大的材料无法一次烧结的技术难题,制备出了W/Cu、B4C/Cu、sic/Cu系列功能梯度模块,为我国核聚变实验装置奠定了材料基础。


此外,葛院士团队首次将纳米线引入钨合金基体大幅度提高了钨的韧性,采用湿化学共沉淀法制备了钨-氧化铱等钨合金,抗弯强度达1260MPa,为商品钨的4倍,首次采用钨酸钠、氧化物的熔盐电沉积技术在复杂形状的部件上制备成功大尺寸超厚的钨涂层,做到大于1毫米,实现了钨和不同热沉材料的高质量连接,项目验收专家组提出:这两项成果应该申报国家科学技术奖。


除了做核聚变潜在方面的研究,葛院士团队还做了超临界水碓的研究,它是第四代核反应堆中唯一的以轻水做冷却剂的反应堆,是在现有水冷反应堆技术和超临界火电技术基础上发展起来的革新设计。冷却系统工作在25兆帕压力下,超过水的临界点,由于高于临界压力的水不存在相变,因此可以设计成一次通过的直接循环系统。系统的热效率至少比目前轻水堆高于大约30%,大大简化了系统装置,具有良好的经济性。与目前运行的水冷堆相比,它具有系统简单、装置尺寸小、热效率高、经济性安全性更好的特点。让它成为一种比较有前途的先进核能系统。


燃料包壳管超临界水碓的关键部件,是葛院士团队研究的重点。他们十五年磨一剑,在核反应堆关键材料上取得重大突破,这是首先在国际上研制成功了真空熔铸氧化物弥散强化钢(ODS-CNS1),在葛院士的提议下,将为了核聚变的CNS1和为了超临界水堆的CNS2融合在一起。


ODS钢由于其卓越的抗辐射性、高温蠕变性和在恶劣环境下的化学稳定性而被公认为未来先进反应堆最好的结构材料。葛院士团队采用真空熔铸技术开创性的制备了高密度1-5nm析出相的真空熔铸ODS钢,高温蠕变性能大幅度提高,持久寿命延长2-3倍,该材料具有优良的抗辐照性能,在核燃料包壳管上具有良好的应用前景。葛院士团队已经做到了中式的规模,且已经小批量制备成功直径10毫米、壁厚0.5mm、长4米的细长薄壁管。且无裂纹等缺陷,表明具有良好加工性能,用普通激光焊可以焊接并细化热影响区晶粒,形成针状铁素体,高温力学性能高出非ODS钢84%。经过美国密歇根大学离子束实验室检测结果没有检测出辐照肿胀,远优于非ODS钢的0.05%肿胀,也优于美国的791-ODS钢。


2.人工智能与先进制造


关于汽车发动机主流技术,目前市场上销售的汽车绝大部分都带有T的尾标,T是指有涡轮增压,通过涡轮增压废气(红色)冲刷高温叶轮,带动同轴压缩机叶轮,把空气压缩送入气缸,提高燃烧效率,增大动力。汽车涡轮增压器叶轮采用熔模精密制造,小尺寸、高精度,形成复杂、无法通过砂模或普通钢制作。


目前中国科学院自动化研究所用陶瓷3D打印取代传统流程,用DRP的3D打印技术,打印出陶瓷的形状,然后进行浇铸和后处理。3D打印过程中加热和冷却、粘合和聚合过程,会造成打印后的物体发生收缩和卷曲的形变现象,通过利用神经网络进行训练,动态调整参数使得实际输出接近理论输出,最后进行误差补偿。


单晶叶片铸造领域也应用了3D打印技术。采用光固化3D打印陶瓷模具,熔模铸造单晶空心叶片,解决了传统方式工期长、成本高、成品率低的痛点,具有十分广阔的前景。此外,3D技术在医学、消费品等领域得到应用,如人工牙齿、个性化鞋服定制等。

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3.新材料新计算


葛院士重点介绍了桥梁腐蚀问题。腐蚀是材料由于环境作用而引起的破坏或者变质。随着社会的发展,科学技术不断更新,这一概念将腐蚀的范畴扩大到所有的材料和所有环境。


桥梁结构的腐蚀环境中桥梁的桥身、桥面处于大气腐蚀环境,桥墩处于水的腐蚀环。桥梁腐蚀包括整个表面发生的均匀腐蚀,以及缝隙腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀等。如局部地区出现向纵深处发展的腐蚀小孔,金属材料在固定的拉应力和特定介质共同作用下引起的腐蚀破裂。环境中存在的酸性物质中和混凝土中的碱或与其他成分起作用发生腐蚀,碱与骨料中的活性成分发生反应吸水膨胀,导致混凝土开裂等。在交通强国、海洋强国、一带一路、川藏铁路等新时代的战略驱动下,桥梁作为我国重大基础设施之一,在迅速发展中面临着全新挑战。如何将数字化、智能化技术应用于材料学、腐蚀学,从而解决混凝土材料腐蚀和钢铁材料腐蚀等卡脖子问题,是材料科学工作者亟待解决的重要方向。

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智能桥梁随着新一轮科技革命和产业变革孕育兴起,建设数字化、智能化的监测与评估体系,对于重大的基础设施服役寿命,保障工程建设运维安全具有重要意义。


智能桥梁的核心是桥梁建造和养护技术的智能化,主要包括智能识别与算法和智能检测技术。如何从图像和数据中快速识别和定位桥梁损失,并且对它结构性能进行评估预测,是科学界、工程界共同关注的问题,其主要集中在计算机视觉技术和人工智能算法两个方面。


为了促进桥梁检测向高精度、便捷、快速、非接触、自动采集分析等智能化方向发展,中国已自主研发了一系列用于桥梁的智能检测技术,不仅使得桥梁检测手段更加丰富,更加提高了桥梁检测的广度、精度及效率。桥梁智能检测的研究工作主要集中在无人机和智能检测机器人两类检测技术,另外在雷达扫描、声发射、磁学技术、红外热成像等智能检测技术方面也有所涉及。


未来智能桥梁的发展方向主要为:人工智能算法与职能检测技术有机结合,为桥梁养护维修科学决策提供有效支撑;研发复杂环境下综合性桥梁智能间装备,提高机器学习的广度深度和易用性;提高智能算法和识别理论的感知和分析能力,形成统一、普适的结构腐蚀识别及评价模型,是未来智能桥检测的发展趋势。


宫声凯院士:关于发动机叶片服役环境试验模拟和数字化建设的思考


航空发动机是国之重器,对维护国土安全至关重要。世界上只有五个常任理事国,中国、美国、俄罗斯、英国、法国能够生产完整的航空发动机。航空发动机当中有导向叶片和转子叶片,在数千种零部件当中,导向叶片和转子叶片,特别高压涡轮导向叶片和转子叶片,也是经常被称为“一盘两片”中的“两”片是承温最高、承力最大、最关键的核心部件。


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叶片服役可靠性关系到飞机的安全。航空发动机叶片发展从最初上世纪七十年代前后,或者六十年代初简单对流的叶片冷却,发展到冲击气冷,到壁厚在1毫米以上的气泡冷模。而现在发展的更先进的航空发动机,其涡轮温度已经达到1900摄氏度,需要采用双吸冷叶片,外部要涂热障涂层,所以这样结构的叶片对材料性能要求更高,同时对服役可靠性要求也更高。


揭示失效机理对于提高叶片服役可靠性是至关重要的。研究指出,热障涂层失效模式是TGO的失效模式,而不仅是国内,国外有些同行也发现在实际航空发动机叶片失效模式并不是在陶瓷层和粘接层TGO那一层剥落失效的,在更多情况下是在陶瓷层逐层剥落的。这两个失效模式有天壤之别的,为什么有这样大的差别呢?重要的原因是对服役表征条件或者是表征方法不同所造成的。


国内对叶片的服役性能评价,主要依赖于试车台试车,耗时耗资,缺乏过程性。这样的背景下宫院士团队探讨建立了模拟服役环境的试验装置,并尽可能模拟航空发动机的服役环境,装置通过红外加热逐渐改变到火焰加热,火焰加热具有冲刷功能,焰流大于1马赫,模拟高温气流冲蚀的服役环境。利用此试验装置可以探究叶片失效模式,进而指导设计热障涂层结构,大幅度提高涂层的服役寿命。


单晶叶看上去是一个单晶,实际上“千疮百孔”,一个叶片上会有接近上千个气膜冷气孔,气膜冷气孔对力学性能及涂层性能均有重要影响。利用模拟服役环境试验装置可以原位检测出气孔应力的大小,从而指导设计人员叶片从冷却角度如何打孔,从材料寿命角度如何打孔,进而可以提高叶片的服役寿命。此外,通过建立模拟实验器,将其与材料组织结构等性能结合起来,进行更好的合金化设计等。以上模拟试验器的应用在某种程度上也是材料基因工程的拓展。


最后,宫院士也对材料基因工程的未来发展做了一些思考。目前我们有材料数据库、大数据管理,同时也具备了大量的热力化耦合服役条件下材料试样级、元件级、模拟件级等多尺度的表征技术,这些工作对一些材料研发从0-1来讲贡献巨大,但是从1-99,或者1-100这样一个过程,就需有下一步考虑方式。宫院士讲到,采用数据驱或者材料基因工程方法把0-1材料研发出来,但对材料的服役寿命评估不能一直依赖于长时间的试验,如何进行材料的快速熟化是重中之重。 


材料基因工程有跨时御、跨尺域的方法,同时有基于物理模型与机器学习的智能预测和优化方法,宫院士建议将在数字空间实现跨时域、跨时域的模拟试验和计算模拟方法,支撑到物理空间材料的研发中,在大数据环境中不仅仅做到数据挖掘,而做到模拟虚拟试验,进行虚拟制造,并进一步智能分析预算。


于贵瑞院士:国家野外科学观测研究站和网络建设及未来发展


中国在科技部的领导下,一直建立野外的科学观测研究站以及网络推进工作,于贵瑞院士从四个方面分享了国家野外台站网络体系建设工作。


1.国家野外台站的科技定位和核心任务


国家层面将野外观测研究站定义为重要的国家科技创新基地之一,也是国家创新体系当中不可或缺的一个组成部分。野外台站是按照社会经济发展需要,特别是根据我国的自然地理和气候各个环境条件及分布规律开展建立一些重要的区位上进行长期的观测实验研究。主要目的是为了获取科学数据,开展科学研究,同时也为社会发展提供相应的数据资源,支持保障。


国家野外台站用简单四个词来表达其定位:观测、研究、示范、服务。第一:长期的观测,对于需要长期观测的对象进行系统化长期观测,不仅仅在一个台站,也强调在全国尺度上的联网观测。第二:开展专业领域的科学研究工作,包括在一个台站上可以开展的研究,也包括联网或者是在全球视野,或者国家视野下的重大科学问题的联网性研究。第三,希望相应技术为区域发展和国家建设提供示范服务。第四,利用资源为科教事业提供必要的服务和行业发展提供服务。

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2.建设与发展历程


科技部野外台站经过多年的长期努力,一直在遵循一个建设思路,即如何进行顶层设计和全国的优化布局,如何强化技术能力和观测实验能力的提升,以及如何促进开发共享合作,如何规范化进行运行,从而能够取得稳定的科学数据和科学实验研究结果。


科技部的野外台站从1999年开始,最终选择了35个进行试点站,大规模建设在2005-2016年,这段期间整合了全国105个台站,材料腐蚀占很大比重,重点在开展平台建设、资源整合、共享服务等工作。2019年进行了重新组合,现在形成167个观测研究站,这些研究站目前在观测、研究、示范、服务方面开展相关工作。


 国家野外台站构成了5大领域,23个小学科。5大领域目前体量最大的是生态系统与生物多样性,第二为特殊环境与气候变化,第三为种质农业与资源保护,第四为材料腐蚀与设施设备安全,第五为地球物理与自然灾害。23个学科中目前主要分布在生态系统和生物多样性,其中包括了88个台站,特殊环境领域23个,地球物理与自然灾害23个,农业种质方面6个,材料腐蚀27个,还有很多空白学科需要在下一轮建设当中发展完善。


通过十多年顶层设计、择优遴选、资源共享和网络运行,在科研实力和科研工作贡献方面取得了很好的进展,特别是在基础数据的获取和自然规律的认知和科技示范方面取得了一大批标志性研究成果。


3.科学研究与社会贡献


从科学研究与社会贡献来看,主要体现在五个方面:观测平台发展,长期联网和研究推进,技术示范模式与科技示范,数据建设与开放,人才队伍。


(1)观测平台发展。


生态系统与生物多样性领域。这个领域比较庞大,目前已经形成了一个总的网络,表达为一个核心网络、3个研究基地,10个专项网络的逻辑结构。3个研究基地包括发展生态恢复的实验研究基地,全球变化的实验研究基地和资源高效利用,生态保护的实验研究基地。


地球物理领域。目前已经构建出一个从60到数百万公里的多层次地球空间环境观测平台,基本观测从固体一直到太阳系,多尺寸,不同高度、不同空间的观测体系已经逐渐在形成,目前在国际上具有很好的影响,特别是子午工程的推进在国际上影响巨大。


农业种质和资源保护领域。主要围绕水土提升基本要素和基本研究对象开展观测、实验和种质开发保存等工作。


特殊环境与气候变化领域。重点关注冰川、南极、北极以及海洋和自然大气本底等观测,特别是干旱、山地,极地的观测能力。


材料腐蚀与设施装备安全领域。目前已经形成了面向大气环境、土壤环境和水体环境环境条件下材料腐蚀的变化规律和实时的监测工作,这次的网络整合在材料腐蚀领域取得重大突破,把原来仅仅是金属材料的腐蚀工作,联网观测扩展到了广义的材料,同时也把这种分散的逐渐辐射扩展到了大型工程设施及基础设施,目前来看在全国已经开展了很好的布局,从总体情况来看目前在材料腐蚀本身,金属材料比较全面,其他的材料以及特别重大的一些工程方面遴选工作还有很大的空间需要不断优化这方面工作。


(2)长期联网及研究推进


野外台站核心的内容是长期定位与联网观测研究。在生态系统领域,按照国家需求和科学研究前沿,依托长期定位和联网研究实现生态系统优化管理,不断理论创新,这方面的研究工作存在原始性重大理论突破,特别在碳氮水循环、全球变化适应、生态系统服务、生物结皮、地下生态学、湖泊生态修复等等方面取得了非常重要的进展。这个领域发文量在万级层面上,在国际一些重要的学术期刊,在国家重大奖项上每年都有重大突破和进展,形成了一个非常庞大的研究团队。


地球物理与自然灾害工作做得工作非常抢眼,特别是电磁耦合、太阳辐射方面取得了重大的突破,在激光雷达这些观测方面形成了国际一流的梯队,获得了很多国家奖项。


农业种质资源方面,突出的就是种质资源保存,特别是新形势下如何进行种质资源开发和保存,包括基因改良。另外,农业环境问题,特别是肥料如何使用,如何防止水土,提高水资源利用效率方面都取得了很好的研究结果。


在特殊环境方面影响巨大的是青藏高原的研究,青藏高原以及南极的观测工作在国内外具有巨大的影响,另外山地灾害和冰川方面也取得了非常好的成就。


材料腐蚀方面做的工作也非常出色。特别是在Nature发表大数据在国际上取得了很好的影响,也作为亮点进行报道,获得了国际工程师协会最高学术奖。从数据共享、数据加工,以及为社会提供应用服务,这个网络经过二三十年发展已经积累了一个非常宝贵的资产,将为我们国家做出很好的贡献。特别是在长期观测和联网研究方面做出了很好的贡献,为服务“一带一路”建设,包括我国材料腐蚀的长期实验,在关键领域这些装备和服役状况都提供了非常好的数据和资源。


(3)技术示范模式与科技示范


从技术模式与科技示范领域,生态系统的研究一直围绕着中国几大脆弱区,包括西北地草地水土流失、湖泊营养化治理,有科技进步二等奖,每个台站都获得过当地政府省级的科技进步一等奖,每个台站都有一两项非常好的研究结果,支持了地方的发展。


在特殊环境与气候变化中经常谈到两件事。第一,青藏铁路的运营建设,台站很好的解决了一些问题。冬季奥运,秦院士团队长期对于冰川冰的定位研究,为奥运会创办做出了杰出贡献,有人说,没有秦大河就没有中国冰,冰完全是基于野外台站长期观测研究的新的发明,冰藏雪的工作取得了很好的成绩。


农业种质资源与资源保护领域。这些年来比较重视的是资源环境污染,还有水资源和土壤,特别是最近在黑土地保护,黄渤海的改良,盐碱地改良方面都做出了很好的工作。


在地球物理与自然灾害中,主要是在子中工程现在具有国际性的影响,在国家的网络基础上已经在启动重大的国际计划,形成全球子午工程的体系,现在变成了井字形,形成了全球的贯彻体系。


材料腐蚀方面在支撑海洋、航空和“一带一路”方面取得了很好的成就。如研究成果服务于海南岛礁、平台及工事建设方面做出重要贡献。在航天、航空和大飞机研制过程当中,一些关键材料遴选、耐蚀性分析为航空航天和大飞机的研究工作提供了很好的服务。特别是在“一带一路”交通设施方面现在也取得了重大进展,中泰高铁、印尼雅万高铁、中马大桥等这些材料腐蚀遴选和设计工作都提供了非常重要的数据保障。除此之外,在野外领域也建立了很多海外的观测研究站,这一部分工作也在展开,相信这个网络将会在全球视野下会有更大的发展。


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(4)数据建设与开放


数据集的集成和开放共享工作。这方面做得比较突出的是生态网络,是最早开始开放中国的生态网络云系统,网络云系统把全国分布式各种数据汇聚在一起,通过台站服务的方式提供服务,现在形成重大的数据资源,在这个牵引下,目前国家已经建立了生态、材料、动土等多个云系统或者在建设之中的数据中心都,这些数据中心建设将会为整体数据资源机理做出很多贡献。


在具体运转过程中,比如说可以通过网上的直接服务,也可以通过各种各样的数据出版来提供数据,数据共享问题是一个老大难,通过多年尝试逐渐形成了一个开放的、共享的,能够不断提供优质服务的学术氛围和科研生态环境,现在大家很愿意把自己的科学研究数据及时在网络云上进行分享。在这基础上我们也参与到了全球气候变化公报、温室气体公报以及国家生态环境公报、全球国家公报、气候变化公报、蓝皮书等。


(5)人才队伍


人才培养与队伍建设领域,网络也取得了很好的成绩,除了老一代的先生在推动网络发展方面做出了非常重要的贡献,比如材料腐蚀领域的师老,中国生态网络的孙老奠定了很好的基础,之后新一轮的年轻院士成长起来,都跟野外台站发展具有密切的关系,大部分的研究工作也是依据野外台站开展,这叫领军性人物培养。


 特别是国家层面搞了几次“最美”科技人,长期野外坚持工作的同志们取得了很好的展现,也在不同的新闻媒体和国家领域当中很好的表达了他们对于中国的科技贡献。


4.未来发展展望


(1)加强各类台站的标准化规范化建设,提高综合能力。特别在标准化卡脖子的实验装置和科学仪器资源共享方面,在智能学习时代推进科学范式改变。


(2)计划强化顶层设计,形成国家级的观测研究网络,充分发挥网络功能,服务国家网络需求,特别是进一步推进基层性科技成果的产出,努力探索网络建设发展在新一轮科技改革中发挥更好的作用。


(3)完善空间布局、统筹学科发展、拓展国际空间。中国现阶段已经有能力走出国门服务于全球,把我们的研究视野真正放到地球系统当中来认知这些规律。为人类社会的发展做出中国的贡献,因此野外台站观测研究工作不能仅仅停留在国内的空间上,需要跟世界进行合作开展这方面相关的工作。


(4)对于生态学领域,希望能够服务于国家的碳中和战略,围绕生态修复、碳中和战略开展相关研究工作,如何从监测方面去做碳中和、保碳增汇的工作等。

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