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涂善東院士是我國結構完整性研究和管理方面的著名專家，長期從事高溫高壓設備安全技術研發，創新發展了高溫承壓設備安全維修、安全評價以及本質安全調控等技術，成功應用于石化、能源等重化工業領域安全保障工程，為我國萬臺承壓設備事故率逐年下降做出了貢獻。推廣應用于大型反應器、換熱器、汽輪機、高端閥門等產品的可靠性設計制造，為企業創造了顯著經濟效益，為推動我國承壓設備設計制造與維護技術體系的變革作出了重要貢獻，并先后5次獲國家科技獎勵。 內/容/來/自:中-國/碳-排*放^交%易#網-tan p a i fang . com
《碳中和背景下的結構完整性問題》是涂善東院士2021年10月在國際結構完整性學術年會上所作的閉幕報告。該報告從背景、挑戰以及展望等三個方面分析了當前和今后碳中和背景下結構完整性發展的現狀和方向，并闡明了數字孿生技術在結構完整性方面巨大的應用前景。 本+文內.容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網 ta np ai fan g.com
背 景
工業革命以來，人類對能源的需求快速增長，能源消費結構也在不斷變化，大致經歷了煤炭替代傳統生物質能（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發展已成為全世界關注的一個重大問題。化石能源的燃燒產生的二氧化碳是導致溫室效應的主要原因。為應對氣候變化的挑戰，包括中國在內的眾多國家提出了碳達峰與碳中和目標。 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定—《巴黎協定》，提出控制全球平均氣溫升幅在2℃之內，并努力將氣溫升幅限制在1.5℃之內。2020年，中國政府在第七十五屆聯合國大會上提出：“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年前實現碳中和”。 本%文$內-容-來-自；中_國_碳|排 放_交-易^網^t an pa i fang . c om
這對我國來說挑戰巨大，因為我國目前還處在大規模工業發展階段，碳排放量巨大，且清潔能源技術方面商業化程度低，很多關鍵的裝備還依賴進口。但我國堅定不移走生態優先、綠色低碳的高質量發展道路，將逐步減少對化石能源的依賴。據估計，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、水及生物質等。 夲呅內傛萊源亍：ф啯碳*排*放^鮫*易-網 τā ńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
對結構完整性的挑戰 本+文+內/容/來/自:中-國-碳-排-放（交—易^網-tan pai fang . com
碳中和目標對于結構完整性提出了新的挑戰。低碳的目標要求最大限度地節約資源，因此必須具有全壽命周期的觀點，在追求結構安全可靠、長壽命的同時，還要求盡可能實現輕量化。傳統的結構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，由于科學技術基礎薄弱，設計制造欠精準，因此既不能完全保證安全，也無法有效節約資源，更難以支撐下一代核電、風能、太陽能的高效開發以及氫作為能源載體的推廣應用。
近年來，國際上提出了結構完整性四面體概念模型，要求利用系統科學的思維來對待結構完整性，要在傳統的分析、評價和測試之上，考慮互聯網技術方面的問題，要實現現代的信息通信與數據科學緊密地結合，最終形成數據驅動的結構完整性技術。同時，可靠性制造的理念正在許多高技術企業得以實施，它以高可靠性為目標，貫穿產品的全壽命周期，以前一代產品出現的問題、故障、失效為依據，吸納新的知識，在新材料開發、產品設計、制造與運行維護等環節緊密合作，達成更高的可靠性目標；它以結構完整性的科學為基礎，充分應用數字制造、智能制造等高效制造模式；為此，新的結構完整性科學與先進的可靠性制造模式的結合可望有力支撐低碳技術裝備的實現。 本文`內-容-來-自；中_國_碳_交^易=網 tan pa i fa ng . c om
未來能源體系中結構完整性挑戰除歐盟凈零排放結構完整性挑戰中提出的火電、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用，實現材料本身的脫碳與低碳化。
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在火電方面，煤電總體規模減小是顯然的趨勢，將從發電的主力逐漸成為電網調峰的補充能源，于是負荷波動對電站設備結構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，成本較高。另外一種可能是加上生物質，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。發電技術方面需要開發微型燃氣輪機系列產品，實現F級70MW和300MW重型燃氣輪機以及H級重型燃氣輪機的商業化，以全面提升能源利用效率。 本`文內.容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網 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構完整性科學的挑戰，尤其是第四代核電在溫度、壓力和腐蝕環境方面都需要更加扎實的基礎研究，積累更為充實的數據。
氫能發展過程中的安全問題同樣十分重要，如何保障氫能的本質安全利用問題，除了高壓氫儲氫的路線，不排除其他本質安全的儲運工藝，比如兩種儲氫載體——氨和甲醇。氨的優勢是容易存儲、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化率低于60%，相關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，它的優勢在于常溫下穩定安全，是氫含量最高的液體燃料，缺點是甲醇轉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全面商業化前，可靠利用氫能的更合理的方式。 本`文內.容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網 t a npai fan g.com
可再生能源風能、太陽能以及潮汐能的利用也值得關注，但這些能源都存在不穩定波動的問題，必然會帶來結構的疲勞問題，此外風沙環境、海洋潮濕環境也會不可避免的帶來腐蝕、沖蝕方面的問題。
以上種種新的發展，會帶來許多結構完整性方面的挑戰問題，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定運行引起的應力變化導致的低循環疲勞、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力控制，還要考慮應變控制。
面對越來越復雜能源系統，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。
壽命管理方面的問題，大至核電系統，小至燃機、風機等能源設備都存在壽命管理方面的問題，比如，風機的退化機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、氫鼓包等也是結構完整性面臨的一個亟待解決的問題。此外，氫能相關結構設備的數字化運維是結構完整性面臨的一個重大問題，利用數字孿生技術實現設備運維的數字化是未來一個重要的發展方向。
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結構完整性的展望 夲呅內傛萊源亍：ф啯碳*排*放^鮫*易-網 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該成為我們關注的核心制造模式，這與智能制造、數字化制造和綠色制造也并不排斥。我們應該更加關注中國創制的裝備在應用過程中出現的失效故障、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新，在新一代的裝備制造中，從材料開發、設計、制造、運維上追求更高的性能與可靠性。實現這樣的過程，需要與智能制造和綠色制造的相互滲透，需要在創新鏈、產品鏈每一個關鍵鏈條上實現可靠性的測試與檢驗，保證產品全生命周期的可靠性的提升。 內/容/來/自:中-國/碳-排*放^交%易#網-tan p a i fang . com
材料方面，要著重關注極端環境下新材料的研發，如氫腐蝕等復雜條件下復合材料的研發。材料強化設計方面，可通過為結構調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；調控變形機制激發形變孿晶；調控化學成分分布穩定韌性相，阻止裂紋擴展。此外，還需要不斷引入低碳生物基復合材料，研究它們的失效模式，設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。 內/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網-tan pai fang . com
設計方面，主要研究設備長壽命、輕量化的設計問題。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間，這需要考慮不同失效機制的相互作用，開發基于物理學的精確壽命設計方法。
制造方面，實現無缺陷、無殘余應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是目前研究的熱點，但增材制造最大的問題是很多內部的缺陷無法避免，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。 本*文@內-容-來-自；中_國_碳^排-放*交-易^網 t an pa i fa ng . c om
維護方面，重點研究數字孿生技術，將維修決策從依賴停機檢驗轉變為在線測試與仿真結合。特別需要指出的是，數字孿生技術并不是簡單的仿真模擬，需要著力開展底層技術創新，包括傳感技術、傳感網絡、數字模型建立等等。 本文`內-容-來-自；中_國_碳_交^易=網 tan pa i fa ng . c om
編輯：惲海艷 校對：張強
國家工信部備案/許可證編號
