为高温装备当好“保健医生”——记上海市科技进步一等奖基于工程损伤理论的高温装备全寿命保障技术体系与重大工程应用

　　在石化、航空航天和能源等领域，诸多关键的高温装备需要具备长寿命和高可靠性，但是由于它们身处恶劣的使用环境，使得需求与现实之间存在矛盾。

　　华东理工大学机械与动力工程学院张显程教授团队的创新成果“基于工程损伤理论的高温装备全寿命保障技术体系与重大工程应用”，突破了高端高温装备全寿命周期保障的“损伤表征”“损伤评定”“损伤调控”“损伤容限”等系列瓶颈难题，给高端高温装备提供了一整套“保健医生”式的健康管理方案。该成果于近日获得上海市科技进步一等奖。

　　攻克世界公认技术难题

　　众所周知，蠕变及蠕变—疲劳交互失效模式是高温装备的“顽疾”，占比达70%以上，其全周期的寿命保障一直是世界公认的技术难题。

　　针对这一难题，张显程团队与合作单位潜心多年构建了基于工程损伤理论研发的高温装备全寿命保障技术体系。那么，这套技术是怎样为高端高温装备提供全寿命周期保障的呢?

　　据介绍，像人类一样，高端高温装备也有一个从“出生”到“成长”再到“老化”的生命周期，也会“衰老”，出现机体损伤和机能衰退。而且，在“自然衰老”的过程中，它们还要承受持续的高强度工作压力，如此就造成了装备的蠕变—疲劳现象。

　　“‘自然衰老’和‘过度劳累’同时作用，会让装备比预期更早失效，甚至出现严重破裂，因此我们不仅要关注装备的‘自然老化’过程，还要采取措施，来控制和减缓高强度工作带来的‘损伤’，给高端高温装备提供一整套‘保健医生’式的健康管理方案。”张显程说。

　　定制全寿命周期健康计划

　　“工程损伤理论的创新点在于它能够覆盖多模式、强时变、跨尺度损伤特征，提高工程适用性和普适性。应用工程损伤理论，可以为高端高温装备实现精确的寿命设计，评估机械设备在使用中的损伤状态和剩余寿命，为机械系统的运行和维护管理提供便利。”张显程指出。

　　近10年间，围绕测试方法、寿命设计、工艺调控、失效判据等共性关键技术，张显程教授团队实现了一系列的重要创新。比如：突破了蠕变—疲劳损伤测试边界，创制了七类严苛高温环境下蠕变—疲劳测试系统，建立了蠕变—疲劳材料性能数据库、损伤模型库及系列测试国家标准，实现测试方法自主可控、寿命设计有据可依；制定了蠕变—疲劳损伤容限判据，建立了高温装备蠕变—疲劳损伤弱点识别、动态演化跟踪及分级评价技术，提出了含裂纹结构的多尺度裂纹扩展计算方法与损伤容限判据，解决了高温装备“何处修、何时修”的难题。

　　由此，从装备“出生”时的精密测试和设计，到“成长”过程中的工艺优化和性能调控，再到“老化”阶段的预防性维护和寿命延长，该研究成果为高温高端装备定制了一套从被动到主动、覆盖全寿命周期的健康管理计划。

　　提升重大装备制造水平

　　针对这一创新成果，全国钢标准化技术委员会力学及工艺性能试验方法分技术委员会所给出的评价：形成了测试方法—寿命设计—安全评定的标准体系，技术指标普遍优于国外同类标准。

　　该成果在重型燃机、国产航空发动机、大型汽轮机强度设计方法，大型反应器/塔器的焊接与自主国产化制造，超期服役装备的失效评定与延寿策略等方面，实现了关键技术自主可控，提升了我国重大装备设计制造能力的国际话语权。

　　目前，该技术成果已成功应用到东方电气、扬子石化等企业的高温装备的设计、制造与运维中，并取得显著经济效益；获授权25项发明专利、9项软件著作权，制定了5项国家标准及4项行业标准。