机械结构的全寿命预测与安全保障

发布时间：12年03月30日

轩福贞

　　进入新世纪以来，随着能源短缺、环境恶化问题的日益严峻，现代工业生产必须符合节能降耗的原则，电力、冶金、石化等工业领域的装备均呈现出高参数（高温、高压）、大型化、高风险的发展态势，对机械装置的寿命可靠性提出了新挑战。尽管连续介质力学、断裂理论和现代计算技术的发展为人们解决相关难题提供了基础，然而温度、介质环境下的结构损伤/老化与时间相关，结构破坏前往往无明显征兆，一直被认为是机械装备中的“癌症”，成为制约诸多高新技术工艺（如高温气冷堆、快中子增殖堆、生物质发电等）实现的瓶颈。目前，“重大产品和重大设施寿命预测技术”已被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，成为重点支持的前沿技术之一。

一、基本概念

　　机械产品寿命预测是指通过科学分析，预测结构失效（达到临界载荷、速度等）的时间或循环周次，是安全设计、维修规划和安全生产的基础与前提。按照物理基础可分类为以失效机理为基础的寿命预测、以可靠性物理模型为基础的寿命预测和以数理统计为基础的寿命预测。

　　现代机械产品从投入使用到报废的全寿命过程涉及如下环节：在投用初期，须根据可能的失效模式确定检验和维修周期，在达到设计寿命时，一般应进行寿命预测或失效评价，以确定实际使用寿命和后期的安全检测周期，或根据产品的状况进行修复或再制造，然后再进行失效评价与寿命预测。对于重大机械产品，服役期间常常需要安全检测与在线健康监测并举，以确保其安全运行。在保障机械产品安全服役的这些相关环节中，所形成的科学方法与经验积累，进而可以向设计制造阶段反馈，以最终实现改进产品设计制造的目的，如图1所示。

二、对国民经济和学科发展的意义

　　机械结构的安全服役对民用及国防的诸多领域，如发电、石化、冶金、航空航天、武器系统、交通等重大机械产品与基础设施，均极具重要性。特别是进入21世纪以后，机械产品的制造工艺向更高参数和更大装置规模发展，生产过程大型化、自动化、高参数运行、高能量储备的趋势，使得寿命与安全问题具有前所未有的重要性。

　　（1）预防重大事故发生、减少经济损失的需要

　　机械产品的失效往往导致严重事故和重大经济损失。在特种设备领域，近年来我国承压设备安全技术取得了前所未有的进步，但重特大事故发生率仍是发达国家的5倍以上。在航空领域，由于疲劳和腐蚀等引起的飞机结构的破坏事故屡见不鲜。在铁路交通领域，随着列车运行速度提高，机车部件的磨损、疲劳和失效问题更加剧烈，确保复杂环境状态下高速列车的安全性已成为保障我国高速铁路快速发展的关键。在核电领域，核电装置由于其特殊的反应条件和工艺流程，一旦发生事故将造成灾难性的后果。历史上，已有美国三哩岛核电站严重失水事故（1979年3月）、前苏联的切尔诺贝利核电站爆炸事故（1986年4月）的惨痛教训。最近日本福岛核电站泄漏事故（2011年3月）所造成的重大经济损失和难以挽回的社会影响更值得业界深刻反思。经过二十余年发展，我国已有11座商用反应堆投入运行，设备在役检查中也不时发现一些缺陷，但目前工作还不足以支持核电设备的失效评价、安全检测与寿命预测。

　　（2）保障重大工程建设、实现工业现代化的需要

　　在今后10年，将有越来越多的重大工程项目在我国建设。根据我国的核电发展规划，至2020年核电要达到总电量的4%，未来20年将新增40余座核电站；为了提高燃煤机组的效率、降低污染物的排放，高参数超超临界发电技术已成为我国电力行业的重要战略选择，目前已运行的百万千瓦超超临界机组占全世界的一半以上，投入运行的机组仍不断增加；而高速铁路预计到2020年，将占世界高速铁路总里程的一半以上；大飞机计划2014年首飞，2016年取得适航证。这种建设的规模与速度是世界上许多国家所难以企及的，要保障这些装置与设施运行的安全可靠性，发展相关寿命预测与安全服役理论无疑具有重要的现实意义。

三、现状与发展趋势

　　过去一百余年里，人们针对机械结构的寿命问题提出了百余种模型或准则，构成了近代强度理论的基础，为20世纪制造业突飞猛进的发展奠定了重要基础。随着机械结构服役条件的日益复杂，失效形式也日显多样，涉及了变形、断裂、疲劳、蠕变、腐蚀、磨损及混合失效模式等，传统理论方法已很难解释新的失效模式，全寿命预测理论（图2）逐渐取代传统设计方法已成为必然趋势。

　　对于较为单一的失效形式与寿命预测，目前已形成较为完整的理论和技术体系。近年来的研究更多地考虑了复杂结构和制造工艺的影响，如大型焊接转子的失效、制造缺陷和表面加工质量对寿命的影响等。诸多基础研究成果正在向技术层面转化，在欧盟9个国家多个研究机构长期研究工作基础上形成的欧洲工业结构完整性评定方法(SINTAP)，采用了失效评定图（FAD）和裂纹推动力技术(CDF)，近年进一步考虑了焊接、薄壁结构及拘束的影响，已逐渐发展成为欧盟统一的“合乎使用性”规程（FITNET-FFS），可以应用于各种承力结构的安全评定，如承压设备、管道、航天结构、海岸工程结构等。经过多年的基础研究和技术攻关，我国也形成了若干结构完整性的标准或方法――基于损伤的统一失效评定理论在更多领域获得应用。但是与工业发达国家相比，我国相关规范的科学基础相对薄弱，同时也缺乏足够的相关数据库的支持。

　　进入21世纪后，多尺度的强度与断裂问题逐渐成为研究的热点。科学家们从不同的角度进行了大量的研究，基于大规模原子和分子模拟的直接方法首先得到重视，进而发展了基于原子模拟与连续有限元耦合的方法。但是基于原子模拟的技术往往受限于原子作用力模型和机器的计算能力，因此在连续介质框架下考虑尺寸效应便显得必要。于是基于分形的方法、塑性应变梯度理论、双尺度应力强度模型、基于原子断裂力学的强度与寿命概率分布的尺度分析理论等纷纷问世，均获得了不同程度地成功。

　　必须指出的是，目前这些多尺度理论还不能描述环境中化学因素的作用，因此解决复杂环境下的失效问题，需要今后更多的努力。尤其是面向机械产品的规划、设计、制造、运行、维修、回收再利用的全过程，实现产品全寿命周期内总体性能的最优设计，是机械产品安全服役科学研究的最高追求。