百米高的風電塔聳立於戈壁、草原，數十公里長的跨海大橋讓天塹變通途，超大型發電機組每小時將百萬度電送入千家萬户……這些重大工程設施被譽為大國重器，是強國基礎。它們是否牢固、耐久運行，直接關係國家發展、百姓安全。
在位於未來科學城的國家材料服役安全科學中心，8大科學裝置模擬各類真實運行環境，探究重大工程材料、構件使用中的疲勞、損傷機理。目前，研究成果已經開始服務於北京冬奧會場館、北京地下排水管網、超大型發電機組等多個工程項目，正在打造成為護佑大國重器安全運行的國家戰略科技力量，是名副其實的“安全師”。
百萬次抻拉牽牢冬奧“冰絲帶”
國家速滑館是北京冬奧會的標誌性場館，它有一個晶瑩的暱稱——“冰絲帶”。“冰絲帶”的頂部牽拉着世界體育場館中規模最大的單層雙向正交馬鞍形索網，最大跨度達198米。為了確保“冰絲帶”頂部穩定受力，其東西向設置了49對承重索，南北設置了30對穩定索。這些纜索的壽命，直接影響“冰絲帶”的使用壽命。
科學中心的力學與結構工程實驗站中，研究員任學衝正帶領團隊制定“冰絲帶”纜索的壽命測試方案。“根據設計方提供的信息，每根纜索可以承受160噸級的安全張拉作用力，但實際使用中，它還需承受風的載荷、自身和賽事保障設備的重力。我們需要驗證它在接近真實的環境下，能否具備百年使用壽命。”任學衝説，這需要用到實驗站250噸液壓作動器和3000噸試驗機，分別進行疲勞和破斷試驗。
科研人員計劃將一批長度8米的原版速滑館纜索兩端固定於液壓作動器和反力支座上，以120噸級至160噸級的力量每天抻拉20萬次，連續測試200萬次，通過百萬次的抻拉驗證其材料損傷情況，精準掌握纜索使用工況的極限。“我們在抻拉過程中也要給纜索加上掛載設備的重力，力求真實模擬。”任學衝説，這個實驗將在近期把測試結論提交給速滑館的設計、運營單位，科學制定纜索保養方案，確保牽牢“冰絲帶”。
可視化支招北京排水管網延壽
作為一座超大型城市，北京每天都會產生大量的生產生活污水，匯入數千公里的地下排水管網。排水管一旦嚴重破裂，可能導致路面塌陷，橋樑、房屋受損，影響城市安全運行。
科學中心教授苗英豪和同事們研究着如何幫助北京的排水管網“延長壽命”。實驗場地上，10多段由鋼筋混凝土製成的排水管整齊碼放，它們的直徑從30釐米至80釐米不等，一些排水管的外壁已經出現裂紋，裂紋處打上了標記。“這些管道與目前北京正在使用的主流排水管規格、材料都是一樣的。我們用不同量級的壓力測試它們的力學性能，裂紋正是不同壓力下的損傷。”苗英豪説。
2020年，他們的課題在北京市科委立項，隨後與北京排水集團運營部對接，受到了歡迎。這些年，排水集團不斷應用機器人、探地雷達等設備加大管網檢測和養護維護，但對排水管道損傷的破壞機理、安全使用壽命的預測的確餘力不足。“這些方面正是我們的強項。”苗英豪説。
科研人員除了用力學方法測試管道力學性能，還要將管道置於環境模擬系統內，充入腐蝕性溶液和氣體，全方位檢查管道的腐蝕損傷演變情況，再融合仿真技術手段，建立起排水管道的壽命預測模型，這項研究有望在今年結束。屆時，科研人員將集成一套可視化管理平台提供給北京排水集團，管理北京排水管道使用安全狀況、剩餘壽命信息。
保駕超大型發電廠安全運行
在高温高壓腐蝕實驗站，一項驗證第三代核電機組承壓管道安全性能的實驗正在進行。工程師劉廷光緊盯着實驗設備屏幕上跳動的數字：温度325℃，壓力14.4兆帕。“目前管路材料一切正常，20分鐘後，試驗管道內壁的温度將驟降至38℃，再升温至325℃左右，如此反覆。”他説，在超大型發電廠，發電機組運行過程中會遇到啓停、調峯等情形，此時管網温度改變，熱脹冷縮會對材料產生應力，由此造成的材料損傷情況必須摸清。
過去科研人員只能從管道構件上截取小試片在實驗室研究，如今這裏建設了一套大型迴路系統，可以幾乎完整地模擬發電廠高温高壓管路環境，真實獲取管路材料損傷數據。“研究成果可以提升我國電力裝備的製造競爭力，又能大幅降低安全事故率。”劉廷光説。
項目於2008年12月批覆建設，8套大科學裝置於2019年初起陸續驗收投入運行。目前，科學中心已有7套裝置完成驗收，整體驗收將在今年上半年完成。“我們將發揮在北京的創新資源優勢，發揮重大科技基礎設施的引領作用，服務國家重大科技任務，全力建設立足首都、服務全國、面向全球的新型研發機構，為北京建設國際科技創新中心貢獻力量。”科學中心總指揮張衞冬説。