面向國家發展戰略需求 建設世界一流試驗設施

北京科技大學黨委宣傳部

項目簡介

北京科技大學于1952年由北洋大學等5所國內著名大學的礦冶系科組建而成，現已發展為以工為主，工、理、管、文、經、法等多學科協調發展的全國重點大學，是全國首批正式成立研究生院的高校之一。1997年，學校首批進入國家“211工程”建設高校行列，2006年成為國家“優勢學科創新平臺”建設項目試點高校。2007年，學校作為第一所教育部直屬高校承擔了國家“十一五”期間12個重大科技基礎設施之一 —“重大工程材料服役安全研究評價設施”（以下簡稱“MSAF”）項目的建設工作，并圍繞項目建設，籌建國家材料服役安全科學中心(以下簡稱“國家科學中心”)。

2010年5月21日，中共中央政治局委員、國務委員劉延東同志在MSAF暨國家材料服役安全科學中心的奠基儀式上指出，重大科技基礎設施在一定程度上代表著國家科技水平和綜合實力，黨和國家高度重視重大科技基礎設施建設。項目建設要緊密結合高校改革發展的要求，著力推動一流學科和一流大學的建設；要發揮項目建設的引領帶動作用，促進科技資源的聯合共享，促進學科的交叉融合，提高高校的科研效率和水平，探索出一條以重大科技基礎設施建設來帶動一流學科和一流大學建設之路。中共中央政治局委員、北京市委書記劉淇同志要求，MSAF暨國家科學中心的建設要瞄準建設具有國際一流水平、面向全社會開放的大型科學研究試驗平臺，努力把這個項目做成精品項目、示范項目；要積極創新管理體制和運行機制，努力創造匯聚一流人才的環境，力爭成為匯聚中關村海歸人才的特色院所，不斷開展工程材料服務安全領域創新性研究，拿出世界一流的創新成果，建成全新的國際優秀科技園區。

MSAF項目暨國家科學中心面向我國國民經濟發展的重大需求， 圍繞典型工程材料、典型服役環境、共性失效形式和關鍵失效問題，通過自主設計和集成創新，建設可近似模擬服役環境、可有效再現失效過程的試驗研究裝置群。同時，通過建設公共性、通用性、開放共享、世界領先水平的大型工程材料服役安全科學研究試驗裝置，深入開展重大工程材料服役安全領域的尺度域、環境域、時間域和安全評價方法等四大關鍵科學問題研究，全面提升大/ 全尺寸材料及構件的試驗研究能力和安全評價技術的整體實力，建立我國自主的工程材料安全服役標準和規范，為重大工程材料的安全設計、安全評價和失效控制奠定堅實的科學基礎，并將建設成為具有世界一流水平、國際化的科學研究機構。

建設內容

MSAF項目主要由工程結構材料損傷試驗裝置、工程結構材料損傷仿真試驗系統和開放共享配套設施等3個系統構成。項目建設內容包括：多相流環境、高溫高壓水汽環境、極端/ 多因素耦合環境、自然大氣環境、特殊地域環境和力學—化學多場耦合環境等結構材料試驗裝置，工程結構材料損傷仿真試驗系統及由協同支撐、數據共享和安全評價系統構成的開放共享配套設施。該設施通過模擬實際工況的復雜環境和復雜載荷條件，開展大尺寸工程材料加速試驗研究，獲取其服役性能和規律，建立工程材料服役安全模型和評價方法，為我國在重大工程建設和運行中工程材料的安全評價和壽命預測提供科學依據。該設施是目前國際上唯一的以材料試驗與構件試驗相互結合、物理試驗與數字仿真互為補充的公共性、通用性的大型綜合科學研究試驗設施，在工程材料失效規律及關鍵科學問題的試驗研究能力方面達到世界一流水平。

多相流環境結構材料試驗裝置

圍繞石油、石化、冶金、海洋等工業領域管道結構面臨的多相流腐蝕問題，建設可模擬實際服役工況的系列多相流循環試驗環路，開展工程選材、腐蝕評價與壽命預測研究。

裝置構成

★多相環境試驗環路：能實現油/氣/水/固四相介質共存

的流型流態模擬；

★高溫高壓試驗環路：能實現工業實際高溫高壓兩相流腐

蝕環境的模擬；

★特殊環境試驗環路：能實現頂部腐蝕、高速沖刷等特殊

多相流環境的模擬，并實現用戶定制試驗段的接入。

研究方向

★多相流環境下腐蝕失效機理、評價方法及壽命預測模型；

★工程材料多相流腐蝕的尺寸效應、幾何效應；

★多種多相流腐蝕試驗方法的相關性以及選材標準與規范。

裝置的先進性

該裝置可實現油/ 氣/ 水/ 固四相介質共存的多相流腐蝕環境的模擬，并擁有國際同類裝置中具有領先水平的最大管徑多相流腐蝕試驗環路。

高溫高壓水汽環境結構材料試驗裝置

圍繞核電、火電等工業領域中服役管道和材料所遇到的腐蝕、應力腐蝕、腐蝕疲勞和流動促進腐蝕等失效行為和機理，建設開展管道構件和材料與高溫高壓水汽環境、復雜載荷之間耦合作用研究的試驗裝置。

裝置構成

★亞臨界管道試驗裝置：在亞臨界水汽環

境 下模擬管內/外不同組合流動工況；

★超臨界管道試驗裝置：在超（超）臨界

水 汽環境下模擬管內流動的工況。

研究方向

★工程材料、管道和小型構件的高溫高壓

腐 蝕、應力腐蝕等多因素耦合失效行為；

★高溫高壓水汽環境中流動促進管道腐蝕行為和材料的相關性；

★核電、火電等高溫高壓水汽環境中管道等關鍵構件的服役安全評價和壽命預測。

裝置先進性

該裝置可以實現雙回路供水和管道加載的組合，并實現對變直徑試驗管的加載，具有國際領先水平。

極端/多因素耦合環境材料試驗裝置

圍繞工程材料日趨極端、復雜的服役環境，建設可模擬核電等領域的極端服役條件，并能進行原位觀測和分析的試驗裝置。

裝置構成

★超高溫超高壓水環境多軸應力腐蝕試驗設備；

★含特殊侵蝕性離子應力腐蝕試驗設備；

★高溫高壓含侵蝕性離子水環境腐蝕疲勞試驗設備；

★含鉛水環境應力腐蝕試驗設備。

研究方向

★超（超）臨界水和載荷協同作用下材料的失效機理

和規律；

★核電和火電關鍵材料的高溫電化學腐蝕行為、損傷

機理、性能演化及壽命預測。

裝置先進性

該裝置可同時模擬高溫、高壓、高真空度、含侵蝕性離子等多種極端苛刻環境， 并集成多種原位觀測設備，在國內外同類裝置中處于領先水平。

力學-化學多場耦合環境結構材料試驗裝置

圍繞基礎設施石油化工、交通運輸和海洋工程等領域工業及自然環境下關鍵材料和構件的服役壽命和可靠性問題， 建設大型力學-化學多場耦合環境結構材料試驗裝置， 開展大/ 全尺寸工程材料或構件在實際服役條件下性能試驗和失效過程的等效加速模擬研究。

裝置構成

★集中載荷試驗裝置：進行大/全尺寸材料或構件力學-化

學多場耦合環境下性能試驗；

★多點協調加載試驗裝置：實現復雜受力狀態下復雜構件

或結構單元的多點協調加載；

★混合試驗系統：融合物理試驗與數字仿真信息，低成本

全方位對構件的服役性能進行研究。

研究方向

★力學-化學耦合環境下工程材料/構件性能的演化規律及失效機理；

★物理試驗與數字仿真試驗相結合的混合試驗方法和分析；

★大/全尺寸材料和構件服役性能的試驗研究方法、規范和標準。

裝置先進性

該裝置可實現大/ 全尺寸材料或構件在多場耦合環境下服役性能的綜合評價試驗， 對材料和構件可進行六自由度任意受力狀態下的復雜加載，具有國際一流水平。

自然大氣環境結構材料試驗裝置

圍繞工業和城市基礎設施領域中工程材料與構件在大氣環境中存在的腐蝕、老化失效問題， 建設能夠開展工程材料大氣環境效應和失效規律研究的大型模擬試驗裝置。

裝置構成

★綜合腐蝕試驗倉：模擬我國中東部城市、工業和海洋大

氣環境的腐蝕環境；

★西部環境試驗倉：模擬我國西部高原、沙漠戈壁地區的

特殊腐蝕和老化環境。

研究方向

★大氣環境因素耦合作用下工程材料性能演化規律及失效機理；

★工程材料及構件大氣腐蝕、老化的加速模擬試驗方法；

★大氣環境下工程材料及構件的安全評價與壽命預測方法。

裝置先進性

該裝置可同時模擬多種大氣環境因素耦合作用環境及大氣環境因素與力學載荷耦合作用環境，在目前同類裝置中處于國際先進水平。

特殊地域環境結構材料試驗裝置

圍繞我國交通運輸基礎設施在不同地區極端環境中的凍融、老化等服役安全問題，建設能夠開展交通土建工程材料在特殊地域環境下的服役行為和失效規律研究的大型加速加載試驗裝置。

裝置構成

★試驗道系統：直線與圓環相結合的環形試驗道，可模擬多種

鋪面類型和載荷狀況；

★自動試驗車系統：在環境-載荷耦合作用下，自動進行各

種鋪面的加速加載試驗；

★環境模擬控制系統：模擬我國東北冰凍區、西北高原區、

南方多雨區等不同地區各種極端環境條件及環境耦合工況。

研究方向

★高溫、低溫、水、冰凍、紫外等極端環境條件對鋪面性能的

影響；

★大載重、多軸型、高頻率的復雜力學載荷作用下鋪面的動力響應；

★鋪面在各種極端環境因素和復雜力學載荷耦合作用下的時變特征。

裝置先進性

該裝置能長時間模擬交通土建工程材料在各種極端環境條件及復雜力學載荷耦合作用下的服役環境， 在目前同類裝置中達到國際領先水平。

工程結構材料損傷仿真試驗系統

為彌補物理試驗裝置環境模擬試驗能力的不足，克服重復試驗費用昂貴的弊端， 建設可擴展、集成化、協同化的工程結構材料失效全過程仿真試驗系統。

裝置構成

★工程結構材料失效分析系統：模擬再現工程材料的服役環境、實現工程材料損傷形式和失效過程的數字分析與模擬；

★物理試驗仿真協同分析系統：與物理試驗裝置結

合開展混合試驗；

★集成化協同仿真系統：實現各子系統之間的交互

和協同。

研究方向

★工程材料疲勞、斷裂、腐蝕等失效過程與機理的

數字仿真；

★材料與環境交互作用機理的跨尺度域數字仿真；

★材料與構件的失效機理、損傷演化與壽命預測模型。

裝置先進性

該系統具備可超越極端環境和時間/ 空間尺度限制的仿真試驗能力，并與物理試驗裝置相結合開展混合試驗，有效拓展物理試驗范圍，達到國際領先水平。

開放共享配套設施

圍繞工程材料服役安全評價研究中對物理試驗裝置和仿真試驗系統協同管理與開放共享的需求，建設信息化、集成化的開放共享配套設施，實現裝置試驗服務、仿真試驗研究、科學試驗數據和安全評價方法的全社會開放共享。

系統構成

★協同支撐系統：為試驗裝置的遠程控制和數據傳

輸提供網絡環境；

★數據共享系統：實現試驗數據的收集、存儲、應

用和共享；

★安全評價系統：提供集成多種評價工具的遠程協

同平臺。

研究方向

★大型試驗裝置分布式協同試驗方法；

★工程材料領域數據共享和智能化應用；

★工程材料服役可靠性分析和風險評估。

總體規劃

MSAF項目暨國家科學中心建設地點位于北京市昌平區“中關村國家工程技術創新基地”，在八達嶺高速公路與六環路的交匯處，距離北京科技大學約25公里。建設用地200畝，建筑面積107,400平方米，計劃2013年竣工。

組織結構

為保證項目建設的順利實施，在國家發改委、教育部、北京市人民政府的領導下，組織建立了項目建設、管理體系。

項目建設領導小組為項目建設的領導機構，負責項目建設過程中重大問題的決策、跨部門的協調組織以及對項目建設的指導。項目建設管理委員會，由項目建設法人單位、共建及參建單位的領導和相關部門人員組成。專家委員會和用戶委員會為項目的專家咨詢和用戶拓展機構。

項目建設指揮部為項目建設的組織實施機構，具體負責項目的建設以及國家科學中心的籌建。項目建設指揮部以裝置建設為核心，構建了工程技術、工程管理和條件建設三大體系，形成相互支撐的建設管理矩陣，開展項目的建設和管理。

科學研究

MSAF 項目暨國家科學中心在科學研究方面立足于我國國民經濟發展重大需求，面向能源、電力、交通、海洋和基礎設施等國家重大工程領域，以工程材料服役過程中的腐蝕、疲勞、斷裂、老化等失效行為為對象，開展具有戰略性、前瞻性的基礎研究和應用基礎研究,以及服役性能數據積累和工程應用；突破安全評價的技術封鎖和技術壁壘，創新研究試驗方法，強化自主創新能力，為我國重大工程的選材、安全評估與壽命預測提供科技支撐，并將建設成為世界一流的材料服役安全研究試驗基地。

目前主要研究包括：

◆核電站關鍵材料性能及環境相容性評價方法；

◆石油石化關鍵工程材料多相流腐蝕規律和壽命評估方法；

◆自然大氣環境下工程材料失效規律和評價標準；

◆高鐵工程材料和構件的性能與安全服役評價方法；

◆航空航天材料服役性能和安全性評價

◆大型油氣田設備腐蝕規律與腐蝕監檢測技術；

◆服役環境條件及失效規律模擬仿真。

國際合作

MSAF項目暨國家科學中心秉承國際化發展戰略，開展多種形式的國際交流與合作，邀請國外知名專家、學者進行學術交流和研究合作，積極鼓勵并吸引外國專家參加項目建設及未來運行，分階段實現與國際領先水平的同步發展，積極探索一條有效利用世界智力資源開展自主創新研究的道路。

目前，MSAF項目暨國家科學中心（NCMS）已與石川島播磨重工業株式會社（IHI）、美國電力研究院（EPRI）、日本國立物質材料研究機構（NIMS）等國際一流研究機構建立了長期合作關系并簽署了戰略合作協議，并就研發項目合作、人才培養與交流、科研信息交換和合作發展路線圖等方面達成共識。

作為材料服役安全研究的國家隊，MSAF項目暨國家科學中心義不容辭地承擔起培養高水平科學技術人才的任務。目前，面向材料科學與工程、機械工程、工程力學、控制科學與工程、安全科學與技術和計算機科學與技術等學科招收碩士和博士研究生。

在研究生培養方面，MSAF項目暨國家科學中心具有如下特點和優勢：

◆ 研究方向具有鮮明的多學科交叉特點，可培養不同專業學生之間的團結協作精神，使學生不斷突破自我，成為優秀的復合型人才；

◆ 研究生通過參與國家重大科技基礎設施的科學研究及建設和運行工作，不斷提高科研和實踐能力；

◆ 注重與國家政府部門、國內外研究機構以及大型企業的合作，已與鐵道部、北京市、中石油和中石化等部門建立了良好的科研合作關系，為研究生在相關領域就業和出國深造創造了良好條件；

◆ 研究生通過與國內外專家的廣泛接觸，可汲取多方智慧，拓寬知識面；

◆ 本中心積極鼓勵本科生直攻博、碩博連讀、國內外聯合培養以及國家公派出國攻讀名校博士學位等，并通過各種附加獎勵方式進一步改善研究生的生活待遇。

未來展望

工程材料與構件的失效與安全服役是一個涉及科學技術、經濟社會和公共安全的重大問題。MSAF 項目暨國家科學中心的建設將為解決重大工程材料的安全服役難題提供有力的科學技術支撐，是落實科學發展觀和國家中長期科技發展規劃綱要以及建設創新型國家的重要舉措。

通過多方聯合、學科交叉、集智創新，MSAF 項目建成后將成為工程材料服役安全領域世界一流試驗研究裝置群， 大幅度提升我國工程材料服役安全研究試驗評價能力。同時，通過開放共享設施，為全國乃至全世界的研究者提供一流的服務。

以MSAF 項目為核心建設內容的國家科學中心也將通過創新管理體制和運行機制，吸引、匯聚一批世界一流的人才，圍繞工程材料服役安全涉及的尺度域、環境域、時間域以及安全評價方法等四大關鍵科學問題，開展以我為主的創新活動。在不久的將來， 國家科學中心將成為引領我國工程材料服役安全領域發展的一流研究機構，最終發展成為國際工程材料服役安全研究領域的重要一極。