面向国家发展战略需求 建设世界一流试验设施

北京科技大学党委宣传部

项目简介

北京科技大学于1952年由北洋大学等5所国内著名大学的矿冶系科组建而成，现已发展为以工为主，工、理、管、文、经、法等多学科协调发展的全国重点大学，是全国首批正式成立研究生院的高校之一。1997年，学校首批进入国家“211工程”建设高校行列，2006年成为国家“优势学科创新平台”建设项目试点高校。2007年，学校作为第一所教育部直属高校承担了国家“十一五”期间12个重大科技基础设施之一 —“重大工程材料服役安全研究评价设施”（以下简称“MSAF”）项目的建设工作，并围绕项目建设，筹建国家材料服役安全科学中心(以下简称“国家科学中心”)。

2010年5月21日，中共中央政治局委员、国务委员刘延东同志在MSAF暨国家材料服役安全科学中心的奠基仪式上指出，重大科技基础设施在一定程度上代表着国家科技水平和综合实力，党和国家高度重视重大科技基础设施建设。项目建设要紧密结合高校改革发展的要求，着力推动一流学科和一流大学的建设；要发挥项目建设的引领带动作用，促进科技资源的联合共享，促进学科的交叉融合，提高高校的科研效率和水平，探索出一条以重大科技基础设施建设来带动一流学科和一流大学建设之路。中共中央政治局委员、北京市委书记刘淇同志要求，MSAF暨国家科学中心的建设要瞄准建设具有国际一流水平、面向全社会开放的大型科学研究试验平台，努力把这个项目做成精品项目、示范项目；要积极创新管理体制和运行机制，努力创造汇聚一流人才的环境，力争成为汇聚中关村海归人才的特色院所，不断开展工程材料服务安全领域创新性研究，拿出世界一流的创新成果，建成全新的国际优秀科技园区。

MSAF项目暨国家科学中心面向我国国民经济发展的重大需求， 围绕典型工程材料、典型服役环境、共性失效形式和关键失效问题，通过自主设计和集成创新，建设可近似模拟服役环境、可有效再现失效过程的试验研究装置群。同时，通过建设公共性、通用性、开放共享、世界领先水平的大型工程材料服役安全科学研究试验装置，深入开展重大工程材料服役安全领域的尺度域、环境域、时间域和安全评价方法等四大关键科学问题研究，全面提升大/ 全尺寸材料及构件的试验研究能力和安全评价技术的整体实力，建立我国自主的工程材料安全服役标准和规范，为重大工程材料的安全设计、安全评价和失效控制奠定坚实的科学基础，并将建设成为具有世界一流水平、国际化的科学研究机构。

建设内容

MSAF项目主要由工程结构材料损伤试验装置、工程结构材料损伤仿真试验系统和开放共享配套设施等3个系统构成。项目建设内容包括：多相流环境、高温高压水汽环境、极端/ 多因素耦合环境、自然大气环境、特殊地域环境和力学—化学多场耦合环境等结构材料试验装置，工程结构材料损伤仿真试验系统及由协同支撑、数据共享和安全评价系统构成的开放共享配套设施。该设施通过模拟实际工况的复杂环境和复杂载荷条件，开展大尺寸工程材料加速试验研究，获取其服役性能和规律，建立工程材料服役安全模型和评价方法，为我国在重大工程建设和运行中工程材料的安全评价和寿命预测提供科学依据。该设施是目前国际上唯一的以材料试验与构件试验相互结合、物理试验与数字仿真互为补充的公共性、通用性的大型综合科学研究试验设施，在工程材料失效规律及关键科学问题的试验研究能力方面达到世界一流水平。

多相流环境结构材料试验装置

围绕石油、石化、冶金、海洋等工业领域管道结构面临的多相流腐蚀问题，建设可模拟实际服役工况的系列多相流循环试验环路，开展工程选材、腐蚀评价与寿命预测研究。

装置构成

★多相环境试验环路：能实现油/气/水/固四相介质共存

的流型流态模拟；

★高温高压试验环路：能实现工业实际高温高压两相流腐

蚀环境的模拟；

★特殊环境试验环路：能实现顶部腐蚀、高速冲刷等特殊

多相流环境的模拟，并实现用户定制试验段的接入。

研究方向

★多相流环境下腐蚀失效机理、评价方法及寿命预测模型；

★工程材料多相流腐蚀的尺寸效应、几何效应；

★多种多相流腐蚀试验方法的相关性以及选材标准与规范。

装置的先进性

该装置可实现油/ 气/ 水/ 固四相介质共存的多相流腐蚀环境的模拟，并拥有国际同类装置中具有领先水平的最大管径多相流腐蚀试验环路。

高温高压水汽环境结构材料试验装置

围绕核电、火电等工业领域中服役管道和材料所遇到的腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳和流动促进腐蚀等失效行为和机理，建设开展管道构件和材料与高温高压水汽环境、复杂载荷之间耦合作用研究的试验装置。

装置构成

★亚临界管道试验装置：在亚临界水汽环

境 下模拟管内/外不同组合流动工况；

★超临界管道试验装置：在超（超）临界

水 汽环境下模拟管内流动的工况。

研究方向

★工程材料、管道和小型构件的高温高压

腐 蚀、应力腐蚀等多因素耦合失效行为；

★高温高压水汽环境中流动促进管道腐蚀行为和材料的相关性；

★核电、火电等高温高压水汽环境中管道等关键构件的服役安全评价和寿命预测。

装置先进性

该装置可以实现双回路供水和管道加载的组合，并实现对变直径试验管的加载，具有国际领先水平。

极端/多因素耦合环境材料试验装置

围绕工程材料日趋极端、复杂的服役环境，建设可模拟核电等领域的极端服役条件，并能进行原位观测和分析的试验装置。

装置构成

★超高温超高压水环境多轴应力腐蚀试验设备；

★含特殊侵蚀性离子应力腐蚀试验设备；

★高温高压含侵蚀性离子水环境腐蚀疲劳试验设备；

★含铅水环境应力腐蚀试验设备。

研究方向

★超（超）临界水和载荷协同作用下材料的失效机理

和规律；

★核电和火电关键材料的高温电化学腐蚀行为、损伤

机理、性能演化及寿命预测。

装置先进性

该装置可同时模拟高温、高压、高真空度、含侵蚀性离子等多种极端苛刻环境， 并集成多种原位观测设备，在国内外同类装置中处于领先水平。

力学-化学多场耦合环境结构材料试验装置

围绕基础设施石油化工、交通运输和海洋工程等领域工业及自然环境下关键材料和构件的服役寿命和可靠性问题， 建设大型力学-化学多场耦合环境结构材料试验装置， 开展大/ 全尺寸工程材料或构件在实际服役条件下性能试验和失效过程的等效加速模拟研究。

装置构成

★集中载荷试验装置：进行大/全尺寸材料或构件力学-化

学多场耦合环境下性能试验；

★多点协调加载试验装置：实现复杂受力状态下复杂构件

或结构单元的多点协调加载；

★混合试验系统：融合物理试验与数字仿真信息，低成本

全方位对构件的服役性能进行研究。

研究方向

★力学-化学耦合环境下工程材料/构件性能的演化规律及失效机理；

★物理试验与数字仿真试验相结合的混合试验方法和分析；

★大/全尺寸材料和构件服役性能的试验研究方法、规范和标准。

装置先进性

该装置可实现大/ 全尺寸材料或构件在多场耦合环境下服役性能的综合评价试验， 对材料和构件可进行六自由度任意受力状态下的复杂加载，具有国际一流水平。

自然大气环境结构材料试验装置

围绕工业和城市基础设施领域中工程材料与构件在大气环境中存在的腐蚀、老化失效问题， 建设能够开展工程材料大气环境效应和失效规律研究的大型模拟试验装置。

装置构成

★综合腐蚀试验仓：模拟我国中东部城市、工业和海洋大

气环境的腐蚀环境；

★西部环境试验仓：模拟我国西部高原、沙漠戈壁地区的

特殊腐蚀和老化环境。

研究方向

★大气环境因素耦合作用下工程材料性能演化规律及失效机理；

★工程材料及构件大气腐蚀、老化的加速模拟试验方法；

★大气环境下工程材料及构件的安全评价与寿命预测方法。

装置先进性

该装置可同时模拟多种大气环境因素耦合作用环境及大气环境因素与力学载荷耦合作用环境，在目前同类装置中处于国际先进水平。

特殊地域环境结构材料试验装置

围绕我国交通运输基础设施在不同地区极端环境中的冻融、老化等服役安全问题，建设能够开展交通土建工程材料在特殊地域环境下的服役行为和失效规律研究的大型加速加载试验装置。

装置构成

★试验道系统：直线与圆环相结合的环形试验道，可模拟多种

铺面类型和载荷状况；

★自动试验车系统：在环境-载荷耦合作用下，自动进行各

种铺面的加速加载试验；

★环境模拟控制系统：模拟我国东北冰冻区、西北高原区、

南方多雨区等不同地区各种极端环境条件及环境耦合工况。

研究方向

★高温、低温、水、冰冻、紫外等极端环境条件对铺面性能的

影响；

★大载重、多轴型、高频率的复杂力学载荷作用下铺面的动力响应；

★铺面在各种极端环境因素和复杂力学载荷耦合作用下的时变特征。

装置先进性

该装置能长时间模拟交通土建工程材料在各种极端环境条件及复杂力学载荷耦合作用下的服役环境， 在目前同类装置中达到国际领先水平。

工程结构材料损伤仿真试验系统

为弥补物理试验装置环境模拟试验能力的不足，克服重复试验费用昂贵的弊端， 建设可扩展、集成化、协同化的工程结构材料失效全过程仿真试验系统。

装置构成

★工程结构材料失效分析系统：模拟再现工程材料的服役环境、实现工程材料损伤形式和失效过程的数字分析与模拟；

★物理试验仿真协同分析系统：与物理试验装置结

合开展混合试验；

★集成化协同仿真系统：实现各子系统之间的交互

和协同。

研究方向

★工程材料疲劳、断裂、腐蚀等失效过程与机理的

数字仿真；

★材料与环境交互作用机理的跨尺度域数字仿真；

★材料与构件的失效机理、损伤演化与寿命预测模型。

装置先进性

该系统具备可超越极端环境和时间/ 空间尺度限制的仿真试验能力，并与物理试验装置相结合开展混合试验，有效拓展物理试验范围，达到国际领先水平。

开放共享配套设施

围绕工程材料服役安全评价研究中对物理试验装置和仿真试验系统协同管理与开放共享的需求，建设信息化、集成化的开放共享配套设施，实现装置试验服务、仿真试验研究、科学试验数据和安全评价方法的全社会开放共享。

系统构成

★协同支撑系统：为试验装置的远程控制和数据传

输提供网络环境；

★数据共享系统：实现试验数据的收集、存储、应

用和共享；

★安全评价系统：提供集成多种评价工具的远程协

同平台。

研究方向

★大型试验装置分布式协同试验方法；

★工程材料领域数据共享和智能化应用；

★工程材料服役可靠性分析和风险评估。

总体规划

MSAF项目暨国家科学中心建设地点位于北京市昌平区“中关村国家工程技术创新基地”，在八达岭高速公路与六环路的交汇处，距离北京科技大学约25公里。建设用地200亩，建筑面积107,400平方米，计划2013年竣工。

组织结构

为保证项目建设的顺利实施，在国家发改委、教育部、北京市人民政府的领导下，组织建立了项目建设、管理体系。

项目建设领导小组为项目建设的领导机构，负责项目建设过程中重大问题的决策、跨部门的协调组织以及对项目建设的指导。项目建设管理委员会，由项目建设法人单位、共建及参建单位的领导和相关部门人员组成。专家委员会和用户委员会为项目的专家咨询和用户拓展机构。

项目建设指挥部为项目建设的组织实施机构，具体负责项目的建设以及国家科学中心的筹建。项目建设指挥部以装置建设为核心，构建了工程技术、工程管理和条件建设三大体系，形成相互支撑的建设管理矩阵，开展项目的建设和管理。

科学研究

MSAF 项目暨国家科学中心在科学研究方面立足于我国国民经济发展重大需求，面向能源、电力、交通、海洋和基础设施等国家重大工程领域，以工程材料服役过程中的腐蚀、疲劳、断裂、老化等失效行为为对象，开展具有战略性、前瞻性的基础研究和应用基础研究,以及服役性能数据积累和工程应用；突破安全评价的技术封锁和技术壁垒，创新研究试验方法，强化自主创新能力，为我国重大工程的选材、安全评估与寿命预测提供科技支撑，并将建设成为世界一流的材料服役安全研究试验基地。

目前主要研究包括：

◆核电站关键材料性能及环境相容性评价方法；

◆石油石化关键工程材料多相流腐蚀规律和寿命评估方法；

◆自然大气环境下工程材料失效规律和评价标准；

◆高铁工程材料和构件的性能与安全服役评价方法；

◆航空航天材料服役性能和安全性评价

◆大型油气田设备腐蚀规律与腐蚀监检测技术；

◆服役环境条件及失效规律模拟仿真。

国际合作

MSAF项目暨国家科学中心秉承国际化发展战略，开展多种形式的国际交流与合作，邀请国外知名专家、学者进行学术交流和研究合作，积极鼓励并吸引外国专家参加项目建设及未来运行，分阶段实现与国际领先水平的同步发展，积极探索一条有效利用世界智力资源开展自主创新研究的道路。

目前，MSAF项目暨国家科学中心（NCMS）已与石川岛播磨重工业株式会社（IHI）、美国电力研究院（EPRI）、日本国立物质材料研究机构（NIMS）等国际一流研究机构建立了长期合作关系并签署了战略合作协议，并就研发项目合作、人才培养与交流、科研信息交换和合作发展路线图等方面达成共识。

作为材料服役安全研究的国家队，MSAF项目暨国家科学中心义不容辞地承担起培养高水平科学技术人才的任务。目前，面向材料科学与工程、机械工程、工程力学、控制科学与工程、安全科学与技术和计算机科学与技术等学科招收硕士和博士研究生。

在研究生培养方面，MSAF项目暨国家科学中心具有如下特点和优势：

◆ 研究方向具有鲜明的多学科交叉特点，可培养不同专业学生之间的团结协作精神，使学生不断突破自我，成为优秀的复合型人才；

◆ 研究生通过参与国家重大科技基础设施的科学研究及建设和运行工作，不断提高科研和实践能力；

◆ 注重与国家政府部门、国内外研究机构以及大型企业的合作，已与铁道部、北京市、中石油和中石化等部门建立了良好的科研合作关系，为研究生在相关领域就业和出国深造创造了良好条件；

◆ 研究生通过与国内外专家的广泛接触，可汲取多方智慧，拓宽知识面；

◆ 本中心积极鼓励本科生直攻博、硕博连读、国内外联合培养以及国家公派出国攻读名校博士学位等，并通过各种附加奖励方式进一步改善研究生的生活待遇。

未来展望

工程材料与构件的失效与安全服役是一个涉及科学技术、经济社会和公共安全的重大问题。MSAF 项目暨国家科学中心的建设将为解决重大工程材料的安全服役难题提供有力的科学技术支撑，是落实科学发展观和国家中长期科技发展规划纲要以及建设创新型国家的重要举措。

通过多方联合、学科交叉、集智创新，MSAF 项目建成后将成为工程材料服役安全领域世界一流试验研究装置群， 大幅度提升我国工程材料服役安全研究试验评价能力。同时，通过开放共享设施，为全国乃至全世界的研究者提供一流的服务。

以MSAF 项目为核心建设内容的国家科学中心也将通过创新管理体制和运行机制，吸引、汇聚一批世界一流的人才，围绕工程材料服役安全涉及的尺度域、环境域、时间域以及安全评价方法等四大关键科学问题，开展以我为主的创新活动。在不久的将来， 国家科学中心将成为引领我国工程材料服役安全领域发展的一流研究机构，最终发展成为国际工程材料服役安全研究领域的重要一极。