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王仁东教授后来写了“评伊藤、田中公式”、“球形容器的角变形分析”、“乙烯大球罐裂缝安全性问题的进一步探讨”等多篇论文,使我国断裂力学的工程应用研究日渐深入,王仁东教授成为我国断裂力学研究的开创者,不仅编写了第一批国内的通用教材《化工机械力学基础》,筹备组建了中国机械工程学会压力容器学会并担任首任理事长,还亲自主持制订了我国第一部“防脆断规范”——《压力容器缺陷验收标准》,他的这些开创性的工作对浙江大学化工机械学科的发展产生了重要的影响,也进一步奠定了浙江大学在全国高校化工机械学科中的地位。
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最牢靠:“纯手工”搭建的试验台
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化工机械学科中有两大研究方向:静态的容器和动态的机器。发展初期,大部分高校的化机类学科都专注于对静止的压力容器及其壳体强度的研究。在浙江大学的化工机械学科发展中,这两块是齐头并进的,同时,对动态的机器的研究也有较大的发展,值得一提的就是国内高校首个超高速回转试验台的搭建成功,这项技术主要用于对大型化工企业的核心设备“离心压缩机”叶轮的检测,这也是中国高校中第一个超高速回转试验台。
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1973年,王仁东教授带着汪希萱参加了由第一机械工业部召开的会议,专题讨论我国自行生产30万吨合成氨的方案。其中的一个技术关键就是将高压往复式压缩机改为离心式压缩机。当时,在国内使用的离心式压缩机多依赖进口,自产的压缩机在制备、生产上均不完备,性能安全很难保证。
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会议结束后,王仁东教授就提出,为保证机器的质量安全,需要做一个能检验设备可靠性能的试验装置。随同参会的汪希萱当时主攻机器,为此查阅了大量的文献资料,发现美国的麻省理工学院有这方面的研究,专门检测压缩机叶轮的强度和工艺,觉得这是一个可以做的课题,也渐渐有了思路,就此开始了梦想走进现实的征途。
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当时的条件,没有任何现成的部件,试验台设计、施工、试运行直至最后的搭建成功,完全依靠自己,不仅动脑还要动手。汪希萱教授谈起当时的科研工作笑着说:“联系事情是自行车,拖东西就是三轮车。”为了搞研究,他经常骑四五十分钟的车到杭州制氧厂。翻砂、退火、清砂、运输……,试验装置、部件,不管是要钢板焊还是用铸铁做都亲自出马跑腿联系,甚至动手。碰到问题还想一些“穷办法”:在四个轮子上按一个钢架,就可以用来拖运较重的部件,自制了“龙门架”。汪希萱笑着说:“整个试验台的搭建从流程到制造基本都是‘纯手工’,想想也只有一个半的部件不能算。”
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这“一个半”的部件到底是什么?又是怎么得来的呢?
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试验台最主要的用途是检测叶轮,说白了就是做超速试验。一个工作转速每分钟6000转的叶轮,在试验台作检测时,需要将其转速慢慢提高,在到达临界转速前,如果叶轮出现变形或者爆破了,就被认定为是不合格产品。在这个过程中,叶轮所产生的振动相当大,如果试验台不能防震或不够牢固,可能叶轮还没坏,试验台就先垮了。汪希萱说:“这样的工作状态就好比是机器和叶轮在赛跑,看谁能跑到最后。”
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在大量资料的收集和消化过程中,教授们发现,在试验中让机器随叶轮一起振动,机器是吃不消的,这中间需要有一个能降低振幅、减少振动的装置,而这需要一个叫阻尼器的部件。此外,还需要有一个高速增速器来实现加速,这两个重要的部件,当时国内没有生产技术。
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为此,教授们千方百计地寻找资料,终于在哈尔滨的一家汽轮机厂找到一张来自苏联的阻尼器设计图。在参照设计图时渐渐掌握了原理,还找出了原设计图中的错处,对不合理的地方加以改进。经过半年的揣摩,终于拿出了加工图,制作出一个中国制造的阻尼器。“因为参考了别人的设计图,所以只能算半个。”不久后,加速器也找着了,来自于一架退役飞机上的涡轮增压器,是教授们苦苦搜寻后从空军仓库中发现的,他们如获至宝,抢在其落入废品收购站前兴高采烈地将其买下。
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1978年,超高速回转试验台历时4年时间终于研制成功,第一次试用便告成功,检测出了存放于毛主席纪念堂的冷气机的问题,并使之作了改进。此后国内许多大型化工企业都闻讯而来做设备检测,“生意一直很红火”。经过不断发展和进一步完善,目前,超高速试验台已实现了全自动化操作,是国内不仅提供超高速检测,还能采用高速摄像技术为叶轮破碎瞬间“拍照”的机构,并可在旋转情况下,对叶轮的应力应变情况进行测试分析。即使是直径为20毫米,100克净重的小型叶轮也可以对其进行检测。目前,超高速试验台的最高转速可达12.5万转/分。
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破天荒:中国的技术列入了美国的权威规范标准
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上个世纪90年代,由浙江大学自主创新的“中国绕带式压力容器技术”,通过其发明人朱国辉教授多次赴美交流讲学,被带到了国际同行专家的面前。这项技术自60年代中期问世至今,一直在我国工业生产中成功推广应用,经过不断完善发展和开发创新,形成了具有“多功能壳复合型”特性,以“薄内筒扁平绕带式压力容器新技术”和“双层式重要中、低压容器设备”技术为代表,包含“新型小顶盖快开高压密封装置”、“双层油气长输螺旋焊管大型管道”、“大型中、低压绕带压力贮罐”和“压力容器在线安全状态全面自动监控技术”等在内的20项国家发明奖励和专利技术的“多功能壳复合材料压力容器工程技术”。一家美国公司表示愿意支持开发该技术,但前提是一定要获得美国机械工程师学会的审查批准,列入美国机械工程师学会锅炉压力容器规范标准。
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显然,中国的技术要列入美国的规范标准无疑是“逆向行驶”,似比登天还难,但他们还是决定一试。他们的自信来自于实际应用中取得的坚实成果。近40年来,据知中国大陆除西藏外都有新型绕带式压力容器的应用。和目前世界上在氨与尿素的合成、石油与煤的加氢液化、航天工程及核反应堆压力壳等领域广泛应用的“多层筒节包扎焊接”、“筒节厚板卷焊”、“厚壁筒节锻焊”等压力容器制造技术相比,浙江大学化机的“中国绕带式压力容器技术”,其原材料利用率可提高25%,节省焊接与热处理能耗可达80%,生产周期可缩短近半,制造工效最高,制造成本最低,且在工作内压条件下容器“抑爆、抗爆”,还可实现经济可靠的在线安全状态自动监控和避免发生内部介质泄漏所可能引发的燃烧、爆炸、中毒等严重后果。多次工业规模极限压力爆破等试验和7000多台该型绕带容器的长期安全使用实践都证明了其突出的发展优势。
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美国机械工程师学会锅炉压力容器规范标准的申请过程,真可谓是过五关斩六将。按规定,首先要通过美国机械工程师学会锅炉压力容器规范标准委员会相关多层组合结构压力容器专业组的审查,随后依次为设计学组、压力容器规范第VIII篇分委员会、锅炉压力容器规范全国总委员会专家的会议评审,直至最后全国性的150位美国同行专家的通信评审,共五个层次,其中每一层次都不能有任何一人投票反对,因为是一票否决,只要有一位专家认为有什么问题而说“不”,该项申请即行中止。
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评审的最后阶段,会场气氛异常凝重。来自美国各地的专家对这项来自中国教授的新技术非常关切。有专家提出,虽然该项技术很先进也已很成熟,但在中国只做了一米的内径,却向我们申请3.6米内径,“这变化太大了”。参加答辩的朱国辉胸有成竹,不紧不慢地分析:“绕一米内径容器时所用钢带的宽度与厚度,和绕3.6米内径容器时的钢带宽度与厚度的规格是一样的,哪个更容易绕呢?当然是大的容器容易绕!因为后者弯曲半径大,曲率变化小,当然容易缠绕贴紧。只要有一台大型简易的绕带装置,3.6米内径容器只会更好绕!”边说还边画了分析图。与会的专家们起初多持有怀疑的眼光,听到他的解释都频频点头。一番窃窃私语后,在最后的表决时都举起了手,全场起立,热烈鼓掌。他们说:“这是美国锅炉压力容器规范标准(ASME BPV Code),继日本和德国之后来自中国的第一项重大的机机械工程科技。”
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评审会议结束后,锅炉压力容器规范标准总委员会主席(GE公司的首席专家)握住了朱国辉的手向他表示祝贺,并说:“以后若有哪家公司要用你的技术做更大直径的容器,你们报告给ASME纽约总部备案就可以到现场制造”。
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“中国绕带式压力容器技术”获得了免于在美国再作任何验证试验的异常优惠条件,被允许在世界上推广制造内径达3.6米、壁厚达400毫米、长度达40米的各种尿素合成塔、石油加氢反应器等高压、高温、耐腐蚀等大型特殊贵重的重大承压装备,并被美国同行专家誉为未来21世纪的国际压力容器工程新技术。这实属不易!
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朱国辉教授的“中国绕带式压力容器技术”被正式列入了当今国际上最具权威、公认范围最广的美国机械工程师学会ASME锅炉压力容器规范标准,成为中国至今列入ASME锅炉压力容器标准的第一项重大机械工程技术。而他本人最早学的却不是化工机械学科,关于他的“转行”,其中还有一段故事。
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1955年毕业于浙江大学机械工程系机械制造专科的朱国辉,由于成绩优秀留校任教。恰逢当时的化机专业,需要一名机械制造专业的毕业生。由于对化工机械学科缺乏了解,留校的几位同学中只有朱国辉表示愿意去“转行”试试。在校园路上他遇到了他崇敬的王仁东教授,问:“化工机械是干什么的?他们说就是搞玻璃瓶瓶罐罐的,我们搞机械制造的到你这里有什么用?”王仁东教授耐心地一连用了四个“非常”解答了这个“门外汉”的提问。他说:“我们化工机械是一个非常好的专业。各种机械设备在不少专业都很难看到。非常特殊、非常庞大、非常昂贵、非常重要。”他说:“在化工机械领域,一个高压容器就有几百上千吨重,全部设备可能都是用不锈钢等特殊贵重的材料制成,包括核反应堆都是我们这个专业的范畴。我们哪里是搞玻璃瓶瓶罐罐啊!”朱国辉立即对当时这个学科交叉的新兴学科产生了兴趣,说:“好,我来!”这一来,就在王仁东教授指导下在其所开创的浙江大学化机学科研究所一直干到了退休。他和他的学生郑津洋教授等所发明推广的薄内筒扁平绕带式压力容器,先后由国内10家工厂制造了7000多台氨合成塔等各种高压容器,并推广应用于全国28个省市,产生的直接经济效益(利润)超过了10个亿,并获国家发明三等奖和国家教委科技进步一等奖等多项重大奖励,还由中国机械工业出版社出版了科技专著。目前,他的学生郑津洋教授等正将该技术扩展应用到其他新的重大应用科技领域。
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新方向:高压储氢容器
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半个多世纪以来,浙江大学化工机械学科不断适应新的变化和发展,从一个传统的学科领域逐渐演变成机械、化工、计算机、材料等各学科交叉、融合集成明显的学科。
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进入21世纪,清洁新能源的利用成为科技界的热门话题,也是未来的发展目标。氢气便是其中的一种。氢气的利用主要要解决4个大问题:氢气经济规模的制备、储存、运输和氢气的转化利用。
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2001年,金属材料所的一位老教授找到了化机学科的郑津洋教授,他说:“你们做高压的,能不能在储氢方面做些工作。日本已经做到350个大气压的罐子。你们能不能把它做到400个大气压?”郑津洋一听,觉得是个不错的方向,当年年底就与金属材料所的王新华教授联合申报了国家“863”项目,负责轻质高压储氢容器的研究。2004年成功拿出了样机,实现了储氢容器气压的提升,一下子把我国轻质容器的压力水平拉到国际先进的水平。
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这个成功点燃了他的研究热情,一发不可收。解决了车载储氢的问题后,郑津洋又想到能否建一个更大型的、技术要求更高的加氢站用高压储氢容器。恰逢我国准备在北京建第一座加氢站,走的也是高压的技术路线。得知消息后,郑津洋欣喜地与对方取得了联系,并将自己的想法道出,却被对方告知储氢容器的方案已经基本确定,将采用美国CPI公司的方案。
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