蛇年春節(jié)前兩天，山西大同的氣溫降至零下24攝氏度，寒風(fēng)刺骨。
老家遠(yuǎn)在千里之外的中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究員張壽春還堅守在大同的產(chǎn)業(yè)園區(qū)，為即將竣工的高端碳纖維項目安排春節(jié)前后的工作。
碳化廠房。張壽春供圖
高端碳纖維材料作為一種高性能的新材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、核能等重點產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域。該項目是山西省重點支持的“年產(chǎn)200噸T1000級高性能聚丙烯腈基碳纖維示范項目”。
張壽春告訴《中國科學(xué)報》，現(xiàn)在正是該項目的設(shè)備調(diào)試關(guān)鍵階段，即將收尾。盡管天氣嚴(yán)寒，但園區(qū)內(nèi)的科研人員和施工團隊依然堅守崗位，做最后的沖刺。
距離正式投產(chǎn)“一步之遙”
在大同的產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)，一座現(xiàn)代化的高端碳纖維生產(chǎn)基地已經(jīng)初具規(guī)模。
該項目自2012年立項以來，歷經(jīng)了十幾年的研發(fā)，在2023年正式邁入施工建設(shè)階段。
張壽春作為項目的技術(shù)負(fù)責(zé)人，心情激動而復(fù)雜。“距離正式投產(chǎn)只有‘一步之遙’。”然而，嚴(yán)寒的天氣為項目進(jìn)展帶來了巨大挑戰(zhàn)。
自入冬以來，大同地區(qū)頻繁遭遇嚴(yán)寒天氣，室外最低氣溫驟降至零下二十幾度。在產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)，由于暖氣尚未接通，廠房內(nèi)最低溫度達(dá)到-16℃。
張壽春介紹，在低溫條件下，施工難度進(jìn)一步加大，混凝土澆筑和管道焊接工作都需要采取特殊措施，不可避免地導(dǎo)致施工效率下降。部分設(shè)備在低溫環(huán)境下也出現(xiàn)了啟動困難、運行不穩(wěn)定等問題，給單機調(diào)試工作帶來了諸多不便。
科研人員和施工團隊開始自備鍋爐，試圖通過臨時供暖來解決部分設(shè)備的調(diào)試問題，但項目工作仍面臨諸多挑戰(zhàn)。
其中，室外的純化裝置是項目的關(guān)鍵設(shè)備之一。純化裝置對于管道布置的要求近乎苛刻，每一處細(xì)節(jié)都可能影響到整個流程的效果。恰逢寒流過境，零下二十度的低溫讓呼吸都變得沉重。僅僅十分鐘，刺骨的寒意就穿透了科研人員的層層衣物。
“坡度不對！”科研人員的聲音在寒風(fēng)中顯得格外清晰。他們發(fā)現(xiàn)，物料管道沒有依據(jù)管道儀表流程圖設(shè)置坡度。張壽春說，這個問題看似微小，實則影響重大，如果物料流動不暢，輕則影響項目效率，重則可能引發(fā)設(shè)備故障。
時間緊迫，科研團隊爭分奪秒，迅速協(xié)調(diào)了業(yè)主方、設(shè)計院和施工方進(jìn)行整改，及時避免了管道施工不合格可能帶來的故障風(fēng)險。
與此同時，室內(nèi)低溫也給設(shè)備運轉(zhuǎn)帶來了諸多問題。由于氣溫過低，設(shè)備內(nèi)的潤滑油在低溫下凝固，導(dǎo)致部分進(jìn)口泵閥啟動困難，運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。為了解決這一問題，科研人員更換了潤滑油，并對設(shè)備的轉(zhuǎn)動元件進(jìn)行了預(yù)熱和保溫處理，確保設(shè)備能夠在低負(fù)荷下順利啟動和運行，為項目的正常運行提供了有力保障。
“項目進(jìn)展比預(yù)期延后了一個月，后面應(yīng)該能趕上來。”張壽春說，盡管如此，該項目的施工進(jìn)度依然是近年來同類工程中速度最快的。
“新材料之王”的國產(chǎn)化替代
碳纖維及其復(fù)合材料兼具高強、高模、低密度、耐高溫等優(yōu)良特性，被譽為“新材料之王”，從航空航天到體育用品，它幾乎無處不在。張壽春舉例說：“每架C919飛機大約需要使用4到5噸的高端碳纖維材料；而一個10MW大型風(fēng)力發(fā)電機的葉片需要用到7噸左右碳纖維。”
高端碳纖維及復(fù)合材料被列為關(guān)鍵戰(zhàn)略材料，其技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，與我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展緊密相連。
張壽春告訴《中國科學(xué)報》，我國碳纖維研發(fā)工作起步于1976年，但前期發(fā)展極為緩慢。進(jìn)入21世紀(jì)以來，在國家科技與產(chǎn)業(yè)計劃的支持下，我國高性能碳纖維生產(chǎn)工藝技術(shù)、裝備技術(shù)及應(yīng)用等方面取得了較大進(jìn)展。但我國碳纖維行業(yè)相關(guān)技術(shù)水平總體上仍然落后美日發(fā)達(dá)國家，高端碳纖維等關(guān)鍵領(lǐng)域碳纖維尚未實現(xiàn)單線數(shù)百噸級的穩(wěn)定化生產(chǎn)。
“突破高強碳纖維低成本規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)、高強中模碳纖維及高強高模碳纖維穩(wěn)定化生產(chǎn)技術(shù)，滿足高端裝備用碳纖維及其復(fù)合材料全面自主保障需求，是我國新材料產(chǎn)業(yè)未來10年重點支持和發(fā)展的方向。”張壽春說，正是出于這種前瞻性考慮，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所在2012年自籌資金啟動了相關(guān)項目。
經(jīng)過十幾年的技術(shù)積累，張壽春和同事們通過對核心工藝的深入研究和優(yōu)化，終于突破了關(guān)鍵技術(shù)，使得碳纖維的強度、模量和韌性等性能指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，并提高了生產(chǎn)過程的碳化效率和質(zhì)量穩(wěn)定性。
與此同時，山西省作為我國重要的能源基地，一直致力于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級。2022年，大同市政府、華陽新材料集團、中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所立足新發(fā)展階段，共同簽訂了碳基新材料項目合作協(xié)議，在大同市建設(shè)高性能碳纖維生產(chǎn)基地，落地T1000碳纖維產(chǎn)業(yè)化，推進(jìn)M40X碳纖維、復(fù)合材料等應(yīng)用研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。
“一期項目完成后，將形成200噸/年的T1000級高性能聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)能力，為航空航天、民用高技術(shù)領(lǐng)域提供國產(chǎn)化的關(guān)鍵碳纖維材料支撐。”張壽春說。
與時間賽跑的“破局”
“我們技術(shù)方組建了一支約50人的高素質(zhì)、富有經(jīng)驗的技術(shù)團隊，包括專業(yè)的工藝技術(shù)人員、設(shè)備技術(shù)人員和一線生產(chǎn)操作人員，全程跟蹤和參與項目建設(shè)。”張壽春是這支技術(shù)團隊的負(fù)責(zé)人。
一方面，他要負(fù)責(zé)總體技術(shù)工作，帶領(lǐng)技術(shù)團隊完成項目基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)包設(shè)計，制定安全操作規(guī)程、工藝技術(shù)規(guī)程、聯(lián)調(diào)聯(lián)試方案、開停車方案等生產(chǎn)作業(yè)文件，開展設(shè)備聯(lián)合試運轉(zhuǎn)和實現(xiàn)達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)等。
另一方面，他還要承擔(dān)部分管理協(xié)調(diào)工作，包括協(xié)調(diào)項目節(jié)點進(jìn)度、組織一線生產(chǎn)操作人員技術(shù)培訓(xùn)和生產(chǎn)實操模擬等。
張壽春表示，為了保障嘔心瀝血完成的科研成果能真正變成先進(jìn)生產(chǎn)力，在項目建設(shè)過程中，科研人員始終堅守一線，與施工人員緊密合作，承擔(dān)技術(shù)指導(dǎo)、方案優(yōu)化和質(zhì)量控制的重要職責(zé)。
冰冷的廠房內(nèi)外，他們共同勾勒出一幅“如火如荼”的繁忙景象。
在車間凈化系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)的施工環(huán)節(jié)，科研人員擔(dān)當(dāng)起技術(shù)導(dǎo)師的角色，對裝置內(nèi)配套公輔設(shè)施的施工質(zhì)量要求進(jìn)行細(xì)致入微的技術(shù)講解。他們以專業(yè)的眼光，結(jié)合設(shè)計施工圖紙，對現(xiàn)場實際施工情況進(jìn)行全面審查，不放過任何一個細(xì)節(jié)，查漏補缺，提出具有針對性的整改和優(yōu)化方案。
在核心設(shè)備質(zhì)量控制與檢驗等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，科研人員更是嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。他們對核心設(shè)備安裝施工過程中使用的原材料、設(shè)備零部件以及施工工藝進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗。通過原材料的抽樣檢測、設(shè)備零部件的性能測試以及施工工藝的現(xiàn)場監(jiān)督等手段，確保每一項施工內(nèi)容都精準(zhǔn)符合設(shè)計要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為項目的順利推進(jìn)保駕護(hù)航。
技術(shù)團隊定期參與施工例會，與施工管理人員及一線作業(yè)人員交流施工進(jìn)度、技術(shù)問題和安全狀況，及時掌握現(xiàn)場需求。一旦施工過程中遭遇技術(shù)難題，信息便迅速反饋至科研人員，他們則火速趕往現(xiàn)場，憑借專業(yè)知識和經(jīng)驗，為問題的解決提供指導(dǎo)。
“通過這種緊密合作，科研人員和施工人員形成了一個高效的工作團隊，共同克服了施工過程中的各種困難，確保了項目的順利推進(jìn)，打造高效、安全、優(yōu)質(zhì)的精品工程。”張壽春說。
在未來三個月內(nèi)，項目將完成生產(chǎn)線所有設(shè)備的調(diào)試驗收工作。
這是一場與時間賽跑的“破局”。“我國高端裝備等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，亟需高端碳纖維產(chǎn)品及應(yīng)用技術(shù)，實現(xiàn)高端碳纖維的國產(chǎn)化、低成本化制造已迫在眉睫。”張壽春說，項目成功投產(chǎn)后，這里將成為國內(nèi)高端碳纖維材料的重要生產(chǎn)基地，并有望為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供國產(chǎn)關(guān)鍵原材料支撐，為推動區(qū)域經(jīng)濟戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型和我國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。
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