论文标题：Accurate Lifetime Design of Critical Mechanical Equipment for Clean-Energy Generation in the Context of Carbon Neutrality

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.09.029

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涂善东教授领衔的华东理工大学—日本东北大学联合研究团队，近日在中国工程院院刊《Engineering》发表了题为“Accurate Lifetime Design of Critical Mechanical Equipment for Clean-Energy Generation in the Context of Carbon Neutrality”（碳中和背景下清洁能源重大机械装备的精准寿命设计方法）的研究论文，第一作者为王润梓博士，涂善东教授为通讯作者。论文聚焦于清洁能源关键机械装备的精准寿命设计技术，特别是面向碳中和背景的损伤驱动寿命设计方法在高温结构完整性中的应用。

1. 文章导读：

随着全球气候变化加速，碳达峰与碳中和目标已成为各国共同遵循的发展方向。清洁能源将承担未来主要的能源供给，但其背后的关键机械装备，例如风机叶片、太阳能热场结构、核电系统高温部件等，普遍面临高温、高压、腐蚀和循环载荷等复杂工况。如何保证这些装备更可靠、更耐久，从而真正发挥清洁能源的减排潜力，是一项被严重低估但至关重要的工程科学问题。

本研究团队以此为切入点，构建了由“预测精度—延寿潜力—减排效益”组成的三级定量评价准则，并引入分层贝叶斯模型以刻画不同区域与能源类型下的多层级不确定性，从而为多情景运行状态提供概率化洞见。展望未来，精准寿命设计有望嵌入结构完整性评估的全链条技术“四棱体”，从根本上重塑关键机械装备的设计、制造、运行与维护路径，为构建可持续发展的工程体系奠定科学基础。

图 1. 全球气候变化背景下清洁能源系统面临的主要问题：(a) 碳中和的背景与总体目标，(b) 中国能源结构演进的目标取向，(c) 碳减排量化的核心关注点，(d)结构完整性全链条技术。

2. 研究内容：

清洁能源装备在实际服役中往往不是受到单一损伤，而是受到蠕变、疲劳、腐蚀、氧化等多种损伤的协同作用，其叠加方式呈明显非线性，会显著加速材料退化，使传统依赖经验公式和安全系数的寿命设计方法在现代能源系统中难以满足可靠性要求。为突破这一瓶颈，提出了一个以“损伤驱动”为核心的新寿命设计范式：通过识别关键部位的损伤类型、构建多模式损伤演化模型，并引入更精确的多尺度计算与实验数据校准，使寿命预测精度从传统方法的20倍误差带显著降低至5倍误差带以内，从而大幅提高寿命预测的可靠性。此外，研究进一步建立了“延寿潜力—减排效益”的定量关系，通过一个三级评价框架，将预测精度、延寿潜力与减排效益联系起来，发现高精度寿命预测能够显著扩大风能、光伏和核能的减排效益，最高可实现 2–5 倍的净减排增益。

图 2. (a) 传统经验型寿命设计与所提出的损伤驱动寿命设计的流程对比；(b) 清洁能源系统关键旋转装备的典型损伤识别示例；(c) 损伤驱动寿命预测方法。

图 3. 清洁能源系统的减排效益：(a) 三级评价准则框架；(b) 以核能装置为例，延寿系数与寿命预测精度关系。

图 4. 各类清洁能源发电技术的定量分析：(a) 在精准寿命设计中，碳减排收益、成本与延寿系数呈线性关系；(b) 净碳减排效益与预测精度的规律。

3. 研究总结：

这项研究为清洁能源装备的“可持续服役”提供了系统化路径：从材料损伤机理，到寿命预测方法，再到延寿带来的减排定量化评估，实现了从工程可靠性到能源减排效益的跨尺度衔接。研究表明，在可靠寿命预测的前提下，清洁能源系统的延寿策略可以实现减排价值的最大化。未来，这一寿命设计思想将成为结构完整性全链条技术体系的重要组成部分，为清洁能源基础设施的长寿命、安全性与碳中和贡献提供坚实的工程支撑。

作者介绍

涂善东，华东理工大学教授，中国工程院院士。研究领域为高温结构完整性原理及高温高压装备安全技术。兼任中国机械工程学会压力容器分会及材料分会名誉理事长、中国结构完整性联盟主席、中国机械工程学会副监事长、中国化工学会会士、诺丁汉大学名誉教授、国际机构学与机器科学联合会可靠性委员会委员、国际压力容器学会亚大地区主席、国际动力与推进学会执委；担任IJPVP、FFEMS、JMST、APEN、NDT&E、压力容器、化工进展等期刊编委。先后主持国家杰青、国家基金重点、国家重点研发等项目；出版专著4部，发表论文450余篇，他引2万余次。获国家科技进步一等奖1项，二等奖3项，国家发明二等奖1项，国家级教学成果二等奖2项。

论文信息：

Run-Zi Wang, Wen-Rui Nie, Chuanyang Lu, Zhengyang Zhang, Yipu Xu, Yutaka S. Sato, Hideo Miura, Xian-Cheng Zhang, Shan-Tung Tu, Accurate Lifetime Design of Critical Mechanical Equipment for Clean-Energy Generation in the Context of Carbon Neutrality, Engineering, 2025

开放获取：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.09.029

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