师德师风建设专栏

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储建故事||力学的科研与学科建设回顾--蔡先生是我们的开山人

时间:2018-06-08浏览:409

建校初期,我们力学教研室承担的任务就是搞好校内各专业的基础力学教学,具体任务是开设各类理论力学、工程力学和材料力学课程,逐步开出各专业要求的力学选修课;组建一支能承担这一教学任务的力学师资队伍;筹建一个能满足材料力学大纲基本要求的力学实验室。由于当时教学任务繁忙,教研室工作重点主要放在提高教学质量、制定教学法规、讲好一堂课、培养青年教师等方面,而科研工作还处在摸索阶段,由教研室学术带头人在完成教学工作之余,探索自己科学研究方向。他们当时或作一些专题理论分析,写出论文;或为北京市力学学会对全市青年力学工作者开专题讲座,为本系、本教研室教师开设数学、力学提高课;或结合专业教研室的科研需要,作一些配合性工作,如参加专业教研室钻井井架、化工设备的应力测试和力学分析计算工作。

到了上世纪六十年代初,蔡强康教授首先在教研室内带头跨出校门,到玉门油田第一线,深入采油井队,参加震动泵采油试验,开展理论分析研究。到大庆油田深入生产第一线考察学习,探索我们力学科研如何与油田生产相结合,如何为生产第一线服务。六十年代末以后,开始逐步形成以我为主,独立承担一些石油生产建设中提出的科技项目。19685月我们承担了胜利油田提出的进口车装1500米修井机井架验收应力测试工作;七十年代初我们参与济南柴油机厂大型柴油机强度和振动问题研究;1975年蔡强康教授带领教研室青年教师与中科院力学所、同济大学、东北输油管线设计院等生产科研单位,共同承担了上海石化总厂当时国内最大的5万立方米浮顶油罐应力测试验收项目;1977年夏,蔡强康教授带领教师和学生参加东八三疗宁地区大型输油管线的弯头、三通开挖检查项目;1979年又承担了北京市第二热电厂高温渣油管线通油现场应力测试验收项目;1978-1980年我们还参加了北京市大型热力管线试验研究项目。这些科研实践活动为我们从纯教学基础课教研室向教学与科研并重的方向转型,为我们力学教研室独立承担大型科学研究项目,迈开了强有力的一大步。此后随着改革开放,国家经济建设发生了翻天覆地的变化,石油工业发展日新月异,生产规模不断扩大,产量不断提高,特别是石油勘探、开发、运输、炼制、储存等各个生产环节不断发展,不断创新,采用新材料、新工艺、新技术、新设备、新措施,相应地在生产中出现了很多新情况,新问题,不少问题一时还成为生产中的“瓶颈”和“拦路虎”,给石油生产者、管理者和科技工作者带来极大挑战!同时也给我们教研室的发展带来很多机遇!在蔡强康教授、崔孝秉教授等学术带头人率领下,我们先后承担了国家和石油部下达的埋地热输管道强度研究、定向井/水平井的井眼轨迹控制技术研究、注水油田油水井套损机理研究等一系列研究课题,并在这些领域内取得了一批有影响的成果。

热输管道强度问题是石油储运工程中人们非常重视的问题之一,在20世纪60年代,由于成功开发了大庆油田,靠铁路运输原油已远远跟不上需求,当时修建了铁秦、铁大等长距离大口径输油管线,由于管线运行中某些地方弯头发生变形,影响管线通球清扫。也曾发生过管线局部破裂而引起油品泄漏事故,造成环境污染以及减产、停产。19763月国家为修建川汉大口径输气管线做准备,我们承担了石油部下达的“大口径弯头、三通强度研究”课题,我们立即对在役管线开展现场调研,对Ф720大口径90°、45°弯头的力学性能进行大规模试验和理论分析。进一步又发展为对埋地热输管道的强度问题进行比较系统的理论和实验研究。研究中我们在国内外首次提出了弹性抗弯铰,用来分析埋地热输管线弯头温度内力和温度应力,获得了满意的计算公式,同时又应用有限单元法得到了较精确的数字解。特别通过与北京市公用局等单位合作,长期进行了规模较大的管道实验,得到了一定数量的良好实验数据,验证了所得公式的可靠性。历经五年艰辛工作,获得了一系列带有基础性的研究成果,石油部验收鉴定评价:研究成果达到了国内外先进水平,在埋地热输管线弯头设计中,有较重大的使用价值。这是第一个以力学教研室为主与设计部门及现场合作取得的一项重大科研成果。获得了学校改革开放以后首次两项校科技进步一等奖之一,同时获得了山东省1982年科技进步一等奖。

此后,又进一步扩展对埋地管道强度及固定墩优化设计研究、城市供热管道强度研究、石油炼厂及化工厂架空管道强度研究、海底输油管道强度研究及安全性评估等多个项目。这些研究成果或被收入相关规范,或很快得到生产应用和推广。《轮库输油管道承压能力研究》使几乎宣布报废的管道起死回生,使轮库输油管道继续运行,获得塔里木油田的好评。在中国石油天然气总公司科技发展局支持下开发的《浅海海底管道设计软件》,也提供给胜利、辽河、大港和冀东油田应用多年,取得应用实效。进入21世纪以来,针对我国许多早期建设的长输管道,提出长输管道剩余强度和剩余寿命的评价方法,为在役管道的安全运行提供科学依据,已取得良好的社会和经济效益。经过多年的学术积累,已出版学术专著《管线力学》及本科生教材《管道和储罐强度设计》,这些都是蔡先生多年来带领青年教师的丰硕成果。

当前,西气东输和跨国管道的建设与投产,工程浩大,参加这些工程的技术队伍里也有不少人才是在我们教研室受过培养的专家,和受过蔡强康教授指导的专家。他们都为西气东输工程做出了重要贡献。

井眼轨迹控制是石油定向钻井和水平钻井的关键技术之一,它不仅包含井斜角的控制,还包含了方位角的控制,为了有效地控制定向井、水平井的井眼的轨迹,使其尽量沿着原先设计的轨迹钻进,准确达到靶区,提高井身质量,缩短钻井周期,降低钻井成本,因此,开展对井眼轨迹控制的理论研究,具有巨大的经济效益和社会效益。蔡先生领导的课题组积极承担了“七五”和“八五”国家重点科技攻关项目《定向井井眼轨迹控制技术研究》和《水平井井眼轨迹控制技术研究》,多次去油田调研,收集资料,深入地对定向井、水平井井眼轨迹控制技术进行理论研究和应用研究,提出了下部钻具组合的三维力学分析模型、弯曲井眼中钻柱的摩阻力分析方法以及井眼轨迹的数学描述方法,在国家重点科技攻关项目中期评估会和项目鉴定会上均获得广泛的好评。《定向井井眼轨迹控制技术研究》于1990年获中国石油天然气总公司(部级)科技进步特等奖。《水平井井眼轨迹控制技术研究》于1997年获国家级科技进步一等奖。蔡先生很注意科研成果的应用,开展了《大港油田方位漂移规律的研究》,深受大港油田的好评,1994年获大港石油管理局科技进步一等奖。并出版了专著《有限元法在钻柱力学中的应用--井眼轨迹控制理论与实践》。

在油田开发中,针对不同油田特点,生产中采用了很多新的强化采油工艺,如高压注水,注蒸汽、注聚合物、压裂等,使石油开发取得了很好的经济效益,但也随之加剧了套管损坏。大庆油田从20世纪七八十年代起,油水井套管损坏问题日趋严重,造成油田开发重大经济损失。1984年,我校组织了以矿机专业、钻井专业、力学专业的专家教授为首的多学科、多专业的课题组,接受了石油部下达的延长石油套管使用寿命的研究课题,我们深入到油田各套损井现场反复进行实地调查,查岩心,查套管损坏断口的铅模,结合地质及开发资料,经过与油田专家共同分析操作,同时通过实验和理论研究,破除了一些错误概念的束缚。力学课题研究组针对大庆地质构造和生产开发中的典型状况,创造性地建立了可靠的数学物理模型,进行了有限元数值分析,计算结果与油田实际套损规律反应的岩层位移量基本相符合,其变形特性也相符合。首次提出了一系些列新概念,如岩层进水形成“浸水域”、地应力释放使地层产生“位移性载荷”、“多载荷组合”等,并提出了相应的套损机理,和油田专家共同制定出一系列新的防治方法和“法规”。实施效果显著,使大庆油田的套损率迅速下降,取得了连续九年保持低值套损率的突出效率。其后,套损研究又进一步延伸至热采井、出沙井等的套损机理和防治方法研究,同时还开展了一系列套管强度及其特殊丝扣强度和密封性研究,也对油田管柱结构强度设计及稳定性方面进行了多方面研究。

自上世纪八十年代以来,通过科研实践,我们明确了学科科研重点,首先要应用力学的基础理论和方法解决石油生产和工程中的重大关键力学问题。我们先后在油气钻井、开发、储运工程中的结构分析、振动与控制、岩石力学及非线性力学等方面开展研究工作,并在油气井管柱、油气输送管道的强度与安全、地面工程的地质灾害防治、油气装备工程分析等方面形成某些较稳定的研究方向,在校内拟构筑起承担这些方面国家重大科研任务的学术平台,如已承担和完成了国家863课题“水下干式管道维修系统子课题--密封与封堵”(2002AA602012-2)的研究任务。目前我们学科正积极参加国家重大专项研究课题、973课题、国家自然基金等几十项研究任务,科研经费已达上千万元。

在以蔡强康教授为首的学科带头人带领下,我校力学科研室从建校至今,已经经过几代人近六十年艰苦奋斗,默默奉献,经过多方面探索,通过与石油厂矿生产部门紧密结合,与学校内外科研院所、设计部门密切合作,从无到有,从小到大,已从纯基础课教学型教研室转化成为一个教学科研型系所。总结起来,有很多方面我们应该坚持的:

第一,自始至终都要认真抓好德才兼备的师资队伍建设。建校初期我们以招聘国内外专家和选留校内有关专业优秀毕业生作助教为主,建立师资队伍。上世纪五十年代末、七十年代末曾先后举办了力56、力77两届本科力学师资班,为本校和石油院校集中解决了当时力学师资短缺困难。以后为了解决师资“近亲繁殖”和提高师资学位水平,先后与国内著名高校和科研院所合作委托培养硕士、博士;或送派教师作访问学者,到国内外学习考察外校的先进经验和学术特长,以开拓我们的视野。在青年教师培养使用上,我们坚持:凡没有搞过教学的新教师,必须先过“教学关”,指定教学优秀的老教师专门负责指导,参加听课、实验、答疑、批改作业、写讲稿、试讲等教学环节,经考核合格后,才正式承担主讲任务。重视师德培养,树立起教书育人,当一个合格的力学老师。

第二,建立一个与承担的教学、科研相匹配的先进力学实验室。自上世纪八十年代以后,在不断完成研究课题的同时,重视长远的实验室规划和建设。1982年花了35万美元在全国第七家从美国引进了世界上先进的MTS810材料实验机,建立了断裂疲劳实验室,以后又相继建立了激光光弹实验室、大型结构实验室。随着学科发展和科研任务增多,随着国家211工程启动,我们先后引进了高频疲劳实验机、数字式万能实验机、振动系统以及ANSYSABAQUS等设备、软件,建立起比较先进的、功能强大与承担的教学、科研项目相适应的“工程力学实验中心”。我们特别注意选拔有机电特长、素质优秀的教师担任实验室主任,重视实验人员实验技能和管理能力的培养,应使分管的设备、仪器处于完好、备用状态。

第三,抓紧时机,适时快速有序地开展学科建设。随着我国石油工业高速发展,石油生产中大量开发、引进了很多先进技术、先进工艺、先进设备、先进材料和先进的开发理念,从而突出要求我们培养有更高质量、更高水平的技术人才!具体到我校力学学科就要担负起培养具备扎实的数学、力学基础理论和较强的外语与计算机应用能力,并在结构工程与优化设计、软件设计与应用、强度计算和油气田工程力学问题研究方面得到专门训练的复合型高级人才。其根本目的就是立足石油、化工,面向社会,服务于国民经济建设和社会发展的需要。为此,我们很久以来,渴望为国家建设、为石油工业高速发展,培养具有一定石油特色的力学专业本科生、硕士生、博士生,建设一套完善的学科体系。早在1961年蔡先生就开始招收、培养研究生,上世纪八十年代初他先后带领力学学科参加我校石油机械工程硕士点和石油储运工程博士点的申报和建设工作。近廿年我们加速了学科建设,我校工程力学学科于1990年获得了工程力学专业硕士学位授予权;2001年首次被批准招收工程力学专业本科生,现已有五届毕业生,质量良好,受到用人单位欢迎,就业率达到95%以上;2005年我们获得工程力学专业博士学位授予权;同年,我们的工程力学硕士点又被批准为力学一级学科硕士点(它包含一般力学与力学基础、固体力学、工程力学、流体力学四个二级学科)。今年根据学科发展水平和取得的成果,根据承担的任务和责任,正在积极申报力学一级学科博士点。我们正在满怀信心,踏踏实实将科学研究和学科建设继续做好做强!以期取得更好的成果,培养更多国家急需的高水平科学技术人才。

饮水思源,我们中国石油大学的力学同仁和弟子们永远都不会忘记,在科研和学科建设方面的这些成就,都是和我们‘开山人’蔡强康教授的名字分不开的!在庆祝他九十华诞的时候,我们恭祝他老人家寿比南山!福如东海!健康又长寿!

岳伯谦执笔,2010627日于北京