极寒、大风下如何保温防风?那些藏在南极秦岭站里的制造奥秘

  今年是中国极地考察40周年。40年来,在一代代极地工作者勇斗极寒、拼搏奉献、严谨求实的辛勤工作下,我国极地事业从无到有,由弱到强。

  极地考察水平提升的背后,是我国综合国力增长强有力的支撑。今天开始,我们推出《筑梦南极》系列报道。从南极秦岭考察站建设体现的制造力、考察成果体现的科技力以及考察队新老传承体现的更新力等方面,来关注我国南极科考。

  2月7日,也就是春节前夕,中国南极秦岭站开站,这是中国第五个南极考察站。它填补了我国在罗斯海区域科学考察的空白。

  在南极建房子,要做到保温防风,对建材要求非常高,不少奥秘都藏在地基里。一起去看一看。

  秦岭站位于罗斯海恩克斯堡岛,这里极端风暴频发,最大风力高达17级,并常年伴随风吹雪现象。秦岭站主体建筑落成的前几天,就经历了一场12级大风带来的考验。超强风作用到主体建筑地上部分产生风荷载,带来了巨大上拔力和高频率震动。

  中冶建研院中国京冶副总经理 张义:风荷载作用以后,它会给这个外形上造成很大的震动。所以要采用一种锚固技术,就好比帐篷一样,要固定在这个大地上。

  张义告诉记者,抵御十几级大风,打地基尤为重要。通过锚固技术,把钢杆深深打入到地下3米多深的岩层,然后再用灌浆材料浇筑,而钢杆构件的另一端则紧紧拉住建筑物的基桩,把地上建筑物紧紧锁定。

  在南极,海洋腐蚀环境、低温极冷环境都对建筑金属材料的耐蚀性、可靠性、耐久性等提出了极为严苛的要求,那么,锚固所用的施工材料又有什么特别之处?

  承担秦岭站锚固材料设计任务的中冶建研院专门建立了超低温模拟实验室,进行了不同材料模拟实验。在这里,研发出锚固必须用到的两种重要材料。其中之一就是一种特殊的不锈钢。

  中冶建研院中国京冶副总经理 张义:我们通过把不锈钢这种耐低温材料做成带精轧螺纹的外形,方便施加预应力,包括开发了一个旋转膨胀的装置。

  浙江富钢集团有限公司新材料研发负责人 潘宜杰:我们的超级锚杆系统可以承受零下40℃,190焦耳的冲击功。具有较高的耐点蚀当量(耐腐蚀性能),大约是常规碳钢锚杆耐蚀性能的60倍。能够满足严苛环境下的耐久服役要求和力学表现。

  在低温极寒的南极,普通胶凝材料无法凝结。因此,研发的另外一种重要材料,就是一种特殊的灌浆材料。

  中冶建研院中国京冶副总经理 张义:我们通过零下30℃低温环境的反复调配,开发了能够在零下25到27℃之间正常胶凝的一个水泥基的灌浆材料。

  这种灌浆材料,可不是普通的水泥浆,它不仅凝固速度快,还有很强的抗腐蚀防护性。为了验证锚固整套工艺的完整性、可靠性,科研团队还做了高频次震动下的抗疲劳测试。

  中冶建研院特材公司高级总工程师 宋涛文:这个材料是我们前期经过无数次实验确定的一个配比,这个材料配比可以确保它在南极负温的环境下,24小时也能达到30兆帕强度。

  记者了解到,为了确保两种地基材料在建设应用中的万无一失,我国科学家早在两年前,就两下南极模拟施工,为秦岭站打地基站提前打下坚实基础。

  秦岭站不仅在地基建设材料上取得多项技术突破,在供电保障上,也采用了低碳环保的全新太阳能发电系统,无论是发电效率、储能设施,还是应对低温都有不俗表现。

  秦岭站的光伏面积500平方米,平均日发电量能达到1000度电,相当于200个家庭的夏天用电。为达到如此高的发电效率,所用的太阳能电池实现了多个创新。

  中电科蓝天科技股份有限公司临近空间事业部总经理 呼文韬:采用了更先进的超薄的单晶硅电池,这个硅电池的厚度只有80微米。我们采用了双面对称的一个发电结构,它的背面也能发电。

  背面发电,可以充分利用积雪反射光来发电,增加发电量。不仅如此,在南极阴天海雾的情况下,电池依旧能高效工作。

  中电科蓝天科技股份有限公司临近空间事业部总经理 呼文韬:咱们正常光线%,遇到海雾的情况下,它的发电效率依然能够保持在21%到22%这种水平。因为这个电池采用了异质结构,它的特点就是在弱光的情况下,依然能保持一个良好的发电效率。

  记者了解到,常规电池在零下十几摄氏度的低温环境中,电能会衰减一半左右。如果在零下40℃以下,一般就很难释放出电能。而秦岭站的储电设施则无需加热,在极低温状态下,仍能正常工作。

  秦岭站的外立面采用的是不锈钢材质的幕墙,在南极的酷寒强风天气,这道幕墙必须能坚固地保护站内设施和人员的安全。墙里面有哪些门道?

  负责幕墙板材设计与施工的企业来自四川。企业负责人告诉记者,秦岭站项目造型复杂、对质量要求极其高,而最难的就是工期短,从设计安装到施工结束只有短短60天。

  四川佳科幕墙工程有限公司董事长 唐文:我们认为这是完全不可能的事情,正常6000平方米这么一个体量,如此的难度工期需要4个月以上。这里面有一个型材,这个型材它的开模的时间需要45天,那就意味着我们这个工程就没有时间来进行生产。

  四川佳科幕墙工程有限公司董事长 唐文:因为我们知道我们第四十次(南极)科考队的船是已经在码头上等我们了,所以我们没有一天的时间可以耽误,后来我们又特意找了一家深圳的厂家,24小时不间断,最后在15天时间完成了这个开模的任务,所以全部完成只花了两个月左右。

  南极气候环境恶劣,严寒低温风压大,常年积雪。如何在这种艰苦的自然环境里,为科考队提供安全、舒适、功能完善的空间环境,满足科考人员工作生活需求?这对幕墙材料研发团队提出了极高的要求。

  四川佳科幕墙工程有限公司南极项目组设计师 邓菲:在面板的选用上面我们经过了材料的多方对比,最终选用了3毫米厚的316不锈钢板。不锈钢板具有强度高可塑性好、韧性强、防腐蚀性强的特点,能够满足在这种极端条件下的使用。保温隔热是这个项目的重中之重,要避免室内形成热桥(现象),构造龙骨我们没有选用传统的钢铝等金属材料,我们选用的是聚氨酯型材,在聚氨酯型材腔内填充聚氨酯发泡剂,可以有效地避免热桥现象。

  四川佳科幕墙工程有限公司设计部总工程师 王茜:风速,包括风压、雪压都是经过了前期很多的实验来得到的。面板的计算我们是做了两个方面的计算,一个是根据规范上的一些经验公式来做的计算。另外,我们也在有限元的软件上经过了有限元的模拟,来双向论证我们计算的结果可靠性 。(记者李洁 宋云研 李卉)

  19192808极寒、大风下如何保温防风?那些藏在南极秦岭站里的制造奥秘3456国内新闻新闻稿2024-51-14