记我国著名材料科学与石油管工程专家李鹤林院士
2021-04-07 16:50:23 作者: 计科宪 来源:陕西网 分享至:

今年是李鹤林院士与我国石油工业结缘的第60个年头——自1961年作为西迁后第一批新生从西安交通大学毕业后,他一直在石油机械用钢和石油管工程领域矢志奋斗,并取得一系列重要的成果,为我国石油工业做出了重大贡献。


李鹤林1937年7月出生在汉中南郑。少时因家境贫困,上完初中一年级第一学期就辍学了。此后两年多,他一边参加劳动,一边自学初中课程,后来以同等学力进入高中,完全靠国家助学金才得以完成高中及大学学业。这使李鹤林始终对党和政府怀有深深的感激之情。

1960年11月,即将大学毕业的李鹤林和几位同学按学校的安排来到兰州石油化工机器厂中央实验室进行毕业实习——该厂是我国“一五”期间苏联援建的156项重点工程中的两项,也是我国石油和石化机械制造领域的龙头企业。

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李鹤林在作学术报告

李鹤林他们带来的研究课题“石油钻井钻头材料及热处理工艺研究——兼论渗碳钢的强度问题”瞄准的是当时我国石油钻井钻头材料奇缺、进尺奇低的痛点和窘境。因此,他们的课题,被企业直接列为工作重点和技术关键。

然而,攻克技术难关谈何容易?

在进行钻头用钢渗碳工艺研究时,一次次开炉试验,炉温从930℃一步步下降到320℃,却仍是一次次失败……一方面,他们要全面推翻苏联的技术指标、材料和工艺规程,建立属于我们自己的一套工艺体系;另一方面,他们还不得不与那无法抗拒的饥饿作斗争——实习期间,粮食定量低,而且多是杂粮,极少蔬菜和副食。

为此,李鹤林只好严格控制伙食定量,每天尽量只吃9两粮,余下1两备“开夜车”或劳动之用。没过多长时间,就有人出现了浮肿。李鹤林个子高、块头大,浮肿尤其严重。对此,他硬是凭着超出常人的意志力顽强抵抗。他在日记中这样勉励自己:“有人总把艰苦奋斗看作是莫大的苦事,而我们感到艰苦奋斗中有最大的快乐。”

就是在这样的艰苦条件下,李鹤林和同学们咬着牙坚持做实验,搞分析,做记录,写论文。当时的实习实验笔记本被李鹤林保存至今——那是一个不足32开的厚厚的小方本,里面密密麻麻记录着成千上万的实验数据,封面上“西安交通大学”几个字仍熠熠闪光。

“那篇毕业论文,我自己并不十分满意。但是多年后我才得知,毕业后我被分配到位于宝鸡的石油工业部钻采机械研究所,与石油用钢结缘,以及后来在石油管工程方面的科研生涯,我这一生的工作,都与这篇论文有关。”2020年7月29日,在石油管工程技术研究院的办公室里,回忆起60多年前的学习、实习生活,一幕幕犹在眼前。

就这样,李鹤林一头扎进了中国石油工业的大潮之中,至今已整整60年。

两次挑战

参加工作不久,李鹤林迎来了两次挑战。

石油钻采机械研究所对新来的大学生的安排是,从制图和描图开始,把组装图分拆成零件图,或者把零件图变成组装图。精通制图,是成为一名优秀设计师的第一步和必修课。

在制图的过程中,李鹤林发现很多很重要的石油机械零件在材料选择上存在问题,甚至有些零件的技术要求都有错误或不当的地方。

经过向领导请示汇报,他和同时进所的一位同学兼同事领命搞了一项“抽油杆闪光对焊与焊后热处理工艺研究”的课题。

他们夜以继日地用了一个月时间就完成了这项任务,成果应用于宝鸡石油机械厂,大大提高了闪光对焊抽油杆的产品质量和产品合格率。

不久,李鹤林又迎来了一次挑战:上海某厂援助阿尔巴尼亚的B型吊钳等石油机械产品在出厂负荷试验时,出现了关键零部件断裂等严重质量问题。为此,石油工业部责成钻采机械研究所调查处理。年轻的李鹤林作为工作组成员奔赴上海。

经过一番缜密的调查和研究,产品质量问题与设计无关,主要是热处理工艺问题。于是,工作组其他人都返回宝鸡,李鹤林作为金属材料及热处理专业人员被单独留了下来。此后的半年里,李鹤林充当了上海这家工厂的热处理技术员,承担起改进B型吊钳钳头和牙板等关键零件的热处理质量任务。

初出茅庐就独当一面,而且是在一个陌生的环境里。但李鹤林凭着扎实的专业功底,全身心投入工作,夜以继日,埋头攻关,最终使这家厂子的热处理水平上了一个台阶,B型吊钳出场负荷试验合格率也一举由30%变成了100%。

因为这两次工作表现突出,李鹤林当选为研究所评选的4名“五好青年”之一,年底又成为全所年度评功授奖的8人之一,带上了鲜艳的大红花。

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李鹤林在石油工业部编写《石油机械用钢手册》时留影

此后,他不但担起了编写二百万字的《石油机械用钢手册》的重任,还起草了《石油工业钢铁革命规划》,参与筹备召开“石油工业部钢铁革命会议”,并一度得了个石油工业部“钢铁发言人”的美誉。

在石油工业部钢铁革命会议上,李鹤林除了宣讲《石油工业钢铁革命规划》外,还作了题为《机械设计中选择钢铁材料的一些问题》的特邀报告,提出了机械设计中选择钢材的五项基本原则,“其目的在于引起人们重视这个问题,以便尽快使我国石油机械在性能、重量、寿命和制造成本等几个方面,赶上世界先进水平”。

一个刚刚工作了几年的大学生,也并未担任任何职务,却能够独立承担石油机械用钢的基础工具书,主持编制“以钢为纲”那样一个特殊年代的石油工业钢铁革命规划,一针见血地揭示问题的本质,并提出自己的真知灼见,高屋建瓴地总结问题,思考业内赶超世界先进水平的长远规划——石油工业部“钢铁发言人”并非空有虚名。

矢志科研

此后,不管是在宝鸡石油钻采机械研究所、宝鸡石油机械厂,还是在中石油管材研究中心(所)、石油管工程技术研究院,几十年的时间里,李鹤林带领其科研团队开展了一系列石油机械用钢和石油管工程领域的科研攻关,并获得了一个个奖项:

《高强度高韧性结构钢》《无镍低铬无磁钢》《轻型吊环、吊卡、吊钳》《防硫防喷器》等4项获1978年全国科学大会重大科技成果奖;

《钻杆失效分析及内加厚过渡区结构对钻杆使用寿命的影响》《提高钻柱安全可靠性和使用寿命的综合研究》等3项获国家科技进步二等奖,《宝石牌单臂吊环》(推广应用)、《泥浆泵双金属缸套》等2项获国家科技进步三等奖;

《油层套管射孔开裂判据及影响因素研究》等5项获部省级科技进步一等奖;

《钻柱失效案例库及计算机辅助失效分析》《钻铤失效机理及用钢技术研究》等8项获部省级科技进步二等奖;

《钻杆接头用钢及热处理工艺研究》《非调质N80套管破裂原因分析研究及反馈》等6项获部省级科技进步三等奖……

在完成上述科研成果的同时,李鹤林还主持了200多项重大失效分析项目。这些失效分析项目的年社会经济效益达亿元。其中,部分进口装备和器材的失效分析成果,累计向外商索赔上千万美元,维护了国家利益。

此外,李鹤林还出版专著和论文集15本,在国内外刊物上发表300多篇论文,有些论文已收入国际权威的SPE论文集。一些同行提起李鹤林,都称他是一位“高产专家”。

有这样几件事铭刻在李鹤林的记忆中。

1965年12月的一天,正在北京编写《石油机械用钢手册》的李鹤林接到通知,“铁人”王进喜到北京开会,“你去听听他对试验新钢种、改进石油机械的意见吧!”

“我人生一次历史性见面,就这样发生了。”后来,经常回忆起自己和“铁人”见面场景的李鹤林,称之为“历史性见面”。

两人整整交谈了三个小时。李鹤林详细介绍了《石油机械钢铁革命规划》,王进喜非常高兴,认为这正是广大石油工人所期盼的,他特别强调要把吊环、吊卡的重量减下来,把吊钳的安全性提高上去。“现在我们用的‘三吊’,都是外国货,一个个肥头大耳,钻井工人凭体力操作和搬动,三十多岁就干不动了。你们要赶紧造出我们自己的东西,把那些傻大笨粗的洋玩意儿赶下我们的钻台!”

“铁人”的话重重地敲打在李鹤林心上。几个月后,他回到宝鸡石油机械厂,一头扎进轻型“三吊”的研制工作中……

其中的艰辛只有亲身经历过才能体会。

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在李鹤林(正面照左二)见证下,国家石油管材质量监督检验中心对国产特殊螺纹接头油套管进行上卸扣实验

一次大吨位轻型吊环试验,当油压机的指针指向190吨时,“嘣”的一声,吊环断了,一节钢棒像出膛的子弹,贴着李鹤林的头皮呼啸而过。真险啊!哪怕再偏一分一毫,后果都不堪想象。

钢的成分设计试验是在小型高频炼钢炉进行。有一次炼钢时,高频炉突然被击穿,1600℃的钢水向外喷流。李鹤林什么都来不及想就冲上去灭火,衣服烤糊了,双腿都被烧伤,火辣辣地疼……

试验室人手短缺,李鹤林就当起了搬运工,在相距三四里的东、西两个厂区之间拉着架子车来回搬运试验材料……

李鹤林后来回忆说:“那几年,我们做了多少次试验,记录了多少个数据,熬了多少夜,加了多少班,有多少休息日、节假日搭了进去,谁也记不清楚了。”

但是,有这样一个大数,那就是一个拉伸试验棒大致只有几十克重,而他们做实验整整用掉了10吨钢材——人工一根一根试验,以10万次计的试验后,终于获得了最后的成功。

1970年,大庆油田的王进喜和他的1205钻井队收到了李鹤林寄来的两副小吨位轻型小吊环。这种新吊环,重量只有原来的1/3左右,已近50岁的王进喜一个人就能举起来。

李鹤林还把新型吊环亲手送到四川油田钻井工人手中,那些看惯了傻大笨粗的老吊环的钻井工人,一看这小玩意儿,个个爱不释手,吊环从一双手传到另一双手。这些铁打的汉子还用他们粗糙的手精心扎了大红花戴在吊环上……

回想起这段经历,李鹤林非常感慨地说:“没想到当年王进喜的一席话,竟使我们干了整整17年的‘三吊’!”

我国著名的物理冶金及材料强度专家涂铭旌院士这样评价李鹤林的石油机械用钢研究,说他“打破了许多传统观念的束缚,创造了大幅度减轻石油机械重量、改变傻大笨粗面貌的惊世奇绩,并且使大批产品寿命延长,达到一顶几。”

李鹤林研制的各种轻型吊环,夺得了我国石油机械的第一块质量金牌,也是我国第一个获得美国石油学会(API)会标使用权的产品。

1978年3月,李鹤林出席了全国科学大会,他主持及参与的轻型“三吊”和另外3项成果均获得全国科学大会成果奖。

敲开API大门

1987年6月底,李鹤林和石油部机械制造局副总工程师赵宗仁到美国南部海滨城市新奥尔良参加美国石油学会(API)第64届年会。这是一个世界石油界普遍采用、具有很高信誉和权威性的石油工业设备、材料规范和标准的非盈利机构,本次年会也是中国第一次参加API年会并作大会报告。

只有半天时间的大会发言已经开始,李鹤林的论文还静静地躺在会议主席罗杰斯的公文包里——他根本就没看。会议休息时,罗杰斯才漫不经心地把论文翻出来,仅仅是一看论文标题——“钻杆失效分析及内加厚过渡区结构对钻杆使用寿命的影响”,罗杰斯内心陡然一震。

20分钟后,李鹤林和赵宗仁站在了讲台上,大会发言重新开始。

会场沸腾了。即席评价一个高过一个。原来只印制了50份的论文被一抢而光,大会主席不得不宣布立即复印,每人一份。国际钻井承包商协会主席杜芒特不无感慨地说:“API有关这个课题的提案已经5年了,但一直处于争论之中,中国人这次拿出了令人信服的论文,终于有了成果。”

一时间,李鹤林成了API的新闻人物,他们住的那间小小的经济间也成为64届年会的一个不小的焦点。

那天晚上,从不饮酒的李鹤林破例喝了一杯酒。赵宗仁兴奋地对他说:“喝吧,今天这酒一定得喝。API的大门被我们5000字就敲开了!”

岂止是敲开了大门。紧接着,美国、日本等国的刊物纷纷在显著位置详细评价了李鹤林课题组的科技成果,肯定它是“钻杆技术的突破”“在国际上领先”。

美国石油学会立即采纳这一成果,修订了被全世界奉若神明的API标准。

称雄世界的日本、德国等石油钻杆制造公司不惜巨资,按照这一成果对原生产线进行改造,并邀请李鹤林等人前去验收。

API和国际钻井承包商协会专门成立了钻杆加厚联合工作组,并破例邀请中国作为成员国。

几年后,API接纳李鹤林为第一委员会委员。他领导的石油管材研究所也正式成为API 管材标准化委员会的中方技术归口单位,先后5次派人参加API年会,多次向API提出标准修订议案并得到认可,其中钻柱韧性、套管韧性、钻杆与接头焊区技术条件、提升短节技术条件等内容已写进了API标准,成为指导世界石油工业生产的准绳。

后来,李鹤林又依据对国内外相关企业的考察和分析,放眼世界高性能油井管的需求与发展,提出了一个“三分天下”的新观点,即把油井管划分为API标准、非API标准和特殊螺纹接头油套管。

循着这种“三分天下”的思路,经过冶金行业和石油行业的共同努力,国家重点企业开发项目“高质量油井管开发”在短短几年时间内便取得了巨大成功,油井管国产量由1991年的1.67万吨,猛增到1996年的43.17万吨,自给率也由14.48%增至52.11%。

2012年,已年逾古稀的李鹤林回顾中国油井管从弱变强的进程,提笔撰写了《我国油井管产业的现状与发展》一文,其中说:

“我国油井管生产能力已达1000万吨,成为钢管生产大国和世界油井管生产供应基地。……我国非API钢级油套管,已能满足国内油气田苛刻工况的需求。”

从早期的不足5%到如今的99%,从基本进口到大批出口,从每年多花几十亿元外购资金到节约几十亿元,我国油井管生产由弱小到强大,实现了大规模国产化,并开始跨入油井管研发和生产强国的行列。

巨大的变化和成就中,处处都凝结着李鹤林和石油管材人的强烈心愿与巨大贡献。

创新学科

1994年深秋,石油管材研究所从宝鸡搬到西安南郊。

在这里开始“二次创业”,李鹤林觉得机遇无限、前景无限。

新址落成典礼及管材中心“九五”发展规划论证会上,李鹤林向陕西省、中石油的领导和各油田的代表阐述了新所的发展设想目标:创办一所世界一流的科研所,为中国的石油工业奉献智慧和力量。

也是在这里,经过李鹤林的梳理,“石油管工程学”浮出水面。

他这样阐述“石油管工程学”的学科内涵和研究对象:“‘石油管工程学’是材料科学与工程、机械工程、石油工程、工程力学、可靠性工程、信息科学与工程(含计算机技术)等多学科交叉的边缘学科。它把相关学科的理论成果和最新技术尽可能地运用于石油管的服役过程(即石油工业的钻井工程、采油工程和储运工程),最大限度保障石油管服役中的安全可靠性和寿命,并有效地提高工程效率和降低工程成本。”

其主要技术领域则包括四个部分:石油管的力学行为,石油管的环境行为,石油管材料的服役性能与成分/结构、合成/加工、性质的关系,石油管失效诊断、失效控制与完整性管理。

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李鹤林与王进喜进行亲切交谈(绘图)

1997年中国工程院院士增选时,中石油在李鹤林的院士候选人提名书中,将“提出了‘石油管工程学’的研究范围和对象”列为李鹤林的主要成就和贡献之一。这一提法得到了院士们的认可。

国外石油公司都很重视管柱与管线力学、腐蚀与防护、失效控制和完整性管理等领域的应用基础研究。在技术交流中,许多外国学者对于李鹤林把这些领域作为整体提出“石油管工程学”的新概念表示赞赏。

20世纪90年代末,中石油决定建立首批重点实验室。李鹤林非常重视,亲自组织调研和顶层设计,提出依托管材所建立一个以“石油管工程学”为主要研究领域进行应用基础研究的重点实验室。1999年12月,“中国石油天然气集团公司石油管力学和环境行为重点实验室”在管材所正式建立,李鹤林担任学术委员会主任。管材所也就此成为石油管工程学的科技创新基地。

2015年9月30日,经国家科学技术部批准,以石油管工程技术研究院为依托,组建石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室,“石油管工程学”是该重点实验室的主要研究领域。

李鹤林认为,石油管的科研包括两个方向,一是石油管的工程应用与应用基础研究,二是新产品开发和制管工艺研究。“目前,我国石油管生产企业拥有实力雄厚的科研机构,全力开展新产品开发和制管工艺研究;而在石油管的工程应用与应用基础研究方面,石油管材研究所作为国内这一领域的权威研究机构,责无旁贷。”

为此,他提出了科学研究、技术监督、失效分析“三位一体”的管理理念,即:失效分析发现问题-科研攻关找出答案-技术监督解决问题,有效加速了科研成果向生产力的转化。

在“三位一体”的基础上,李鹤林将全所的工作人员按照科研、行业服务和产业化划分为三个板块:50%的科技人员集中精力搞科研,承担国家和中石油下达的应用基础及超前研究项目,40%的科研人员主要从事行业服务,即质量技术监督和失效分析,10%的科技人员从事产业化工作,成立相对独立的科技实体,对外创收。

李鹤林非常重视“石油管工程学”人才队伍建设和模拟石油管服役条件的全尺寸管材试验装置的建立。他充分利用自己受聘担任西安交大材料科学与工程学院名誉院长、博士生导师之便,促成管材所与交大材料学院签订合作协议,联合开办“材料服役安全工程学”二级学科博士点和硕士点(其内涵大体相当于“石油管工程学”),培养了十多名博士和硕士。

奋斗不止

2002年,已经65岁的李鹤林退居二线。有人劝他搬到北京住,他谢绝了,仍然住在原来的院子里,还和从前一样,与多年的同事一起,每天按时上下班——他离不开这个自己亲手创建的石油管材研究所,就像父亲对待自己已经长大的孩子,依然给予无限的关心和帮助。对他来说,生命不息,就要奋斗不止、探索不止、奉献不止。

他心里还有一个放不下的“结”——管材所还在宝鸡时,曾启动过将行业层次的“石油管材质检中心”升格为国家级质检机构的事,因故中断后一直再未启动。没有这块权威的国字号牌子,管材所发展的诸多方面都会受到影响。

2004年初,所里找到李鹤林,希望他出马再争取一下国家质检中心立项与组建。

李鹤林社会职务不少,也很忙,而在所里,除科研外,其他大事他都不再过问,但是唯有这件事,他一直放在心上。所里不知道的是,那段时间里,李鹤林也一直在努力争取国家质检中心立项的事。

质量监督检验检疫总局曾经连续几次召开相关会议,李鹤林一直作为总局专家咨询委员会委员参与其事,并多次当面向总局科技司、国家认证认可监督管理委员会的几位领导阐述将行业层次的质检中心升格为国家级质检机构的必要性,也介绍了管材研究所的综合实力。为了争取立项,他还求助于当时陕西省委的领导,当面做了详细的汇报。

最终,经过多方努力,管材所申报的国家石油管材质检中心终于正式立项。

回忆曲折往事,李鹤林觉得这是圆了自己的一个梦。

2006年,国家西气东输二线(“西二线”)工程启动。为了给西二线工程提供强有力的技术支撑,中石油于2007年初启动该项目工程关键技术研究重大专项,李鹤林被任命为项目专家组组长。

此后五年时间,他每天都在为此忙碌着、奔波着,经常是通宵达旦。五年间,他带领着团队解决了一个个技术难题,形成了18项先进适用的西二线管材系列标准,取得了多项创新性成果。

这些科研成果,多数都应用在了同期进行的中亚管线以及后来建设的中贵天然气管线、中缅油气管道、西气东输三线、中亚C线、陕京三线和四线、中俄天然气东线等,都取得了良好的经济和社会效益。

西二线的设计方案,也一举改变了我国在天然气超长距离输送管道工程领域几十年来一直扮演的追赶者角色,一跃进入领跑者行列,赢得了国际同行的瞩目和赞誉。

2012年,以西二线主要技术成果为主的“高钢级、大口径、高压力超长输气管道关键技术与应用”项目获中石油科学技术进步奖特等奖;2014年,包含该项目内容的“我国油气战略通道建设与运行关键技术”获国家科学技术进步奖一等奖。

李鹤林作为专家组组长,对上述项目关键技术的突破发挥了重大作用,被列在获奖名单的前列,他却要把获奖机会让给青年科技骨干而坚决请求退出。

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