深海裝備開發(fā)技術(shù)的核心問題是如何解決由于水深造成的低溫、高溫（熱液區(qū)）、高壓、極端微生物腐蝕、環(huán)境惡劣、作業(yè)條件復雜下的一系列材料與裝備的開發(fā)技術(shù)問題。值得一提的是深海環(huán)境下的材料腐蝕問題， 深海的溶解氧含量、溫度、PH、含鹽度、壓力、溶解CO2含量、流速以及生物環(huán)境等都與淺海環(huán)境不同， 這些因素都直接影響到材料的腐蝕行為。

 

    文/梁劍雄

 

    概述

 

    深海蘊藏著豐富的油氣資源、礦產(chǎn)資源和生物資源，是各國爭奪經(jīng)濟制高點的重要戰(zhàn)略目標。深海油氣資源儲量占全球探明油氣可采儲量45%左右，可燃冰總資源量相當于全球已知煤、石油和天然氣總和的2倍，可滿足人類1000年的需求；深海礦產(chǎn)資源豐富，僅太平洋底的錳結(jié)核儲量中銅可供應 600年，鎳可供應 15000年，錳可供應24000年，鈷甚至可供應13萬年； 深海物種的多樣性更是生物資源的巨大寶庫，具有潛在的巨大經(jīng)濟利益，很多國家都把控制和占有這些資源的措施列入國家發(fā)展計劃，以期搶得“藍色公土”的占有權(quán)。

 

    發(fā)達國家爭相布局深海開發(fā)戰(zhàn)略， 開展了深海資源開發(fā)相關(guān)技術(shù)的系統(tǒng)研發(fā)，目前已經(jīng)基本具備了所需的科學和技術(shù)儲備，美國已下潛到10916米深處，創(chuàng)世界潛水最深記錄，開創(chuàng)了深海開發(fā)與爭奪的新世紀；日本的“地球”號在水深2500的深海能鉆探地殼下方7000米處地幔資源；巴西80%的石油來自海上石油，超深海（2000米以下）海底石油已實現(xiàn)商業(yè)開采；俄羅斯的“和平一號”和“和平二號”載人深潛器都完成了水下6000米的深水作業(yè)。

 

    我國海洋資源開發(fā)技術(shù)、科學研究長期以來處于相對落后的水平，由于深海裝備技術(shù)和材料開發(fā)等問題，在國際深海資源爭奪戰(zhàn)中已失去先機，2001年中國在東太平洋夏威夷群島南面擁有的一塊相當于渤海大小的75000平方公里海域的專屬勘探權(quán)和優(yōu)先開采權(quán)即將過期失效。2011年7月國際海底管理局已核準中國申報的西南印度洋中脊限定的990×200km2范圍內(nèi)15年海底勘探權(quán)和優(yōu)先采礦權(quán)，而我國深海資源開發(fā)基本屬于空白，形勢迫在眉睫。

 

    對于我國領(lǐng)海范圍內(nèi)的深海資源以南海油氣開采為例，據(jù)國土資源部初步統(tǒng)計，含油氣構(gòu)造有200多個，石油地質(zhì)儲量為230億到300億噸，截止目前南海區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)有效開采的海上鉆采平臺有1000 多座，沒有一座是完全屬于中國的。而曾經(jīng)是貧油國的越南，依靠“白虎”、“大熊”、“龍”和“青龍”多個油田（全部在我國南海斷續(xù)線之內(nèi)）相繼投產(chǎn)，石油年產(chǎn)量高達將近2000多萬噸，一躍成為了石油出口國，而中國第一座深海作業(yè)平臺“荔灣項目”2013年才正式投產(chǎn)，且并未產(chǎn)生規(guī)模效應。2011年我國石油對外依存度高達56.5%，超過警戒線50%，加劇了國家能源安全的風險，加快深海油氣資源開發(fā)勢在必行。

 

    一、深海裝備技術(shù)

 

    深海裝備技術(shù)是實現(xiàn)深海資源開發(fā)的基礎(chǔ)，實現(xiàn)海洋經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵。中國工程院院士曾恒一表示：“在中國走向深水的過程中，有兩大瓶頸問題：一是深水技術(shù)要突破；二是深水裝備要具備。” 深海裝備屬于高投入、高風險產(chǎn)業(yè)，從事海洋工程裝備建造的廠商須具有完善的研發(fā)機構(gòu)、完備的建造設(shè)施、豐富的建造經(jīng)驗以及雄厚的資金實力。目前全球主要海洋工程裝備建造商第一陣營的公司主要在歐美，它們壟斷著海洋工程裝備開發(fā)、設(shè)計、工程總包及關(guān)鍵配套設(shè)備供貨，壟斷著海洋工程裝備運輸與安裝、水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝和深水鋪管等業(yè)務，主要企業(yè)如法國Technip公司、意大利Saipem公司、美國McDermott公司和Subsea公司等；以研發(fā)、建造深水、超深水高技術(shù)平臺裝備為核心。第二陣營是韓國和新加坡，它們在總裝建造領(lǐng)域快速發(fā)展，占據(jù)領(lǐng)先地位， 以建造技術(shù)較為成熟的中、淺水域平臺為主，目前也在向深水高技術(shù)平臺的研發(fā)、建造發(fā)展。中國、阿聯(lián)酋處于制造低端產(chǎn)品的第三陣營。中國海洋石油總公司副總經(jīng)濟師張偉平這樣描述國內(nèi)現(xiàn)狀“比起陸上石油開采設(shè)備90％的國產(chǎn)率，目前我國還缺乏當家的海上石油開采設(shè)備，因此， 絕大部分海上開采設(shè)備依賴進口”。

 

    從技術(shù)和裝備角度，我國海洋裝備水平與國外相比有近10年的差距：目前國外深水鉆探的最大水深已達3095米，中國為1480米，新近投入服役的“海洋石油981” 第一鉆可拓展到約3000米；國外已開發(fā)油氣田的最大水深為2743米，中國為300米， 而自主開發(fā)能力僅限于200米水深以內(nèi)，南海荔灣為1500米，2013年投產(chǎn)，但關(guān)鍵設(shè)備全部進口。

 

    我國海洋裝備制造起步晚，技術(shù)相對落后，在研發(fā)、設(shè)計方面與歐美國家差距較大，盡管近年來已有長足進步，特別是海洋石油981深水半潛式鉆井平臺的研制成功，使我國逐步具備深水油氣田的勘探、開發(fā)和生產(chǎn)的能力，但仍有漫長的路需要探索。

 

    二、深海裝備開發(fā)技術(shù)的核心問題

 

    深海裝備開發(fā)技術(shù)的核心問題是如何解決由于水深造成的低溫、高溫（熱液區(qū)）、高壓、極端微生物腐蝕、環(huán)境惡劣、作業(yè)條件復雜下的一系列材料與裝備的開發(fā)技術(shù)問題。

 

    從根本上說，我國深海裝備的制約瓶頸是專用材料短缺。深海資源開發(fā)、深海科學探索、深海國防安全的基礎(chǔ)是深海裝備，而深海裝備的基礎(chǔ)是深海專用材料。目前，多數(shù)深海關(guān)鍵材料及其工藝技術(shù)仍然依賴國外進口，嚴重制約了我國深海高新科技的發(fā)展。

 

    值得一提的是深海環(huán)境下的材料腐蝕問題， 深海的溶解氧含量、溫度、PH、含鹽度、壓力、溶解CO2含量、流速以及生物環(huán)境等都與淺海環(huán)境不同， 這些因素都直接影響到材料的腐蝕行為。

 

    在深海環(huán)境下，材料耐腐蝕性能排序可能會重新排列，甚至有些材料深海腐蝕速度要大于淺海腐蝕速度。深海壓力條件下，能夠提供氯離子滲透能力，所以淺海均勻腐蝕，在深海會變?yōu)榫植奎c腐蝕，導致材料很快失效。

 

    深海條件下溶氧量減少，導致不銹鋼鈍化膜自修復能力變差，引起縫隙腐蝕。深海氧含量較少，厭氧微生物繁殖迅速， 導致微生物腐蝕嚴重。微生物腐蝕以厭氧硫酸鹽細菌為主，厭氧型微生物腐蝕釋放硫化氫氣體，會導致材料硫化氫腐蝕，甚至帶來材料應力腐蝕。深海環(huán)境不同更容易引起高強度不銹鋼的應力腐蝕。

 

    深海極端環(huán)境下腐蝕防護技術(shù)研究處于空白是制約深海裝備發(fā)展的又一瓶頸。以南海為例，各類裝備在南海深海環(huán)境下腐蝕失效的研究基本屬于空白，尚未建立南海深海腐蝕環(huán)境測試研究體系，深海掛片投樣最深只有1200米，長期實海試驗站尚未建立，對深海裝備技術(shù)及材料研發(fā)更是鳳毛麟角。

 

中國海洋油氣資源開采的進程

 

    三、深海能源鉆采裝備材料

 

    深海能源鉆采是深海科技發(fā)展的主要方面，鉆采裝備是獲取深海能源的關(guān)鍵， 而我國用于深海鉆采的關(guān)鍵裝備主要來源于國外進口，國產(chǎn)鉆采裝備的制造狀況與國外差距明顯。目前深海鉆采裝備國產(chǎn)材料熱處理后機械性能達不到API Spec7的規(guī)定，不能應用于震擊器、減震器、鉆具等長時間暴露在H2S和CO2含量高的海泥環(huán)境。

 

    以深海油氣鉆采為例，螺桿鉆具壽命僅為80小時，鉆鋌壽命僅為200-500h，震擊器震擊次數(shù)僅為100次，隨鉆震擊器的工作時間僅15-30天左右，所用材料在強度、耐蝕性等方面暴露的問題嚴重影響了深海油氣鉆采工作的開展，鉆柱（井下馬達） 鉆頭、鉆桿軸承、傳動系統(tǒng)部件均有材料問題。深海立管與采油樹部位等特殊部位管接頭、臍帶纜、系泊鏈、錨鏈、萬向軸等軸類耐蝕承力結(jié)構(gòu)部件、各類深海泵體、閥門、固定銷、各類緊固件等存在強度、耐蝕性等問題。深海探測裝備深潛器機械手、采樣機械裝置、潛標用高強度不銹鋼材料；深海礦產(chǎn)勘探、鉆采用震擊破碎設(shè)備、礦石采用裝置、運輸設(shè)備均存在材料問題，以深海打撈工具如磨銑類打撈工具為例，其使用壽命僅為6h。

 

    同時由于深海環(huán)境復雜，研究費用高昂，目前相關(guān)材料在深海的公開使用與失效數(shù)據(jù)甚少或處于保密狀態(tài)而鮮有報道。深海環(huán)境模擬、特種材料制備與防護技術(shù)在深海材料研究和應用中也剛剛起步。多數(shù)深海關(guān)鍵材料及其工藝技術(shù)仍然依賴國外進口，嚴重制約了我國深海高新科技的發(fā)展。

 

    急需開展深海裝備用超級不銹鋼的系統(tǒng)研發(fā)，研究多種因素對材料腐蝕、強韌化及使用性能的影響，開發(fā)出具備高強、高耐磨及良好的耐點蝕、應力腐蝕、縫隙腐蝕等特性的特種不銹鋼技術(shù)，研制出海洋工程特別是深海工程及裝備用新型特種不銹鋼并應用于海洋工程，解決深海油氣鉆采設(shè)備、深海礦產(chǎn)勘探、深海礦石采運裝置、深海油氣采、集、輸裝備等用材料強度和耐蝕性等問題，對我國深海裝備用材的解決及國產(chǎn)化具有深遠意義。

 

    四、深海油氣管道裝備材料

 

    深海油氣管道是海洋裝備的重要組成部分，深海環(huán)境復雜多變，海底管道對原材料、管道焊接、敷設(shè)施工、維護等提出了更高的要求：深海高壓要求鋼管具有良好的抗壓潰性能，對鋼管的幾何精度、表面質(zhì)量、D/t提出更嚴格的要求；深海溫度低、壓力大，對鋼管的斷裂韌性指標要求更高；深海溶氧量增加，海水、海泥和海底微生物等對鋼管的腐蝕行為復雜，對鋼管的耐腐蝕性能提出更高的要求；對H2S和CO2含量的油氣介質(zhì)來說，在深海管道高壓輸送條件下，腐蝕將加劇；因受深海浪涌、洋流的影響，鋼管應具有良好的縱向強韌性、塑性，以及抗疲勞能力。

 

    自1954年Brown&Root 公司在美國墨西哥灣鋪設(shè)世界上第一條海底管道以來， 為了實現(xiàn)大輸量，國外深水海底管道已經(jīng)采用X70鋼級（例如2005年建設(shè)完工的Langeled 北海管線）、大口徑、大壁厚鋼管，最大管徑達到1422mm（Nord Stream project），最大壁厚已達到41.0mm，并提出了44.0mm的要求（從阿曼到印度的水深達3500m、總長1200Km 海底管線），要求－10℃下母材的沖擊功大于200J，焊縫沖擊功大于100J。

 

    我國海洋石油經(jīng)過多年的開發(fā)，已經(jīng)具備了自主開發(fā)300m以內(nèi)水深海上油氣田的技術(shù)能力，建成的海底管道超過2000km，通過南海荔灣3-1氣田海底管道建設(shè)，已初步具備≤1500m海底管道的設(shè)計、鋼管制造、管道建設(shè)能力，國內(nèi)首次在南海荔灣LW3-1項目中應用國產(chǎn)X70鋼管， 管徑最大 765.2mm，壁厚最大31.8mm， 但無法實現(xiàn)深水鋼管在塑性、強韌性、耐腐蝕、抗疲勞和尺寸精度等方面的苛刻要求，特別針對南海70%資源蘊藏于深水水域，急需研究≥1500m水深環(huán)境下輸送鋼管的力學、腐蝕和疲勞等行為，開發(fā)滿足≥1500m水深，具有更優(yōu)異的斷裂韌性、抗變形能力、抗腐蝕、抗壓潰、高尺寸精度的深海用油氣輸送鋼管。

 

    結(jié)語

 

    深海開發(fā)，材料先行，深海材料研發(fā)將是推動我國深海工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重。通過建立由材料研發(fā)、深海裝備及其制造成果應用的相關(guān)平臺，促進科研成果產(chǎn)業(yè)化，發(fā)展深海材料戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，對我國海洋經(jīng)濟的長遠發(fā)展將起到重大引領(lǐng)帶動作用。