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封面人物 | 孫明先:探索材料深海腐蝕之謎構筑裝備深海防護堡壘

2024-10-14 14:22:32 作者：本網整理來源：《腐蝕與防護之友》分享至：

在當今世界,隨著各國對海洋資源的渴求日益增長．深遠海資源開發已成為國際競爭的焦點。深海油氣資源.礦產資源.基因資源以及深遠海漁業資源的勘探與開發，正逐步成為全球海洋資源開發的熱點。走向深海既是資源開發的必然趨勢,也是建設海洋強國的必由之路。深海裝備是海洋資源勘探和開發的關鍵，其材料在深海環境中的耐蝕性和耐久性，是設計和建造深海裝備的基礎。這些關鍵的試驗數據．已成為深海裝備研發的寶貴財富和重要支撐。為了普及深海腐蝕試驗技術、裝備深海原位監測與預警技術等關鍵知識.我們特別邀請了中國船舶集團有限公司第七二五研究所副總工程師、海洋腐蝕與防護全國重點實驗室副主任孫明先研究員．為我們帶來深入而精彩的解讀。

中國船舶集團有限公司第七二五研究所{以下簡稱“七二五所”〉成立于1961年,隸屬中國船舶集團有限公司，專業從事艦船材料與工藝及應用性研究。在六十多年的發展歷程中，為海軍裝備發展和國民經濟建設做出了重要貢獻。在深海研究探索和深海裝備研發領域.七二五所更是取得了令人矚目的成績。2012年8月.七二五所成功建立了中國首個深海腐蝕數據庫:2017年9月.七二五所完成了國內首個5000米級深海環境試驗任務。如今.七二五所正以昂揚的姿態,向全海深試驗的高峰不斷攀登,為深海裝備的研發和海洋強國的建設貢獻著自己的智慧和力量.

記者:在七二五所海洋腐蝕與防護全國重點實驗室，我們見證了一系列重大項目的承擔與完成，這些項目不僅為我們國家獲取了寶貴的深海腐蝕試驗數據，更為我國深海裝備的設計．制造以及腐蝕防護提供了堅實的技術支撐。能否請您為我們詳細介紹一下這些項目，并闡述一下積累深海腐蝕試驗數據的必要性與重要性?

孫明先:在全球化的今天，隨著陸地資源的逐漸枯竭,人類的目光不約而同地投向了廣袤的海洋．海洋已成為我們共同的未來所系,是維系人類生存和發展的重要載體.隨著對海洋資源認識的不斷深化.我們對海洋的開發和利用正從近海走向遠海．從淺海邁向深海。海洋中蘊藏著豐富的石油.礦產．天然氣水合物等資源,它們大多深藏于深海區域.例如:南海儲油構造的75%位于2000至300O米的深水區，天然氣水合物主要分布在1200米以上的海底．而多金屬結核則富集在40C0至6000米的深海中。我國南海的平均深度為1212米,其石油資源量在230至300億噸之間.天然氣資源量約為16萬億立方米．占中國油氣總資源量的三分之一。然而．這些資源的開采需要我們具備相應的深海開采技術，深海裝備的研發因此成為海洋資源勘探和開發的關鍵所在.

高端海洋工程裝備的研制首先必須解決材料在深海中的環境適應性問題。了解材料深海腐蝕行為及其規律.是確保材料在深海極端環境中可靠性的關鍵。而深海自然環境試驗．作為獲取材料深海腐蝕數據及規律的最直接.最有效.最可靠的手段.對于推動深海裝備技術的發展具有不可替代的作用。七二五所作為船舶材料研究所．腐蝕與防護一直是其重要的研究方向。自1961年成立以來,七二五所一直致力于研究材料在海洋環境中的腐蝕規律和機理，為船舶和其他海洋裝備的設計.建造提供了重要的技術支撐.為國防和國民經濟建設做出了巨大的貢獻。隨著我國經濟的飛速發展和戰略轉型．深海已成為我國資源開發、裝備部署的新領域。七二五所從2000年開始關注深海腐蝕．積極收集國外相關研究資料．并推進深海腐蝕試驗方法的研究。2003年.七二五所開始深海環境腐蝕試驗能力建設.2005年立項開展深海環境腐蝕試驗裝置及試驗技術研究。經過多年的努力.七二五所研制了具有自主知識產權的近底懸浮式深海腐蝕試驗裝置．并于2007年完成定型。2008年,七二五所承擔了材料深海腐蝕研究重點項目，在南海開展了三個不同深度的深海腐蝕試驗，2011年成功獲得了第一批40余種材料的深海環境腐蝕老化數據,建立了我國第一個深海環境腐蝕數據庫。自2014年以來.七二五所承擔了多項深海自然環境試驗重大項目，開展了更大深度.更廣海域的深海環境試驗技術和材料深海腐蝕研究。試驗深度由1000米級發展到5000米級．試驗海域由我國南海拓展到太平洋中部和印度洋西部。目前正在國家重點研發計劃的支持下開展萬米深海試驗技術研究。得益于國家的大力支持,七二五所深海腐蝕試驗技術不斷提升．建立了深海原位電化學測試技術及深海數據遠程傳輸技術.并基于大量深海實海和模擬深海試驗數據．采用數值仿真技術實現了深海裝備受力結構力學―電化學多物理場耦合腐蝕仿真．為復雜結構深海環境腐蝕快速預測及腐蝕防護提供了可靠的技術途徑。七二五所目前已獲得20余項深海試驗技術相關的發明授權專利.形成了深海環境試驗技術特色專利群。值得―提的是.七二五所還代表中國提案并主編了兩項深海環境試驗ISO國際標準.顯著提升了我國在深海腐蝕試驗領域的國際影響力和話語權。深海試驗獲取的寶貴數據．掌握的特色規律．將為我國深海油氣資源開發、裝備設計制造做出更大的貢獻.為實現海洋強國戰略提供堅實的技術支撐。

記者：您認為目前，在苛刻的深海環境下，裝備面臨哪些腐蝕因素？最大的挑戰又是什么？

孫明先:深海與淺海環境相比．其環境條件更為復雜多變．在深海中．隨著海水深度的增加.靜水壓力急劇上升.溫度則迅速降低． 2000米以下幾乎恒定在2~ 4℃。含氧量從表層的飽和狀態驟降至2ppm。同時，深海中的生物污損.鈣鎂離子沉積以及材料表面流速等環境因素，也與表層海水有著顯著的差異。在這樣的深海環境中，材料的腐蝕行為不僅受到環境的影響．還受到力學因素的耦合作用。特別是對于深海潛器．艙室管路.儀器設備等承壓結構.深海壓力和海水腐蝕對其設計和制造提出了更大的挑戰。不同種類的材料在海水中的腐蝕行為各異，壓力的增大、溫度的降低、含氧量的減少．都會對金屬材料產生不同程度的影響．因此.深海中多因素耦合的嚴苛環境．必然導致材料腐蝕行為的特殊性和復雜性.與淺海腐蝕行為存在顯著差異。如果僅以材料在淺表海水環境中的腐蝕數據來選材設計深海裝備和設施，將存在極大的風險和安全隱患。一旦發生腐蝕損傷.可能會引發災難性的事故此外，盡管實驗室可以模擬深海環境中各深度下的壓力．溫度、鹽度．但要綜合模擬包括深海溶解氧、海流．沉積物.海生物等在內的復雜環境特征，仍然面臨巨大的挑戰。因此,開展材料在實際深海環境下的腐蝕試驗和數據積累，是揭示材料深海腐蝕真實規律的必要途徑。在此基礎上,不斷完善室內模擬試驗技術,開展室內模擬試驗，并建立自然環境與模擬試驗的相關性，是全面分析材料深海腐蝕老化行為和機制的重要手段。通過這些試驗和研究，我們能夠更深入地理解材料在深海環境中的腐蝕機制．為深海裝備的設計和制造提供更為科學、可靠的數據支持．從而確保深海裝備的安全性和可靠性。

深海腐蝕試驗裝置投放回收

記者：請您談談深海腐蝕試驗裝置總體設計和深海腐蝕試驗裝置回收控制等系列關鍵技術有哪些？

孫明先:我們設計的系列化深海腐蝕試驗裝置由打撈浮標.主浮體、連接系統.試樣框架．環境數據采集系統.浮力系統．釋放及應答定位系統.錨定系統等部分組成。具有可靠性高．載樣量大．結構簡單、布放準確、避免吸底等優點。試驗裝置可長期處于水下無人值守狀態．我們在裝置設計時．首先根據試驗海域的海流數據對裝置進行水下姿態的仿真計算,獲得裝置各個節點的受力值和最大的垂直偏移程度．確定各段連接系統的長度;對裝置的重力浮力比進行合理設計．確保裝置具有足夠的儲備浮力.即使少量浮力部件意外失效.裝置也能夠l順利上浮;同時,確保裝置具有足夠的重力.使之能夠在選定的試驗深度固定.不受海流影響而偏移．從而避免丟失。試驗裝置投放時．需要將整套裝置在水面展開．防止各個節點受海流影響而相互纏繞,投放過程中，裝置連接．作業船航速航向．海流測試.定位等相互配合,才能達到精準投放.定深準確。試驗裝置布放到海底后.通過三點定位方法解算出裝置水下精確位置，并在主浮體上安裝信標.便于回收時對裝置的搜尋和定位。除此之外，還采用其他方式提高裝置的可靠性.例如:關鍵連接結構的冗余設計．關鍵部件選用耐蝕材料．異種金屬間的絕緣耐磨措施等。

記者:您從事多年海洋腐蝕與防護研究，包括表層淺海環境和深海，請介紹一下材料在表層海水環境和深海環境性能有什么不同?

孫明先:深海環境與淺表環境之間存在顯著差異.這些差異導致材料在兩種環境下的性能表現也大相徑庭。例如，俄羅斯在深海試驗中發現．某些在常壓下能正常工作的碳纖維透聲復合材料，在1000米深的海洋環境中卻完全喪失了透聲能力,深海的高靜水壓力.低溶解氧和低溫條件對不同材料的影響各有不同。對于鋼和銅等非鈍化金屬.深海中的腐蝕速率通常低于表層海水。然而．對于鈍化金屬．如316不銹鋼.在低溫和低氧的深海環境中可能會遭受嚴重的晶間腐蝕。在深海試驗中我們使用的316不銹鋼連接件就在短短半年內因腐蝕而斷裂．失去了其連接功能。被譽為”海洋金屬”的鈦合金，作為深海設備的主要結構材料．在表層海水環境中展現出了卓越的耐蝕性.但在深海環境使用時．深海缺氧環境會導致鈦合金表層鈍化膜化學穩定性下降、自修復能力減弱．同時，高靜水壓力還會加速海水中的腐蝕性離子滲透到鈦合金表面。因此,必須考慮鈦合金的耐蝕性變化.并特別關注應力腐蝕．尤其是氫致應力腐蝕引起的問題。總之．在選擇深海材料和設計深海裝備之前．必須對候選材料進行深海環境適應性評價.以確保所選材料在滿足裝備性能要求的基礎上能夠適應深海苛刻環境。

記者:請您談談未來深海腐蝕試驗技術，以及深海裝備材料、防腐技術的發展趨勢?

孫明先:深海腐蝕試驗是獲取深海腐蝕數據．研究腐蝕行為和規律的重要手段，隨著深海試驗技術發展,試驗能力將由材料級發展到構件級．整機級.不僅可以獲取材料自身深海腐蝕數據.更可以得到尺寸、結構效應對深海腐蝕影響;同時．隨著原位測試技術在深海腐蝕試驗中應用普及,在獲取腐蝕速率.腐蝕形貌等信息的同時．更可獲取腐蝕過程中腐蝕電位．腐蝕電流．電化學阻抗等參數，這為我們認識深海腐蝕機制提供了重要的熱力學、動力學數據．深海模擬試驗技術也由單一的壓力模擬發展到壓力．溫度、溶解氧等多因素綜合模擬．甚至同步考慮結構應力、運動磨損等工況因素，試驗結果將更準確反映裝備服役工況條件下的腐蝕損傷行為.

海洋科技領域的發展是一項系統性的工程，往往是諸多領域科技發展的集成．但就最重要的基礎而言．常常依賴于材料科技的發展和突破．特別是專用海洋材料的研究和進展,許多海洋領域的研究和開發往往受制于材料的短缺和質量。材料科技的發展水平已經成為海洋研究開發的制約瓶頸．加速深海材料領域的科學研究已迫在眉睫．對于深海用裝備金屬材料而言.除了功能性以外.要重點考慮材料強度和耐蝕性能。因此深海裝備用金屬材料會向高強．耐蝕方向發展，高強材料方面，例如:超高強度結構鋼．高強管線鋼等，耐蝕材料方面，例如:鈦合金、高鎳基合金．高性能不銹鋼等．新材料的研發和使用會帶來新的問題，例如高強鋼在深海中應用時．陰極保護參數不能直接套用一般強度合金鋼的參數.因為陰極保護系統在較負電位運行時會產生析氫現象，產生的氫很容易富集在高強鋼中．使其產生氫脆損傷斷裂,其危害更甚于腐蝕．因此．針對新型高強鋼和深海使用環境我們開發了專用的低驅動電位犧牲陽極.以提高陰極保護的安全性。除了金屬材料深海電化學腐蝕防護技術外．開發新型耐高壓.耐剝離.耐滲透的防護涂層和相關防護技術也是深海腐蝕防護的重要方向。另一個方面．深海環境的特殊性決定了深海裝備維修維護困難，一旦產生事故將是災難性的，因此,開展深海裝備腐蝕監檢測技術和預警技術研究是深海工程開發重要的環節．應該將其提升到與裝備自身研發同樣重要的地位。

后記:

長在深海的幽暗與高壓之下，我們的智慧將成為照亮前行道路的燈塔.通過不懈的探索和創新，我們將開發出先進的防腐技術，讓深海裝備在嚴苛的環境中也能穩定運行，為海洋工程的安全與效率保駕護航。

人物簡介

孫明先中國船舶集團有限公司第七二五研究所副總工程師，海洋腐蝕與防護全國重點實驗室副主任。長期從事海洋腐蝕與防護技術研究，先后主持國家級重點桿研項目30余唄，在加潤入母上個街外吧心)人江不究、陰極保護材料與技術、電化學防污技術、裝備腐蝕失效分析等領域取得了一系列具有創新性理論價值和重大工程應用價值的研究成果，推動了國內本專業領域科學研究的發展。多項科研成果推廣應用于重點型號工程，解決了裝備海洋環境腐蝕關鍵共性問題，顯著提升了裝備在苛刻海洋環境中的安全可靠性和環境適應性。先后獲省部級以上科技獎勵10余項，出版專著4部，編制國家標準5項，授權發明專利20余項，在國際、國內學術期刊發表論文50余篇。獲船舶集團有突出貢獻專家稱號和船舶貢獻獎等榮譽表彰。