概述

 

　　深海蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源、礦產(chǎn)資源和生物資源，是各國(guó)爭(zhēng)奪經(jīng)濟(jì)制高點(diǎn)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。深海油氣資源儲(chǔ)量占全球探明油氣可采儲(chǔ)量45%左右，可燃冰總資源量相當(dāng)于全球已知煤、石油和天然氣總和的2倍，可滿(mǎn)足人類(lèi)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(chǔ)量中銅可供應(yīng) 600年，鎳可供應(yīng) 15000年，錳可供應(yīng)24000年，鈷甚至可供應(yīng)13萬(wàn)年；深海物種的多樣性更是生物資源的巨大寶庫(kù)，具有潛在的巨大經(jīng)濟(jì)利益，很多國(guó)家都把控制和占有這些資源的措施列入國(guó)家發(fā)展計(jì)劃，以期搶得“藍(lán)色公土”的占有權(quán)。

 

　　發(fā)達(dá)國(guó)家爭(zhēng)相布局深海開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略，開(kāi)展了深海資源開(kāi)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(xué)和技術(shù)儲(chǔ)備，美國(guó)已下潛到10916米深處，創(chuàng)世界潛水最深記錄，開(kāi)創(chuàng)了深海開(kāi)發(fā)與爭(zhēng)奪的新世紀(jì)；日本的“地球”號(hào)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(lái)自海上石油，超深海（2000米以下）海底石油已實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)采；俄羅斯的“和平一號(hào)”和“和平二號(hào)”載人深潛器都完成了水下6000米的深水作業(yè)。

 

　　我國(guó)海洋資源開(kāi)發(fā)技術(shù)、科學(xué)研究長(zhǎng)期以來(lái)處于相對(duì)落后的水平，由于深海裝備技術(shù)和材料開(kāi)發(fā)等問(wèn)題，在國(guó)際深海資源爭(zhēng)奪戰(zhàn)中已失去先機(jī)，2001年中國(guó)在東太平洋夏威夷群島南面擁有的一塊相當(dāng)于渤海大小的75000平方公里海域的專(zhuān)屬勘探權(quán)和優(yōu)先開(kāi)采權(quán)即將過(guò)期失效。2011年7月國(guó)際海底管理局已核準(zhǔn)中國(guó)申報(bào)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(guó)深海資源開(kāi)發(fā)基本屬于空白，形勢(shì)迫在眉睫。

 

　　對(duì)于我國(guó)領(lǐng)海范圍內(nèi)的深海資源以南海油氣開(kāi)采為例，據(jù)國(guó)土資源部初步統(tǒng)計(jì)，含油氣構(gòu)造有200多個(gè)，石油地質(zhì)儲(chǔ)量為230億到300億噸，截止目前南海區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效開(kāi)采的海上鉆采平臺(tái)有1000多座，沒(méi)有一座是完全屬于中國(guó)的。而曾經(jīng)是貧油國(guó)的越南，依靠“白虎”、“大熊”、“龍”和“青龍”多個(gè)油田（全部在我國(guó)南海斷續(xù)線(xiàn)之內(nèi)）相繼投產(chǎn)，石油年產(chǎn)量高達(dá)將近2000多萬(wàn)噸，一躍成為了石油出口國(guó)，而中國(guó)第一座深海作業(yè)平臺(tái)“荔灣項(xiàng)目”2013年才正式投產(chǎn)，且并未產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)。2011年我國(guó)石油對(duì)外依存度高達(dá)56.5%,超過(guò)警戒線(xiàn)50%,加劇了國(guó)家能源安全的風(fēng)險(xiǎn)，加快深海油氣資源開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行。

 

　　一、深海裝備技術(shù)

 

　　深海裝備技術(shù)是實(shí)現(xiàn)深海資源開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵。中國(guó)工程院院士曾恒一表示：“在中國(guó)走向深水的過(guò)程中，有兩大瓶頸問(wèn)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(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)業(yè)，從事海洋工程裝備建造的廠(chǎng)商須具有完善的研發(fā)機(jī)構(gòu)、完備的建造設(shè)施、豐富的建造經(jīng)驗(yàn)以及雄厚的資金實(shí)力。    目前全球主要海洋工程裝備建造商第一陣營(yíng)的公司主要在歐美，它們壟斷著海洋工程裝備開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、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(yùn)輸與安裝、水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝和深水鋪管等業(yè)務(wù)，主要企業(yè)如法國(guó)Technip公司、意大利Saipem公司、美國(guó)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(tái)裝備為核心。    第二陣營(yíng)是韓國(guó)和新加坡，它們?cè)诳傃b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(tái)為主，目前也在向深水高技術(shù)平臺(tái)的研發(fā)、建造發(fā)展。     中國(guó)、阿聯(lián)酋處于制造低端產(chǎn)品的第三陣營(yíng)。中國(guó)海洋石油總公司副總經(jīng)濟(jì)師張偉平這樣描述國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀“比起陸上石油開(kāi)采設(shè)備90%的國(guó)產(chǎn)率，目前我國(guó)還缺乏當(dāng)家的海上石油開(kāi)采設(shè)備，因此，絕大部分海上開(kāi)采設(shè)備依賴(lài)進(jìn)口”.

 

　　從技術(shù)和裝備角度，我國(guó)海洋裝備水平與國(guó)外相比有近10年的差距：目前國(guó)外深水鉆探的最大水深已達(dá)3095米，中國(guó)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(guó)外已開(kāi)發(fā)油氣田的最大水深為2743米，中國(guó)為300米，而自主開(kāi)發(fā)能力僅限于200米水深以?xún)?nèi)，南海荔灣為1500米，2013年投產(chǎn)，但關(guān)鍵設(shè)備全部進(jìn)口。

 

　　我國(guó)海洋裝備制造起步晚，技術(shù)相對(duì)落后，在研發(fā)、設(shè)計(jì)方面與歐美國(guó)家差距較大，盡管近年來(lái)已有長(zhǎng)足進(jìn)步，特別是海洋石油981深水半潛式鉆井平臺(tái)的研制成功，使我國(guó)逐步具備深水油氣田的勘探、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的能力，但仍有漫長(zhǎng)的路需要探索。
 

圖1  中國(guó)海洋油氣資源開(kāi)采的進(jìn)程

 

　　二、深海裝備開(kāi)發(fā)技術(shù)的核心問(wèn)題

 

　　深海裝備開(kāi)發(fā)技術(shù)的核心問(wèn)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(fù)雜下的一系列材料與裝備的開(kāi)發(fā)技術(shù)問(wèn)題。

 

　　從根本上說(shuō)，我國(guó)深海裝備的制約瓶頸是專(zhuān)用材料短缺。深海資源開(kāi)發(fā)、深海科學(xué)探索、深海國(guó)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(zhuān)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(lài)國(guó)外進(jìn)口，嚴(yán)重制約了我國(guó)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(wèn)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(huì)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(huì)變?yōu)榫植奎c(diǎn)腐蝕，導(dǎo)致材料很快失效。

 

　　深海條件下溶氧量減少，導(dǎo)致不銹鋼鈍化膜自修復(fù)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(dǎo)致微生物腐蝕嚴(yán)重。微生物腐蝕以厭氧硫酸鹽細(xì)菌為主，厭氧型微生物腐蝕釋放硫化氫氣體，會(huì)導(dǎo)致材料硫化氫腐蝕，甚至帶來(lái)材料應(yīng)力腐蝕。深海環(huán)境不同更容易引起高強(qiáng)度不銹鋼的應(yīng)力腐蝕。

 

　　深海極端環(huán)境下腐蝕防護(hù)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(lèi)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(cè)試研究體系，深海掛片投樣最深只有1200米，長(zhǎng)期實(shí)海試驗(yàn)站尚未建立，對(duì)深海裝備技術(shù)及材料研發(fā)更是鳳毛麟角。

 

　　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(guó)用于深海鉆采的關(guān)鍵裝備主要來(lái)源于國(guó)外進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)鉆采裝備的制造狀況與國(guó)外差距明顯。目前深海鉆采裝備國(guó)產(chǎn)材料熱處理后機(jī)械性能達(dá)不到API Spec7的規(guī)定，不能應(yīng)用于震擊器、減震器、鉆具等長(zhǎng)時(shí)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(shí)，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(shí)間僅15-30天左右，所用材料在強(qiáng)度、耐蝕性等方面暴露的問(wèn)題嚴(yán)重影響了深海油氣鉆采工作的開(kāi)展，鉆柱（井下馬達(dá)）鉆頭、鉆桿軸承、傳動(dòng)系統(tǒng)部件均有材料問(wèn)題。深海立管與采油樹(shù)部位等特殊部位管接頭、臍帶纜、系泊鏈、錨鏈、萬(wàn)向軸等軸類(lèi)耐蝕承力結(jié)構(gòu)部件、各類(lèi)深海泵體、閥門(mén)、固定銷(xiāo)、各類(lèi)緊固件等存在強(qiáng)度、耐蝕性等問(wèn)題。深海探測(cè)裝備深潛器機(jī)械手、采樣機(jī)械裝置、潛標(biāo)用高強(qiáng)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(yùn)輸設(shè)備均存在材料問(wèn)題，以深海打撈工具如磨銑類(lèi)打撈工具為例，其使用壽命僅為6h.

 

　　同時(shí)由于深海環(huán)境復(fù)雜，研究費(fèi)用高昂，目前相關(guān)材料在深海的公開(kāi)使用與失效數(shù)據(jù)甚少或處于保密狀態(tài)而鮮有報(bào)道。深海環(huán)境模擬、特種材料制備與防護(hù)技術(shù)在深海材料研究和應(yīng)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(lài)國(guó)外進(jìn)口，嚴(yán)重制約了我國(guó)深海高新科技的發(fā)展。

 

　　急需開(kāi)展深海裝備用超級(jí)不銹鋼的系統(tǒng)研發(fā)，研究多種因素對(duì)材料腐蝕、強(qiáng)韌化及使用性能的影響，開(kāi)發(fā)出具備高強(qiáng)、高耐磨及良好的耐點(diǎn)蝕、應(yīng)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(yīng)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(yùn)裝置、深海油氣采、集、輸裝備等用材料強(qiáng)度和耐蝕性等問(wèn)題，對(duì)我國(guó)深海裝備用材的解決及國(guó)產(chǎn)化具有深遠(yuǎn)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(fù)雜多變，海底管道對(duì)原材料、管道焊接、敷設(shè)施工、維護(hù)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(duì)鋼管的幾何精度、表面質(zhì)量、D/t提出更嚴(yán)格的要求；深海溫度低、壓力大，對(duì)鋼管的斷裂韌性指標(biāo)要求更高；深海溶氧量增加，海水、海泥和海底微生物等對(duì)鋼管的腐蝕行為復(fù)雜，對(duì)鋼管的耐腐蝕性能提出更高的要求；對(duì)H2S和CO2含量的油氣介質(zhì)來(lái)說(shuō)，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(yīng)具有良好的縱向強(qiáng)韌性、塑性，以及抗疲勞能力。

 

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

 

　　我國(guó)海洋石油經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)，已經(jīng)具備了自主開(kāi)發(fā)300m以?xún)?nèi)水深海上油氣田的技術(shù)能力，建成的海底管道超過(guò)2000km,通過(guò)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(jì)、鋼管制造、管道建設(shè)能力，國(guó)內(nèi)首次在南海荔灣LW3-1項(xiàng)目中應(yīng)用國(guó)產(chǎn)X70鋼管，管徑最大 765.2mm,壁厚最大31.8mm,但無(wú)法實(shí)現(xiàn)深水鋼管在塑性、強(qiáng)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(duì)南海70%資源蘊(yùn)藏于深水水域，急需研究≥1500m水深環(huán)境下輸送鋼管的力學(xué)、腐蝕和疲勞等行為，開(kāi)發(fā)滿(mǎn)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(yǔ)

 

　　深海開(kāi)發(fā)，材料先行，深海材料研發(fā)將是推動(dòng)我國(guó)深海工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重。通過(guò)建立由材料研發(fā)、深海裝備及其制造成果應(yīng)用的相關(guān)平臺(tái)，促進(jìn)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(duì)我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展將起到重大引領(lǐng)帶動(dòng)作用。