“上天、入地、下海”是人類探索自然孜孜以求的目標。伴隨著“航海家號”太空飛船 220億公里的漫漫征途飛離太陽系去探訪更為遙遠的神秘空間、“玻璃地球”等重大探地工程進一步刻畫地球內部精細結構，深海這一見證日月變遷、桑田變換的人類近鄰也并不平靜。海洋是生命的搖籃、資源的寶庫、交通的命脈，是人類繁衍生息和持續發展的重要資源。深海蘊藏著豐富的戰略資源與能源，是高科技的舞臺、是重大科技理論的誕生地等，這些都深深地吸引著社會各界的眼球。

    在 我 國， 發 改 委 今 年 公 布 的“十三五”100 個大項目中第 26 條明確指出：發展深海探測、大洋鉆探、海底資源開發利用、海上作業保障等裝備和系統。推動深海空間站、大型浮式結構物開發和工程化。然而，深海環境中材料和構件的失效嚴重威脅著深海工程及裝備的服役安全，成為深海工程及其裝備制造發展的制約瓶頸。為了全面科普深海材料失效關鍵科學，分享深海環境下最前沿的電化學新理論、新方法、新技術，為我國深海海洋重大工程的選材設計和腐蝕防護、制定海洋材料服役研究的發展方向提供理論依據。記者特邀請到“海洋工程裝備材料腐蝕與防護關鍵技術基礎研究” 973項目首席科學家、北京科技大學李曉剛教授做相關方面的精彩解讀。

    李曉剛，北京科技大學教授、博導；“海洋腐蝕 973 項目”首席科學家；國家材料環境腐蝕平臺主任；中國腐蝕與防護學會副理事長兼秘書長；教育部腐蝕與防護重點實驗室主任；國際腐蝕理事會理事。多次獲得國家及省部級以上科技進步獎和自然科學獎；率領團隊獲得了美國腐蝕工程師協會 NACE2016 年的杰出團體獎。在國內外同行中具有很高的知名度和影響力。

李曉剛教授

    開展深海腐蝕研究 為裝備運行保駕護航

    深海是人類資源的寶藏、國家安全的前沿和未來經濟發展的支撐。深海蘊藏著人類社會未來發展所需的各種戰略資源和能源，油氣、多金屬結核、富鈷結殼、多金屬硫化物、天然氣水合物等新型資源具有重要的科研與商業應用前景，被譽為 21 世紀人類可持續發展的戰略接替能源；深海生物基因資源是近年來引起國際關注的新型資源，目前國際上深海生物基因資源的應用已經帶來數十億美元的產業價值 ；深海也是當代各種通用技術和最新技術在深海大洋的綜合演練場：主要表現為海洋立體觀測系統；深海技術具有軍民兩用的突出特點，如深潛器、海洋觀測與探測技術、水聲通訊技術、船舶制造技術、無源導航技術、全球精確定位技術等等；同時深海也是重大科技理論的誕生點。因此，當前深海已成為科技界與人類關注的熱點。近年來，發達國家爭相布局深海開發戰略，開展深海資源開發相關技術的研發和科學研究。美國、俄羅斯、印度、澳大利亞、挪威、日本和荷蘭等國家都先后通過了新的海洋戰略和政策，特別制定了實施深海資源開發的綜合管理計劃，旨在加快深海資源的綜合開發。國際深海資源的開發和爭奪已漸進白熱化，其中深海開發相關的裝備選材設計、服役安全與壽命預測等基礎科學問題的研究也成為學科發展的前沿。

    目前，我國深海水環境下材料服役安全與壽命預測系統的相關研究尚在起步階段，工程設計和制造所需要的關鍵基礎數據處于空白，工程建設缺乏充分的科學依據，這是導致我國深海事業發展舉步維艱的重要原因之一。

    深海環境是一種極為苛刻的腐蝕環境，尤其對于金屬而言是高腐蝕性環境，其中的氧濃度、 光照量、 pH 、 溫度、 鹽度、流速等條件與淺海環境中大不相同。引發的應力腐蝕而導致災難性后果，嚴重威脅深海裝備的安全性和可靠性。深海自然環境試驗系統復雜、試驗費用高、可靠性低，導致材料的腐蝕規律與失效機制仍停留在表觀認識，缺乏系統的研究，不能指導海洋專用材料的制備與開發，給深海的研究和開發帶來很大困難。

    因此，開展深海環境中的腐蝕規律及控制方法的研究，對延長深海金屬結構設施的使用壽命，保證深海構筑物的正常運行和安全使用，以及促進海洋經濟的發展具有十分重要的意義！

    打造頂級科研平臺 開創深海腐蝕數據先河

    深海資源開發具有技術難度大、經濟成本高、持續時間長、參與人員多等特點，資料和實物樣本采集成本極為高昂，資料副本、實物樣本的匯交與共享服務倍受世界各界長期關注。深海極端環境及深海微生物對于裝備材料的腐蝕、深海材料制備技術、蝕損機制研究是深海資源開發的制約瓶頸。

    國際上在深海材料腐蝕規律研究方面已經開展了一些初期工作，開始了解到不同深度海水環境對材料腐蝕行為的影響規律。隨著海水深度加大，對于材料的腐蝕數據積累和表征方法研究的難度越大，目前世界上僅有少數國家開展了材料的深海實海腐蝕實驗，取得了寶貴的腐蝕數據。

    我國的深海腐蝕研究工作起步較晚，直到 2008 年才首次在中國南海海域進行了深海腐蝕實驗裝置的投放工作。其中，由李曉剛教授負責的國家材料環境腐蝕平臺聯合中船重工 725 所，在南海 500-1200m 成功進行了材料第一階段的投試工作，歷經 3 年的試驗周期將樣品成功取回。這是材料在中國南海深海環境中的首批腐蝕數據，對后續工作具有指導意義。

    國家材料環境腐蝕平臺（以下簡稱“平臺”）是由科技部批準建設的國家科技基礎條件平臺，是長期從事材料環境腐蝕數據積累和試驗研究的基地，多年來，平臺長期堅持開展材料腐蝕試驗研究和數據積累工作，在李曉剛教授的領導下，平臺在深海環境腐蝕數據積累方面取得了較為豐碩的成果！目前在“平臺”工作也是李曉剛團隊的主要科研工作之一，該團隊有教授、研究員、高工共 15 人，在讀博士、碩士研究生130 人。主要有兩大研究方向：基礎研究和應用基礎研究。基礎研究包括材料自然環境（大氣、水、土壤）腐蝕行為與機理、 材料工業環境 （石油化工、 核電）腐蝕行為與機理、微生物腐蝕及材料生物相容性行為與機理、材料腐蝕大數據及腐蝕模擬計算、高分子材料環境老化行為及機理、鋼筋混凝土腐蝕與防護；應用基礎研究包括新型耐蝕材料研究、電化學保護技術、高性能緩蝕劑、防腐蝕涂層及表面處理技術。在數據積累方面，李曉剛團隊持續開展黑色金屬、有色金屬、建筑材料、涂鍍層材料及高分子材料等 400 多種常用材料的外場腐蝕試驗，積累腐蝕數據 425 萬條。如此大規模、長周期、多品種系統化材料海洋腐蝕公益性數據積累，在世界范圍內也尚屬首次！提出腐蝕大數據概念及基因組工程，建成了我國數據量最大、內容最豐富的材料海洋腐蝕數據庫和共享平臺，提出了“腐蝕大數據”原創性概念、理論框架與技術體系。創建的“中國腐蝕與防護網”（www.ecorr.org），成為我國最大的材料腐蝕數據公益性共享系統。開創了腐蝕數據網絡化共享的新模式，起到了國際性的示范效應。

深海腐蝕實驗設備

李曉剛團隊成員

    在海洋腐蝕評價新技術方面，李曉剛團隊研發了系列化的海洋環境腐蝕室內加速模擬試驗新技術。獲得國家授權專利 17 項，其中發明專利 8 項，實用新型 9 項！其中，基于“薄液膜理論”的海工高強鋼應力腐蝕試驗新方法和8000 米深海模擬環境腐蝕電化學測量技術屬首創。

    在工程應用方面，李曉剛團隊針對國家科技、經濟、和社會發展的多個領域發展和技術創新的科技需求，開展了全面的工程應用：（1）重大工程建設：三峽工程、西氣東輸工程等。（2）航空航天：“天宮二號”、“大飛機”等。（3）交通：高速鐵路等。（4）汽車：大眾、通用、吉利汽車、長安等。（5）電子：華為、美的、格力等。（6）鋼鐵：武鋼、寶鋼、南鋼、馬鋼等。（7）國防：“XX 導彈”、“XX 火箭”等。（8） 海洋工程：海水淡化、 海底管線等。（9）石化：CO 2 驅油、埋地管線等。 （10）新能源：風力發電、太陽能等。（11）電力：國家電網等。其中成功實現了全船綜合防護工程技術重大創新，解決了我國海洋石油鋪管工程向 3000 米深水邁進的關鍵防護技術問題。特別是“大型飛機核心材料及部件環境適應性試驗研究服務專題”和“空間站核心材料及部件環境適應性試驗研究服務專題”入選國家“十二五”科技創新成就展！

    多年來，李曉剛教授及其團隊共獲得國家專利近百項，國家級科技獎 2 項，省部級獎 10 余項，美國腐蝕工程師協會頒發杰出團體獎和杰出工程獎各1項。為我國防腐蝕事業和國家建設方面作出了諸多重要貢獻！

    國內外深海腐蝕初探 “平臺”再創數據佳績

    深海水環境含鹽量高、電阻率低、氧濃度低、壓力高和溫度低等導致腐蝕相關參數發生變化。目前獲得的數據也證明材料在深海環境中腐蝕行為存在異常現象：如材料鈍性和活性的轉變，縫隙腐蝕的加速，應力腐蝕、氫致開裂等局部腐蝕破壞規律明顯不同于淺海。但是，隨著海水深度加大，對于材料的腐蝕數據積累和表征方法研究的難度越大，李曉剛教授表示目前世界上僅有少數國家開展了材料的深海實海腐蝕實驗，取得了寶貴的腐蝕數據。

    美國海軍研究實驗室、海軍水文局、海軍水下兵器站曾經聯合開展了 700-2000m 范圍內的深海條件下各類常用金屬的腐蝕性能研究。美國海軍于 1962-1970 年在加州懷尼美港西南 150km、深為 1829m 的太平洋海底和懷港西面139km、深為 762m 的太平洋海底進行了系統的、廣泛的材料腐蝕投樣實驗。

    暴露材料有 475 種合金，2 萬片試樣，包括各種鋼鐵、銅合金、鎳合金、不銹鋼、鋁合金、鈦合金、稀有金屬及合金、各種金屬繩索，以及各類海洋用聚合物材料、塑料、橡膠、有機復合材料等。暴露在 700-2000m 的海水和海泥中， 暴露時間分別為125-1064天不等，獲得了大量現場數據，為其深海裝備選材、武器裝備研制和科學發展奠定了堅實的基礎。英國在上世紀 70 年代分別調查了鋁鎂合金在太平洋表層海水和深海中的腐蝕行為，主要也是為了發展新型的海洋和深海用高效長壽命的新材料提供技術支持。印度國家海洋技術研究所在本世紀初，采用三階段的實海掛片方法研究了 22 種結構材料在印度洋中阿拉伯海和孟加拉海灣的淺海、500m、1200m、3500m 和 5100m 深度暴露一年的腐蝕行為，所得到的數據也用于其深海工程材料的研制和發展。

    國家材料環境腐蝕平臺已于前期在南海海域完成了深海投洋裝置在 1300米深度的實海投放試驗，并試驗中同步采集了各層海水的溫度、壓力、鹽度、pH 值、氧化還原電位、含氧量、流速流向等環境因素，取得了與腐蝕密切相關的環境因素數據。項目組并成功進行了300-2000 米的深海腐蝕實海試驗，投試樣品包括黑色、有色金屬及涂層材料共 24 種，這些材料廣泛用于海洋平臺、結構件，油氣管線、海底油氣田鉆探以及船舶等領域，具有很強的實際意義。

    同時，為了和淺表層海水腐蝕規律對比，還投放了對應的標準材料，增強了深海數據與淺海數據的可比性。這次試樣的成功投放標志著中國深海環境腐蝕研究嶄新的開端，為開展材料在我國深海環境的腐蝕研究奠定了堅實的基礎！

    加強應力腐蝕研究 重視深海裝備防腐

    《世界深水報告》稱，44% 的油氣儲藏在深水中，而現在深水油氣的開發量僅占總油氣儲量的 3%。目前中國南海深水區已成為世界石油界重點關注的目標之一，據估算，南海主要盆地的油氣資源量為 707.8 億噸，其中天然氣資源量為 58.2 萬億立方米，石油資源潛在量為 291.9 億噸。不過，這些油氣資源大多分布在 3000 米以下的深海里。

    而我國深水勘探的序幕在 2006 年才開啟，深水的勘測還處于起步狀態。海洋油氣開發風險大，一旦裝備出現問題，風險可能不可控，甚至會導致幾十億元的巨大投資付諸東流。

    隨著深海油氣資源的逐步開發，對海底油氣管道的需求量增大，但面臨著向深海發展的技術難題，海底管道處于浪、流、蝕等惡劣環境下，特別在深海海域，對材料提出了更高的要求。同時，海底管道的服役期一般都超過 20 年，設計要求免維護或者少維護，必須以高性能的材料作為保障。近年來，我國材料技術雖然已取得長足進步，但與國際先進水平和我國發展需求相比，在海底管道方面仍然存在諸多方面的不足。目前，國外海底管道工程中非酸性環境下應用的最高鋼級為 X70，酸性環境下應用的管材最高鋼級為 X65；鋼管壁厚最大為 41.0mm，D/t 最小為 15.8。我國海底管道建設中普遍應用的是 X65 鋼管，X70 鋼管的應用較少。鋼管最大壁厚為 31.8mm，D/t 最小為 20.0。

    美國海軍于 1962-1970 年在太平洋海底進行了系統而廣泛的材料腐蝕投樣實驗，研究結果表明，多數合金在深海環境中對應力腐蝕不敏感。只有少數合金在深海環境中對應力腐蝕敏感。隨著我國海底油氣資源的開發，海底管線的重要性也日益凸顯，管線鋼的抗壓潰性、耐局部腐蝕性能越來越重要；常用的海底管線鋼主要有 X52、X60、X65、和 X70，甚至連 X80 級別的海底管線鋼也開始應用。探明這些新材料在深海水環境中服役時的耐腐蝕性能及其機制，尤其是應力腐蝕行為和規律是解決深海水環境腐蝕防護技術的關鍵。而近年來針對材料在深海環境中的應力腐蝕行為和規律的研究鮮有報道。李曉剛教授表示還需要我們繼續為之努力，他具體提到了目前深海環境中材料的應力腐蝕兩大研究進展。

    1、氫在材料應力腐蝕中的作用研究進展

    深海環境溶氧量低，促進了陰極析氫反應。陰極還原生成的氫原子可以吸附在金屬材料表面并擴散進入內部，并在裂尖應力集中區富集。另外，氫還會與位錯發生交互作用，這些因素都對材料的力學性能、電化學性能和應力腐蝕性能產生影響。眾多學者對氫脆機理進行了廣泛地研究，目前比較主要的氫脆機制包括：應力誘發氫化物形成和解理、氫致局部塑形模型和氫致結合力降低模型。應力誘發氫化物形成和解理機制適用于在應力場下能夠形成穩定氫化物的金屬體系中，例如：Vb、Ti 和 Zr 等。

    氫致局部塑形模型首先由 H.K.Birnbaum在 1990 年提出，之后 I.M.Robertson 又對其進行了完善。其特征在于原子氫通過彈性場屏蔽效應促進了位錯滑移，導致局部剪切力降低。氫致局部塑形斷裂過程中，微孔沿易滑移面聚集融合從而導致材料破裂。這是具有高度局部塑形變形的斷裂過程，而不是脆性斷裂。氫致結合力降低模型是 A. R.Troiano 在1960 年提出的。該模型假設氫固溶進入金屬內部導致晶格膨脹，降低了裂紋前緣原子鍵結合能，從而斷裂能降低。總而言之，氫致局部塑形模型更適用于塑性斷裂，而氫致結合力降低模型更適用于脆性斷裂。

    Barnoush 等采用原位電化學的方法在雙相不銹鋼中觀察到了氫致塑性現象。將原位電化學充氫與原子力顯微鏡和光學顯微鏡相結合研究氫對雙相不銹鋼中奧氏體相的影響。觀察到了充氫導致的奧氏體不可逆變形。退火過程中奧氏體中形成的殘余應力結合氫激活的位錯源共同導致了原位充氫過程中奧氏體表面滑移線的形成。Pezold 等以 NiH 系統為模型，分析了氫致局部塑形的提高，重點分析了 H-H 交互作用和氫化物的形成。研究表明，H 原子之間的相互吸引會極大地提高位錯拉應變場周圍的局部氫濃度，從而導致局部氫化物沿位錯線生長。基于氫致局部塑形模型，當不存在 H-H 交互作用時，需要 10 at% 量級的氫才能誘導應力屏蔽效應。而即使存在微弱的 H-H 交互作用，都會顯著降低 HELP 的起始氫濃度，低至 1.6×10-2at%（160ppm）的氫濃度也會導致氫脆。

    局部氫化物的形成會誘發沿位錯滑移面分布的強烈短程屏蔽效應，可能導致微裂紋的形核和氫脆的發生。

    2、氫、應變和腐蝕電化學的交互作用研究進展

    油氣管道直接放置在海床上或處于懸跨狀態，因此，會隨著海底地形變化、洋流、地質因素而產生眾多的附加結構拉應力。同時管線敷管時有較高應變，由此可能導致應變區局部腐蝕敏感。很多學者研究了在彈性或塑性應變對材料腐蝕電化學行為和 SCC 的影響規律，以及應變和腐蝕電化學的交互作用。E.M.

    Gutman 提出了力學化學效應，即塑性變形對材料陽極溶解的影響。研究表明，在加工硬化階段，變形促進金屬電極電位的下降和陽極電流的增加。改變的程度和應變強化率相關。力學和電化學效應的交互作用提高了金屬表面活性，加速了結構件的斷裂。B.T.Lu 等研究了塑性預應變對 X70 鋼焊縫在近中性溶液中的 SCC 敏感性的影響。結果表明，塑性預應變降低了 X70 鋼焊縫各個區域的SCC 抗力，這和屈服強度的提高有關。

    R.N.Parkins 認為應力會對膜破裂、再鈍化和點蝕產生重要影響，而這些對裂紋形核和擴展有直接關系。W.Chen 等人研究發現殘余應力和加載的拉伸應力會加速腐蝕，促進微孔形成。R.K.Ren 等研究了低碳鋼在 3.5% NaCl 溶液中微彈性應力和電化學腐蝕行為之間的交互作用。結果表明，應力和電化學腐蝕之間存在非線性關系。在微彈性變形初期，施加的機械能激活了金屬表面，促使腐蝕溶液在金屬表面更易聚集形成薄液膜，從而加速了電化學腐蝕過程。當應力逐漸增加到某一臨界值時，多余的機械能不僅會影響樣品表面的腐蝕行為，而且會增加金屬局部區域的微塑性變形。

    由此可知，氫和應變對應力腐蝕的作用是一個很復雜過程， 有待進一步的研究。

    打破材料技術瓶頸 聚焦深海裝備防腐

    深海之爭歸根結底為資源之爭，深海資源開發非常依賴于材料科技的發展，特別是專門用于深海探測與使用的材料。

    隨著我國深海事業的發展，材料腐蝕問題已成為深海裝備發展的技術瓶頸。鑒于當前對深海材料腐蝕研究的現狀，李曉剛教授提出了自己的看法。他認為海洋科技事關國家未來，應面向國家海洋工程重大工程和裝備的重大戰略需求，聚焦于海洋環境中腐蝕和生物污損兩大問題，瞄準高濕熱海洋大氣、深水生物污損和深海極端三個典型海洋環境，擬解決 “多因素下材料腐蝕及損傷的力學-電化學交互作用機理與規律”、“高濕熱環境下材料腐蝕的化學 - 電化學相互作用機理與規律”、“海洋環境中生物在材料表面的粘附與微生物腐蝕機理”和“深海和高濕熱環境下新型耐蝕耐磨金屬和防護材料的結構與性能調控”等4 個關鍵科學問題，建立多重環境耦合作用下的材料腐蝕損傷、磨蝕失效和生物污損行為與機理的基礎研究的新方法、新理論；穩定一支以海洋腐蝕與防護為背景的研究隊伍，建立具有國際競爭力的海洋環境腐蝕科學基礎研究基地。通過腐蝕、磨損、沖蝕、污損、材料等多學科交叉， 匯集材料-腐蝕、 磨損、 沖蝕、污損 - 防護的系統研發結果，為實現我國“海洋強國夢”奠定科學基礎！

    后記：

    海納百川，包容萬物。回顧幾千年來中華民族“輝煌與屈辱并存”的海洋之路，海洋對于一個國家的重要性不言而喻，隨著中國航母的首次試航，我們構建“海洋強國夢”不再是遙不可及。走向深藍，走向深海，彰顯中華民族的本色， 開創中華民族的輝煌未來！這是我們每個中國人的責任和義務。

    大家行動起來，聚焦深海裝備防腐，為實現“海洋強國夢”而努力吧！

    人物簡介

    李曉剛，北京科技大學教授、博導；國家材料環境腐蝕平臺主任；中國腐蝕與防護學會副理事長兼秘書長；教育部腐蝕與防護重點實驗室主任。“海洋腐蝕973項目”首席科學家；國際腐蝕理事會理事。

    我國材料環境腐蝕與防護領域主要學術帶頭人之一。長期堅持材料環境腐蝕機理應用基礎研究，獲得了鋼鐵、高分子等材料在大氣、土壤、海洋環境的腐蝕規律；領導創建了國內最大的材料環境腐蝕試驗與共享的規范化平臺和數據量最大的腐蝕數據庫；發展了環境腐蝕試驗系列化新技術，為解決航天、海洋、石油等國家重大工程的材料腐蝕難題提供了技術支撐，解決了“天宮一號”重大腐蝕難題，為其按時發射提供了重要科學依據，對發展我國材料環境腐蝕學科做出了創造性貢獻。

    2005年起擔任國家科技基礎條件平臺-材料環境腐蝕平臺負責人；是“海洋工程裝備材料腐蝕與防護關鍵技術基礎研究”973項目首席科學家。與合作者共同發表SCI和EI收錄論文339篇，出版專著9部（第一作者9部），譯著1部，主持編輯出版國內首部“腐蝕學科進展報告”；主編教育部規劃教材1部；授權國家專利35項。培養博士后5名、已畢業博士49名、已畢業碩士78名。獲國家科技進步二等獎2項（排名第一）；省部級科技進步一等獎5項（排名第一）；獲“全國優秀科技工作者”、“北京市師德模范”“北京市百名科技領軍人物”稱號，獲執行“十一五”國家重大科技計劃優秀團隊獎。在國際同行中已經具有重要的影響力。