一、研究的背景與問題

材料腐蝕造成的災難性海洋事故頻發，嚴重制約了海洋工程裝備服役安全和海洋藍色經濟的發展，其主要原因在于對我國海洋腐蝕規律缺乏系統認知，高性能耐蝕海工鋼調控理論和技術研究補助，防護技術體系落后。海工鋼腐蝕機理和耐蝕調控微觀理論研究不足以及高性能耐蝕鋼制備與應用關鍵技術缺乏，導致我國低合金鋼耐蝕性差、品種少，是制約自主品牌研發應用和“走出去”戰略的難題。從2010年開始，項目針對以上難題，探索創建數智雙驅的海洋腐蝕機理與規律研究和新型海工鋼研發新模式，建立了海工鋼耐蝕性設計與調控智慧化新方法，通過研發系列自主海工鋼新品種，及其配套焊接與涂裝技術等關鍵技術，促進了高品質耐蝕鋼材并實現了產業化，建立了服役過程中鋼鐵耐蝕性智慧化監控關鍵技術突破。提升了我國海洋工程材料的競爭力，保障了我國重大長壽命海工裝備實現“完全自主品牌”和“走出去”戰略的設施。

近年來，在高純凈細晶化理論指導下，我國低合金鋼鐵的強韌性得到大幅度提升，但其耐蝕性差及其配套技術缺乏成為各類裝備制造的關鍵共性技術難題，我國傳統耐蝕鋼的研發依然參照美國1995年提出的I指數，僅考慮了Cu、P、Cr和Ni元素對材料耐蝕性的影響，忽略了鋼中夾雜物類型、微觀組織結構變化和環境因素波動對材料耐蝕性的影響，導致耐蝕鋼的環境適應性較差，維護成本較高，無法滿足嚴酷海洋環境工程建設的需求，原因在于：（1）環境對材料耐蝕性的協同作用機制與耦合交互作用研究的缺失；（2）高品質耐蝕鋼鐵冶金調控理論與技術的缺乏；（3）缺少高通量智慧化鋼材耐蝕性評價方法，導致研發周期長；（4）鋼材焊接、涂裝和電化學保護等配套技術體系的不成熟；（5）鋼材服役過程環境與腐蝕過程耦合交互作用監控技術的缺乏等等，成為我國高品質耐蝕鋼研發與升級換代的最大障礙。

針對以上問題，由北京科技大學、鞍鋼股份有限公司、首鋼集團有限公司、南京鋼鐵股份有限公司和新興鑄管股份有限公司組成的項目組在首創腐蝕大數據理論基礎上，發明了由材料腐蝕過程多源異構數據高通量原位采集、多維關聯智能數據庫、數智雙驅腐蝕建模仿真、數字孿生共享應用等集成的腐蝕大數據新技術，構成了耐蝕鋼數智化制備的核心技術，建成世界最大的動態腐蝕數據庫，建立了高品質鋼鐵耐蝕性調控數智化新理論，變革了耐蝕鋼鐵傳統試錯設計方法，研制了系列品種及焊接、涂裝配套綜合綜合新技術，實現了我國長壽命海工用低合金鋼鐵耐蝕性能大幅度提升和耐蝕鋼鐵升級換代、重大工程示范和產業化。

二、解決問題的思路與技術方案

海工用鋼耐蝕性調控極其復雜，涉及冶金-制造-服役全鏈條。解決海洋環境下我國鋼鐵耐蝕性差、配套焊接-涂裝技術缺乏的關鍵共性技術難題，在于理清材料本征因素與環境耦合交互作用，以及建立創新領先的耐蝕鋼研發理論和焊接-涂裝配套技術。本項目研究思路為：首先是構建堅實腐蝕數智化研究理論基石，建成了我國首個材料海洋腐蝕數據庫和海洋腐蝕數據-知識深度學習融合智算平臺，創建了“大數據”和“人工智能”的數智雙驅的海洋腐蝕機理與規律研究和新型海工鋼研發新模式；其次是建立了數智驅動鋼鐵耐蝕性設計理論和鋼鐵耐蝕性數智化調控新技術及其焊接-涂裝配套技術，解析了材料內在因素及海洋環境因素對海工鋼耐蝕性的內秉關系，發明了海工鋼合金成分、組織結構和表面氧化皮狀態等因素復合調控的耐蝕鋼設計成套新技術，解決了海工鋼焊縫耐蝕性調控技術缺乏的重大難題，發明了耐蝕鋼-防腐涂層高通量組合芯片技術，實現涂層體系精細定量匹配設計，研發了環境響應-銹蝕抑制力強的智能涂料體系；最后發明了服役過程中鋼鐵耐蝕性智慧化監控關鍵技術并進行了重大工程示范，研發了系列化高性能耐蝕鋼鐵新品種，實現新產品耐蝕性能和綜合性能的顯著提升，建立了我國乃至全球范圍首個系統全面的海底管道材料腐蝕數據庫與智能監控平臺，應用于海上風電、石油平臺、跨海大橋、船舶、島礁建設、沿海鋼鐵廠和沿海電網等工程，實現了以上海洋裝備服役壽命精準預測，產生了重大的經濟效益。

 圖1 海工鋼耐蝕性調控數智化理論框架圖

這種建立在“腐蝕大數據”和“人工智能”基礎上的數智雙驅耐蝕設計理論和耐蝕性數智化調控成套新技術，是發展新一代長壽命海工用耐蝕鋼鐵及其冶金新技術、配套焊接與涂裝關鍵應用技術的創新與突破，提升了我國先進鋼鐵材料和重大裝備的國際競爭力。

三、主要創新性成果

1、利用傳統掛樣方法和國際首創的腐蝕大數據技術，建成了我國首個材料海洋腐蝕數據庫和海洋腐蝕數據-知識深度學習融合智算平臺，創建了“大數據”和“人工智能”的數智雙驅的海洋腐蝕機理與規律研究，以及新型海工鋼研發新模式，系統獲得了我國海洋環境下鋼鐵腐蝕特征與規律，奠定了我國長壽命海工鋼研發的科學數據基礎。

（1）發明了全球首款芯片級高通量叉指電極結構的瞬態腐蝕電流傳感器，獲得了世界首例材料腐蝕大數據流，為耐蝕鋼設計由“經驗法”轉為“數智驅動”方法奠定了堅實的基礎；

（2）首創了智慧化腐蝕模型和智能數據庫技術，形成了一套利用灰關聯分析、主成分分析、Pearson相關性、因子分析等多種線性或非線性分析方法，是國際首創的腐蝕大數據專用核心算法，創建了“大數據”和“人工智能”的數智雙驅的海洋腐蝕機理與規律研究和新型海工鋼研發新模式；

（3）建立了我國首個材料海洋腐蝕數據庫和海洋腐蝕數據-知識深度學習融合智算平臺，完成了國內最全面最系統的實海投樣，首次系統充實了在我國南海的實海腐蝕數據積累及數據庫建設；構建了海洋腐蝕數據-知識深度學習融合智算平臺，解析了海洋腐蝕因素與材料腐蝕過程的內秉關系，理清了我國海洋腐蝕規律特征。

圖2 （a）腐蝕大數據專用傳感器，（b）腐蝕大數據評價系列方法，（c~d）大數據核心智慧化腐蝕模型

以上成果為鋼鐵耐蝕性數智化設計理論和調控技術的建立奠定堅實的理論與技術基礎，實現了鋼材服役適應性理論與技術突破，推動了耐蝕合金設計由“經驗法”向“數智驅動”方法的轉變，屬于國際首創。

2、創建了數智雙驅的鋼鐵耐蝕性設計新理論，由此建立了海工鋼耐蝕性-成分-組織結構-表面氧化皮-海洋環境因素動態跨尺度動力學演化模型，發明了海工鋼合金成分、組織結構和表面氧化皮狀態等因素復合調控的耐蝕鋼設計成套新技術，解決了傳統耐蝕鋼單靠合金元素調控耐蝕性的不足，建立了海工鋼耐蝕性設計與調控智慧化新方法。

（1）建立了主合金元素、微合金元素、環境參數和腐蝕產物的人工智能分析模型，解析了各類因素對材料耐蝕性的內秉關系、明確了各因素影響比重。

 圖3 （a）鋼鐵耐蝕性數智化組織結構調控模型，（b）Ca、Sb調控鋼材表面銹層表征結果及耐蝕性提升示意圖

（2）建立了原奧氏體晶粒度、鐵素體相比例、貝氏體板條尺寸、夾雜物等主控組織因素與主控環境因素之間的多維參數對應關系，創建了海工鋼微觀組織結構數智化調控技術；揭示了馬氏體、貝氏體、珠光體和鐵素體之間電偶腐蝕微觀電化學機制，及其與夾雜物在腐蝕萌生過程中的競爭機制。

 圖4 （a）夾雜物誘發局部腐蝕三類機理與機制圖，（b）晶粒度對材料耐蝕性影響規律的數智化分析結果

（3）提出了鋼鐵表面銹層物化性能和環境參數對銹層保護性的數智雙驅融合預測模型和評價方法，創建了海工鋼氧化皮數智化調控技術。項目組聯合鞍鋼、南鋼、首鋼和新興鑄管等企業開發出高止裂性裂鋼板、大厚度液貨艙用高性能鋼、高強系列低合金成分體系的油船貨油艙用耐腐蝕鋼、極地船舶專用鋼、極地凝析油輪和極地甲板運輸船、高性能耐蝕螺紋鋼等。

3、建立了焊接組織和成分、應力、海洋環境等多因素機器學習融合模型，發明了海工鋼焊縫耐蝕性智慧調控新技術，解決了海工鋼焊縫耐蝕性調控技術缺乏的重大難題；發明了耐蝕鋼-防腐涂層高通量組合芯片技術，精確揭示了鋼成分-涂層配方-環境-耐蝕性內稟關系，實現涂層體系精細定量匹配設計；研發了環境響應-銹蝕抑制力強的智能涂料體系，成為我國深遠海裝備的關鍵技術。

（1）建立了包含焊接組織和成分、應力、環境等多因素機器學習融合模型；發明了新型低合金耐蝕鋼為主體、防護涂層和電化學保護匹配性能優異的智慧防腐綜合成套新技術；建立了耐氫-耐腐蝕高性能工程用鋼二元法設計原理，獲得了不同體系下耐氫-耐腐蝕綜合屬性兼優的高性能耐蝕鋼成分設計有效元素及其合理配比。

 圖5 焊縫耐蝕性主控因素數智建模分析及其結果

（2）建立了復雜極端環境大型鋼結構智慧化綜合防腐蝕設計和運維新技術，解決了極端環境下重防腐技術中鋼材耐蝕性、涂層和電化學保護相互精確匹配的關鍵技術難題，實現了極端環境下重大裝備與設施智慧化防腐蝕設計和運維。基于以上成果，發展了12種微合金化E690海工鋼及其配套涂層和陰保體系，在正常陰極保護電位及強析氫電位下，應力腐蝕敏感性降低25%以上，實現了新品種成分設計、涂層和陰保等三種保護技術的最佳配合。

 圖6 典型海洋環境新型重防腐涂層智能開發路線及涂層種類

（3）發明了基于液滴微陣列打印的耐蝕鋼-防腐涂層高通量材料組合芯片技術，建立了面向環境特征的定制化耐蝕鋼-防腐涂層設計方法，建立了多種具有環境響應能力、銹蝕抑制-轉化能力強的智能防腐涂料體系，提升了涂層對“六高”嚴酷環境下腐蝕萌生發展的響應能力和對mm級大尺寸涂層破損處鋼基底銹蝕擴展的抑制作用，延長了耐蝕鋼-涂層協同防護效應的有效作用時間2-3倍。成果先后4次獲得美國、歐洲涂料協會專題技術亮點報道指出，液滴微陣列緩蝕成分高通量篩選復配技術有力推動了防腐涂層高效篩選設計技術創新。

4、研發了服役過程中海工鋼耐蝕性智慧化監控關鍵技術，建立了我國乃至全球首個系統全面的海洋材料腐蝕數據庫與智能監控平臺，應用于海上風電、石油平臺、跨海大橋、船舶、島礁建設、沿海鋼鐵廠、沿海核電和沿海電網等工程，實現了以上海洋裝備服役壽命精準預測，避免了惡性事故的發生，產生了源源不斷的腐蝕大數據，應用以上長壽命海工鋼及其配套技術的優化與升級換代，產生了重大的經濟效益。

（1）首次闡明了大氣污染和高溫高濕高鹽環境分別是我國北方近海與熱帶海洋大氣環境應力腐蝕的主控因素，系統獲得了高強低合金鋼海水環境腐蝕疲勞微觀機理及主控因素；

（2）確定了海洋環境SCC的微觀環境因素、微元電化學過程、冶金因素（如晶界、夾雜物、M-A相等）的影響機制與作用因子；開發了系列耐海洋環境腐蝕斷裂高性能材料。

 圖7 深海管線和海洋平臺用鋼等典型海洋工程材料結構腐蝕規律研究成果舉例，其中（a）E690海工鋼及其焊縫組織在淺表海水環境中的腐蝕開裂規律，（b）X70鋼在0~3000米海水中的腐蝕規律，（c）為不同水深典型海工材料腐蝕規律匯總

（3）發明了設施裝備自然環境腐蝕數字孿生地圖系統，基于21國150個典型自然環境的空天地聯網觀測數據，構建了可充分反映8大類22種耐蝕鋼鐵及其焊縫和6種典型配套涂層體系腐蝕時空分布特征的全要素、高精度材料自然環境腐蝕數字孿生地圖，實現了不同地域和時域裝備腐蝕壽命預測，準確率達90%，成功應用于“六高”環境下的高鐵、電網、管道、建筑物、橋隧等13個行業裝備設施的智慧化運維管理，產生了重大經濟和社會效益。

 圖8 沿海地區電力設施耐蝕性數智調控關鍵技術應用情況

四、應用情況與效果

近年來，北京科技大學先進耐蝕鋼鐵項目組與鞍鋼、寶鋼、首鋼、南鋼、沙鋼、漣鋼、湘鋼、新型鑄管、興澄特鋼、建龍等大型鋼企簽訂合同125項，并擔任了中國鋼鐵協會“耐蝕鋼聯盟”的重要成員，與首鋼、南鋼、鞍鋼等大型鋼企開展協同創新，致力于低合金耐蝕鋼基礎理論研究、新品種開發和關鍵技術攻關，開展了本項目成果的廣泛工程應用和產業化推廣，成效顯著。所有鋼企耐蝕鋼研發或鋼鐵耐蝕性改性無一不用到由北京科技大學主導建設的腐蝕野外試驗平臺技術及其室內評價技術與標準。其中，本項目建設的腐蝕大數據理論與技術正在發揮著日益重要的作用，為我國耐蝕鋼的建設和發展奠定了堅實的基礎。

鞍鋼近年來與北京科技大學合作，建立了聯合腐蝕實驗室，對鞍鋼研究院的腐蝕裝備進行了腐蝕大數據改造和升級。為發展系列化長壽命海工鋼和其他品種的耐蝕鋼鐵奠定了堅實的基礎，不僅開發了20多種耐蝕鋼鐵新品種，而且傳統鋼鐵耐蝕性整體得到了明顯提升。

首鋼近年來與北京科技大學合作，建立了聯合腐蝕實驗室，協同進行耐蝕鋼及其配套新技術研究，發展了系列化高品質耐蝕鋼鐵及其配套技術，開發了10多種耐蝕鋼鐵新品種及其配套技術，包括免涂裝耐候鋼配套技術和高溫高濕高鹽海洋重防腐配套技術。

南鋼近年來與北京科技大學合作，建立了聯合腐蝕實驗室，不僅對研究院的腐蝕裝備進行了腐蝕大數據改造和升級，而且建立了野外腐蝕觀測站。開發了耐蝕鋼鐵新品種40多種，特別是免涂裝耐蝕鋼、橋梁鋼鐵耐蝕性得到了整體提升，各類鋼鐵耐蝕性形成了重要的市場知名度，市場占有率名列前茅。

新興鑄管近年來與北京科技大學合作，建立了腐蝕大數據分中心，對研究院的腐蝕裝備進行了腐蝕大數據改造和升級，建設了完整的數據庫平臺和野外站觀測技術，開發了48個新品種，包括耐蝕鋼筋32種和緊固件用鋼16種，鋼鐵耐蝕性得到了整體提升，產品已經用于川藏鐵路建設工程。

相關成果已發表包括Nature在內的SCI論文128篇，被超過40個國家/地區的1200余個研究機構、超過360個期刊及會議所引用和評述11836次。其中，“Share corrosion data ”單篇論文被SCI引用達到544次。項目主要完成人李曉剛被國際材料腐蝕學科頂級期刊“Corrosion Science”聘為首席顧問編委和Nature旗下期刊“npj Materials Degradation”主編，并先后獲得國際腐蝕工程師協會最高技術獎（2017年）和最高研究獎（2019年），當選國際腐蝕工程師協會會士和歐洲腐蝕聯合會會士。牽頭組織成立了由全球25個國家和地區的超過60余名腐蝕與防護領域科學家及行業精英參加的國際腐蝕降解學會，凸顯出我國在材料腐蝕與防護領域國際學術引領作用。