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封面人物 | 孫明先:探索材料深海腐蝕之謎構(gòu)筑裝備深海防護(hù)堡壘

2024-10-14 14:22:32 作者：本網(wǎng)整理來源：《腐蝕與防護(hù)之友》分享至：

在當(dāng)今世界,隨著各國對海洋資源的渴求日益增長．深遠(yuǎn)海資源開發(fā)已成為國際競爭的焦點。深海油氣資源.礦產(chǎn)資源.基因資源以及深遠(yuǎn)海漁業(yè)資源的勘探與開發(fā)，正逐步成為全球海洋資源開發(fā)的熱點。走向深海既是資源開發(fā)的必然趨勢,也是建設(shè)海洋強國的必由之路。深海裝備是海洋資源勘探和開發(fā)的關(guān)鍵，其材料在深海環(huán)境中的耐蝕性和耐久性，是設(shè)計和建造深海裝備的基礎(chǔ)。這些關(guān)鍵的試驗數(shù)據(jù)．已成為深海裝備研發(fā)的寶貴財富和重要支撐。為了普及深海腐蝕試驗技術(shù)、裝備深海原位監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)等關(guān)鍵知識.我們特別邀請了中國船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所副總工程師、海洋腐蝕與防護(hù)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(tuán)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(tuán)有限公司，專業(yè)從事艦船材料與工藝及應(yīng)用性研究。在六十多年的發(fā)展歷程中，為海軍裝備發(fā)展和國民經(jīng)濟建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。在深海研究探索和深海裝備研發(fā)領(lǐng)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(shù)據(jù)庫:2017年9月.七二五所完成了國內(nèi)首個5000米級深海環(huán)境試驗任務(wù)。如今.七二五所正以昂揚的姿態(tài),向全海深試驗的高峰不斷攀登,為深海裝備的研發(fā)和海洋強國的建設(shè)貢獻(xiàn)著自己的智慧和力量.

記者:在七二五所海洋腐蝕與防護(hù)全國重點實驗室，我們見證了一系列重大項目的承擔(dān)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(shù)據(jù)，更為我國深海裝備的設(shè)計．制造以及腐蝕防護(hù)提供了堅實的技術(shù)支撐。能否請您為我們詳細(xì)介紹一下這些項目，并闡述一下積累深海腐蝕試驗數(shù)據(jù)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(fā)展的重要載體.隨著對海洋資源認(rèn)識的不斷深化.我們對海洋的開發(fā)和利用正從近海走向遠(yuǎn)海．從淺海邁向深海。海洋中蘊藏著豐富的石油.礦產(chǎn)．天然氣水合物等資源,它們大多深藏于深海區(qū)域.例如:南海儲油構(gòu)造的75%位于2000至300O米的深水區(qū)，天然氣水合物主要分布在1200米以上的海底．而多金屬結(jié)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(yīng)的深海開采技術(shù)，深海裝備的研發(fā)因此成為海洋資源勘探和開發(fā)的關(guān)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(huán)境適應(yīng)性問題。了解材料深海腐蝕行為及其規(guī)律.是確保材料在深海極端環(huán)境中可靠性的關(guān)鍵。而深海自然環(huán)境試驗．作為獲取材料深海腐蝕數(shù)據(jù)及規(guī)律的最直接.最有效.最可靠的手段.對于推動深海裝備技術(shù)的發(fā)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(hù)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(huán)境中的腐蝕規(guī)律和機理，為船舶和其他海洋裝備的設(shè)計.建造提供了重要的技術(shù)支撐.為國防和國民經(jīng)濟建設(shè)做出了巨大的貢獻(xiàn)。隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型．深海已成為我國資源開發(fā)、裝備部署的新領(lǐng)域。七二五所從2000年開始關(guān)注深海腐蝕．積極收集國外相關(guān)研究資料．并推進(jìn)深海腐蝕試驗方法的研究。2003年.七二五所開始深海環(huán)境腐蝕試驗?zāi)芰ㄔO(shè).2005年立項開展深海環(huán)境腐蝕試驗裝置及試驗技術(shù)研究。經(jīng)過多年的努力.七二五所研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(dān)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(huán)境腐蝕老化數(shù)據(jù),建立了我國第一個深海環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)庫。自2014年以來.七二五所承擔(dān)了多項深海自然環(huán)境試驗重大項目，開展了更大深度.更廣海域的深海環(huán)境試驗技術(shù)和材料深海腐蝕研究。試驗深度由1000米級發(fā)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(fā)計劃的支持下開展萬米深海試驗技術(shù)研究。得益于國家的大力支持,七二五所深海腐蝕試驗技術(shù)不斷提升．建立了深海原位電化學(xué)測試技術(shù)及深海數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù).并基于大量深海實海和模擬深海試驗數(shù)據(jù)．采用數(shù)值仿真技術(shù)實現(xiàn)了深海裝備受力結(jié)構(gòu)力學(xué)―電化學(xué)多物理場耦合腐蝕仿真．為復(fù)雜結(jié)構(gòu)深海環(huán)境腐蝕快速預(yù)測及腐蝕防護(hù)提供了可靠的技術(shù)途徑。七二五所目前已獲得20余項深海試驗技術(shù)相關(guān)的發(fā)明授權(quán)專利.形成了深海環(huán)境試驗技術(shù)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(huán)境試驗ISO國際標(biāo)準(zhǔn).顯著提升了我國在深海腐蝕試驗領(lǐng)域的國際影響力和話語權(quán)。深海試驗獲取的寶貴數(shù)據(jù)．掌握的特色規(guī)律．將為我國深海油氣資源開發(fā)、裝備設(shè)計制造做出更大的貢獻(xiàn).為實現(xiàn)海洋強國戰(zhàn)略提供堅實的技術(shù)支撐。

記者：您認(rèn)為目前，在苛刻的深海環(huán)境下，裝備面臨哪些腐蝕因素？最大的挑戰(zhàn)又是什么？

孫明先:深海與淺海環(huán)境相比．其環(huán)境條件更為復(fù)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(tài)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(huán)境因素，也與表層海水有著顯著的差異。在這樣的深海環(huán)境中，材料的腐蝕行為不僅受到環(huán)境的影響．還受到力學(xué)因素的耦合作用。特別是對于深海潛器．艙室管路.儀器設(shè)備等承壓結(jié)構(gòu).深海壓力和海水腐蝕對其設(shè)計和制造提出了更大的挑戰(zhàn)。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(chǎn)生不同程度的影響．因此.深海中多因素耦合的嚴(yán)苛環(huán)境．必然導(dǎo)致材料腐蝕行為的特殊性和復(fù)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(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)來選材設(shè)計深海裝備和設(shè)施，將存在極大的風(fēng)險和安全隱患。一旦發(fā)生腐蝕損傷.可能會引發(fā)災(zāi)難性的事故此外，盡管實驗室可以模擬深海環(huán)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(nèi)的復(fù)雜環(huán)境特征，仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。因此,開展材料在實際深海環(huán)境下的腐蝕試驗和數(shù)據(jù)積累，是揭示材料深海腐蝕真實規(guī)律的必要途徑。在此基礎(chǔ)上,不斷完善室內(nèi)模擬試驗技術(shù),開展室內(nèi)模擬試驗，并建立自然環(huán)境與模擬試驗的相關(guān)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(huán)境中的腐蝕機制．為深海裝備的設(shè)計和制造提供更為科學(xué)、可靠的數(shù)據(jù)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?wù)勆詈８g試驗裝置總體設(shè)計和深海腐蝕試驗裝置回收控制等系列關(guān)鍵技術(shù)有哪些？

孫明先:我們設(shè)計的系列化深海腐蝕試驗裝置由打撈浮標(biāo).主浮體、連接系統(tǒng).試樣框架．環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).浮力系統(tǒng)．釋放及應(yīng)答定位系統(tǒng).錨定系統(tǒng)等部分組成。具有可靠性高．載樣量大．結(jié)構(gòu)簡單、布放準(zhǔn)確、避免吸底等優(yōu)點。試驗裝置可長期處于水下無人值守狀態(tài)．我們在裝置設(shè)計時．首先根據(jù)試驗海域的海流數(shù)據(jù)對裝置進(jìn)行水下姿態(tài)的仿真計算,獲得裝置各個節(jié)點的受力值和最大的垂直偏移程度．確定各段連接系統(tǒng)的長度;對裝置的重力浮力比進(jìn)行合理設(shè)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(jié)點受海流影響而相互纏繞,投放過程中，裝置連接．作業(yè)船航速航向．海流測試.定位等相互配合,才能達(dá)到精準(zhǔn)投放.定深準(zhǔn)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(biāo).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(guān)鍵連接結(jié)構(gòu)的冗余設(shè)計．關(guān)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(hù)研究，包括表層淺海環(huán)境和深海，請介紹一下材料在表層海水環(huán)境和深海環(huán)境性能有什么不同?

孫明先:深海環(huán)境與淺表環(huán)境之間存在顯著差異.這些差異導(dǎo)致材料在兩種環(huán)境下的性能表現(xiàn)也大相徑庭。例如，俄羅斯在深海試驗中發(fā)現(xiàn)．某些在常壓下能正常工作的碳纖維透聲復(fù)合材料，在1000米深的海洋環(huán)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(huán)境中可能會遭受嚴(yán)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(nèi)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(shè)備的主要結(jié)構(gòu)材料．在表層海水環(huán)境中展現(xiàn)出了卓越的耐蝕性.但在深海環(huán)境使用時．深海缺氧環(huán)境會導(dǎo)致鈦合金表層鈍化膜化學(xué)穩(wěn)定性下降、自修復(fù)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(guān)注應(yīng)力腐蝕．尤其是氫致應(yīng)力腐蝕引起的問題。總之．在選擇深海材料和設(shè)計深海裝備之前．必須對候選材料進(jìn)行深海環(huán)境適應(yīng)性評價.以確保所選材料在滿足裝備性能要求的基礎(chǔ)上能夠適應(yīng)深海苛刻環(huán)境。

記者:請您談?wù)勎磥砩詈８g試驗技術(shù)，以及深海裝備材料、防腐技術(shù)的發(fā)展趨勢?

孫明先:深海腐蝕試驗是獲取深海腐蝕數(shù)據(jù)．研究腐蝕行為和規(guī)律的重要手段，隨著深海試驗技術(shù)發(fā)展,試驗?zāi)芰⒂刹牧霞壈l(fā)展到構(gòu)件級．整機級.不僅可以獲取材料自身深海腐蝕數(shù)據(jù).更可以得到尺寸、結(jié)構(gòu)效應(yīng)對深海腐蝕影響;同時．隨著原位測試技術(shù)在深海腐蝕試驗中應(yīng)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(xué)阻抗等參數(shù)，這為我們認(rèn)識深海腐蝕機制提供了重要的熱力學(xué)、動力學(xué)數(shù)據(jù)．深海模擬試驗技術(shù)也由單一的壓力模擬發(fā)展到壓力．溫度、溶解氧等多因素綜合模擬．甚至同步考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力、運動磨損等工況因素，試驗結(jié)果將更準(zhǔn)確反映裝備服役工況條件下的腐蝕損傷行為.

海洋科技領(lǐng)域的發(fā)展是一項系統(tǒng)性的工程，往往是諸多領(lǐng)域科技發(fā)展的集成．但就最重要的基礎(chǔ)而言．常常依賴于材料科技的發(fā)展和突破．特別是專用海洋材料的研究和進(jìn)展,許多海洋領(lǐng)域的研究和開發(fā)往往受制于材料的短缺和質(zhì)量。材料科技的發(fā)展水平已經(jīng)成為海洋研究開發(fā)的制約瓶頸．加速深海材料領(lǐng)域的科學(xué)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(fā)展，高強材料方面，例如:超高強度結(jié)構(gòu)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(fā)和使用會帶來新的問題，例如高強鋼在深海中應(yīng)用時．陰極保護(hù)參數(shù)不能直接套用一般強度合金鋼的參數(shù).因為陰極保護(hù)系統(tǒng)在較負(fù)電位運行時會產(chǎn)生析氫現(xiàn)象，產(chǎn)生的氫很容易富集在高強鋼中．使其產(chǎn)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(huán)境我們開發(fā)了專用的低驅(qū)動電位犧牲陽極.以提高陰極保護(hù)的安全性。除了金屬材料深海電化學(xué)腐蝕防護(hù)技術(shù)外．開發(fā)新型耐高壓.耐剝離.耐滲透的防護(hù)涂層和相關(guān)防護(hù)技術(shù)也是深海腐蝕防護(hù)的重要方向。另一個方面．深海環(huán)境的特殊性決定了深海裝備維修維護(hù)困難，一旦產(chǎn)生事故將是災(zāi)難性的，因此,開展深海裝備腐蝕監(jiān)檢測技術(shù)和預(yù)警技術(shù)研究是深海工程開發(fā)重要的環(huán)節(jié)．應(yīng)該將其提升到與裝備自身研發(fā)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(chuàng)新，我們將開發(fā)出先進(jìn)的防腐技術(shù)，讓深海裝備在嚴(yán)苛的環(huán)境中也能穩(wěn)定運行，為海洋工程的安全與效率保駕護(hù)航。

人物簡介

孫明先中國船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所副總工程師，海洋腐蝕與防護(hù)全國重點實驗室副主任。長期從事海洋腐蝕與防護(hù)技術(shù)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(hù)材料與技術(shù)、電化學(xué)防污技術(shù)、裝備腐蝕失效分析等領(lǐng)域取得了一系列具有創(chuàng)新性理論價值和重大工程應(yīng)用價值的研究成果，推動了國內(nèi)本專業(yè)領(lǐng)域科學(xué)研究的發(fā)展。多項科研成果推廣應(yīng)用于重點型號工程，解決了裝備海洋環(huán)境腐蝕關(guān)鍵共性問題，顯著提升了裝備在苛刻海洋環(huán)境中的安全可靠性和環(huán)境適應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)5項，授權(quán)發(fā)明專利20余項，在國際、國內(nèi)學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文50余篇。獲船舶集團(tuán)有突出貢獻(xiàn)專家稱號和船舶貢獻(xiàn)獎等榮譽表彰。