封面人物 | 孙明先:探索材料深海腐蚀之谜构筑装备深海防护堡垒

2024-10-14 14:22:32 作者：本网整理来源：《腐蚀与防护之友》分享至：

在当今世界,随着各国对海洋资源的渴求日益增长．深远海资源开发已成为国际竞争的焦点。深海油气资源.矿产资源.基因资源以及深远海渔业资源的勘探与开发，正逐步成为全球海洋资源开发的热点。走向深海既是资源开发的必然趋势,也是建设海洋强国的必由之路。深海装备是海洋资源勘探和开发的关键，其材料在深海环境中的耐蚀性和耐久性，是设计和建造深海装备的基础。这些关键的试验数据．已成为深海装备研发的宝贵财富和重要支撑。为了普及深海腐蚀试验技术、装备深海原位监测与预警技术等关键知识.我们特别邀请了中国船舶集团有限公司第七二五研究所副总工程师、海洋腐蚀与防护全国重点实验室副主任孙明先研究员．为我们带来深入而精彩的解读。

中国船舶集团有限公司第七二五研究所{以下简称“七二五所”〉成立于1961年,隶属中国船舶集团有限公司，专业从事舰船材料与工艺及应用性研究。在六十多年的发展历程中，为海军装备发展和国民经济建设做出了重要贡献。在深海研究探索和深海装备研发领域.七二五所更是取得了令人瞩目的成绩。2012年8月.七二五所成功建立了中国首个深海腐蚀数据库:2017年9月.七二五所完成了国内首个5000米级深海环境试验任务。如今.七二五所正以昂扬的姿态,向全海深试验的高峰不断攀登,为深海装备的研发和海洋强国的建设贡献着自己的智慧和力量.

记者:在七二五所海洋腐蚀与防护全国重点实验室，我们见证了一系列重大项目的承担与完成，这些项目不仅为我们国家获取了宝贵的深海腐蚀试验数据，更为我国深海装备的设计．制造以及腐蚀防护提供了坚实的技术支撑。能否请您为我们详细介绍一下这些项目，并阐述一下积累深海腐蚀试验数据的必要性与重要性?

孙明先:在全球化的今天，随着陆地资源的逐渐枯竭,人类的目光不约而同地投向了广袤的海洋．海洋已成为我们共同的未来所系,是维系人类生存和发展的重要载体.随着对海洋资源认识的不断深化.我们对海洋的开发和利用正从近海走向远海．从浅海迈向深海。海洋中蕴藏着丰富的石油.矿产．天然气水合物等资源,它们大多深藏于深海区域.例如:南海储油构造的75%位于2000至300O米的深水区，天然气水合物主要分布在1200米以上的海底．而多金属结核则富集在40C0至6000米的深海中。我国南海的平均深度为1212米,其石油资源量在230至300亿吨之间.天然气资源量约为16万亿立方米．占中国油气总资源量的三分之一。然而．这些资源的开采需要我们具备相应的深海开采技术，深海装备的研发因此成为海洋资源勘探和开发的关键所在.

高端海洋工程装备的研制首先必须解决材料在深海中的环境适应性问题。了解材料深海腐蚀行为及其规律.是确保材料在深海极端环境中可靠性的关键。而深海自然环境试验．作为获取材料深海腐蚀数据及规律的最直接.最有效.最可靠的手段.对于推动深海装备技术的发展具有不可替代的作用。七二五所作为船舶材料研究所．腐蚀与防护一直是其重要的研究方向。自1961年成立以来,七二五所一直致力于研究材料在海洋环境中的腐蚀规律和机理，为船舶和其他海洋装备的设计.建造提供了重要的技术支撑.为国防和国民经济建设做出了巨大的贡献。随着我国经济的飞速发展和战略转型．深海已成为我国资源开发、装备部署的新领域。七二五所从2000年开始关注深海腐蚀．积极收集国外相关研究资料．并推进深海腐蚀试验方法的研究。2003年.七二五所开始深海环境腐蚀试验能力建设.2005年立项开展深海环境腐蚀试验装置及试验技术研究。经过多年的努力.七二五所研制了具有自主知识产权的近底悬浮式深海腐蚀试验装置．并于2007年完成定型。2008年,七二五所承担了材料深海腐蚀研究重点项目，在南海开展了三个不同深度的深海腐蚀试验，2011年成功获得了第一批40余种材料的深海环境腐蚀老化数据,建立了我国第一个深海环境腐蚀数据库。自2014年以来.七二五所承担了多项深海自然环境试验重大项目，开展了更大深度.更广海域的深海环境试验技术和材料深海腐蚀研究。试验深度由1000米级发展到5000米级．试验海域由我国南海拓展到太平洋中部和印度洋西部。目前正在国家重点研发计划的支持下开展万米深海试验技术研究。得益于国家的大力支持,七二五所深海腐蚀试验技术不断提升．建立了深海原位电化学测试技术及深海数据远程传输技术.并基于大量深海实海和模拟深海试验数据．采用数值仿真技术实现了深海装备受力结构力学―电化学多物理场耦合腐蚀仿真．为复杂结构深海环境腐蚀快速预测及腐蚀防护提供了可靠的技术途径。七二五所目前已获得20余项深海试验技术相关的发明授权专利.形成了深海环境试验技术特色专利群。值得―提的是.七二五所还代表中国提案并主编了两项深海环境试验ISO国际标准.显著提升了我国在深海腐蚀试验领域的国际影响力和话语权。深海试验获取的宝贵数据．掌握的特色规律．将为我国深海油气资源开发、装备设计制造做出更大的贡献.为实现海洋强国战略提供坚实的技术支撑。

记者：您认为目前，在苛刻的深海环境下，装备面临哪些腐蚀因素？最大的挑战又是什么？

孙明先:深海与浅海环境相比．其环境条件更为复杂多变．在深海中．随着海水深度的增加.静水压力急剧上升.温度则迅速降低． 2000米以下几乎恒定在2~ 4℃。含氧量从表层的饱和状态骤降至2ppm。同时，深海中的生物污损.钙镁离子沉积以及材料表面流速等环境因素，也与表层海水有着显著的差异。在这样的深海环境中，材料的腐蚀行为不仅受到环境的影响．还受到力学因素的耦合作用。特别是对于深海潜器．舱室管路.仪器设备等承压结构.深海压力和海水腐蚀对其设计和制造提出了更大的挑战。不同种类的材料在海水中的腐蚀行为各异，压力的增大、温度的降低、含氧量的减少．都会对金属材料产生不同程度的影响．因此.深海中多因素耦合的严苛环境．必然导致材料腐蚀行为的特殊性和复杂性.与浅海腐蚀行为存在显著差异。如果仅以材料在浅表海水环境中的腐蚀数据来选材设计深海装备和设施，将存在极大的风险和安全隐患。一旦发生腐蚀损伤.可能会引发灾难性的事故此外，尽管实验室可以模拟深海环境中各深度下的压力．温度、盐度．但要综合模拟包括深海溶解氧、海流．沉积物.海生物等在内的复杂环境特征，仍然面临巨大的挑战。因此,开展材料在实际深海环境下的腐蚀试验和数据积累，是揭示材料深海腐蚀真实规律的必要途径。在此基础上,不断完善室内模拟试验技术,开展室内模拟试验，并建立自然环境与模拟试验的相关性，是全面分析材料深海腐蚀老化行为和机制的重要手段。通过这些试验和研究，我们能够更深入地理解材料在深海环境中的腐蚀机制．为深海装备的设计和制造提供更为科学、可靠的数据支持．从而确保深海装备的安全性和可靠性。

深海腐蚀试验装置投放回收

记者：请您谈谈深海腐蚀试验装置总体设计和深海腐蚀试验装置回收控制等系列关键技术有哪些？

孙明先:我们设计的系列化深海腐蚀试验装置由打捞浮标.主浮体、连接系统.试样框架．环境数据采集系统.浮力系统．释放及应答定位系统.锚定系统等部分组成。具有可靠性高．载样量大．结构简单、布放准确、避免吸底等优点。试验装置可长期处于水下无人值守状态．我们在装置设计时．首先根据试验海域的海流数据对装置进行水下姿态的仿真计算,获得装置各个节点的受力值和最大的垂直偏移程度．确定各段连接系统的长度;对装置的重力浮力比进行合理设计．确保装置具有足够的储备浮力.即使少量浮力部件意外失效.装置也能够l顺利上浮;同时,确保装置具有足够的重力.使之能够在选定的试验深度固定.不受海流影响而偏移．从而避免丢失。试验装置投放时．需要将整套装置在水面展开．防止各个节点受海流影响而相互缠绕,投放过程中，装置连接．作业船航速航向．海流测试.定位等相互配合,才能达到精准投放.定深准确。试验装置布放到海底后.通过三点定位方法解算出装置水下精确位置，并在主浮体上安装信标.便于回收时对装置的搜寻和定位。除此之外，还采用其他方式提高装置的可靠性.例如:关键连接结构的冗余设计．关键部件选用耐蚀材料．异种金属间的绝缘耐磨措施等。

记者:您从事多年海洋腐蚀与防护研究，包括表层浅海环境和深海，请介绍一下材料在表层海水环境和深海环境性能有什么不同?

孙明先:深海环境与浅表环境之间存在显著差异.这些差异导致材料在两种环境下的性能表现也大相径庭。例如，俄罗斯在深海试验中发现．某些在常压下能正常工作的碳纤维透声复合材料，在1000米深的海洋环境中却完全丧失了透声能力,深海的高静水压力.低溶解氧和低温条件对不同材料的影响各有不同。对于钢和铜等非钝化金属.深海中的腐蚀速率通常低于表层海水。然而．对于钝化金属．如316不锈钢.在低温和低氧的深海环境中可能会遭受严重的晶间腐蚀。在深海试验中我们使用的316不锈钢连接件就在短短半年内因腐蚀而断裂．失去了其连接功能。被誉为”海洋金属”的钛合金，作为深海设备的主要结构材料．在表层海水环境中展现出了卓越的耐蚀性.但在深海环境使用时．深海缺氧环境会导致钛合金表层钝化膜化学稳定性下降、自修复能力减弱．同时，高静水压力还会加速海水中的腐蚀性离子渗透到钛合金表面。因此,必须考虑钛合金的耐蚀性变化.并特别关注应力腐蚀．尤其是氢致应力腐蚀引起的问题。总之．在选择深海材料和设计深海装备之前．必须对候选材料进行深海环境适应性评价.以确保所选材料在满足装备性能要求的基础上能够适应深海苛刻环境。

记者:请您谈谈未来深海腐蚀试验技术，以及深海装备材料、防腐技术的发展趋势?

孙明先:深海腐蚀试验是获取深海腐蚀数据．研究腐蚀行为和规律的重要手段，随着深海试验技术发展,试验能力将由材料级发展到构件级．整机级.不仅可以获取材料自身深海腐蚀数据.更可以得到尺寸、结构效应对深海腐蚀影响;同时．随着原位测试技术在深海腐蚀试验中应用普及,在获取腐蚀速率.腐蚀形貌等信息的同时．更可获取腐蚀过程中腐蚀电位．腐蚀电流．电化学阻抗等参数，这为我们认识深海腐蚀机制提供了重要的热力学、动力学数据．深海模拟试验技术也由单一的压力模拟发展到压力．温度、溶解氧等多因素综合模拟．甚至同步考虑结构应力、运动磨损等工况因素，试验结果将更准确反映装备服役工况条件下的腐蚀损伤行为.

海洋科技领域的发展是一项系统性的工程，往往是诸多领域科技发展的集成．但就最重要的基础而言．常常依赖于材料科技的发展和突破．特别是专用海洋材料的研究和进展,许多海洋领域的研究和开发往往受制于材料的短缺和质量。材料科技的发展水平已经成为海洋研究开发的制约瓶颈．加速深海材料领域的科学研究已迫在眉睫．对于深海用装备金属材料而言.除了功能性以外.要重点考虑材料强度和耐蚀性能。因此深海装备用金属材料会向高强．耐蚀方向发展，高强材料方面，例如:超高强度结构钢．高强管线钢等，耐蚀材料方面，例如:钛合金、高镍基合金．高性能不锈钢等．新材料的研发和使用会带来新的问题，例如高强钢在深海中应用时．阴极保护参数不能直接套用一般强度合金钢的参数.因为阴极保护系统在较负电位运行时会产生析氢现象，产生的氢很容易富集在高强钢中．使其产生氢脆损伤断裂,其危害更甚于腐蚀．因此．针对新型高强钢和深海使用环境我们开发了专用的低驱动电位牺牲阳极.以提高阴极保护的安全性。除了金属材料深海电化学腐蚀防护技术外．开发新型耐高压.耐剥离.耐渗透的防护涂层和相关防护技术也是深海腐蚀防护的重要方向。另一个方面．深海环境的特殊性决定了深海装备维修维护困难，一旦产生事故将是灾难性的，因此,开展深海装备腐蚀监检测技术和预警技术研究是深海工程开发重要的环节．应该将其提升到与装备自身研发同样重要的地位。

后记:

长在深海的幽暗与高压之下，我们的智慧将成为照亮前行道路的灯塔.通过不懈的探索和创新，我们将开发出先进的防腐技术，让深海装备在严苛的环境中也能稳定运行，为海洋工程的安全与效率保驾护航。

人物简介

孙明先中国船舶集团有限公司第七二五研究所副总工程师，海洋腐蚀与防护全国重点实验室副主任。长期从事海洋腐蚀与防护技术研究，先后主持国家级重点杆研项目30余呗，在加润入母上个街外吧心)人江不究、阴极保护材料与技术、电化学防污技术、装备腐蚀失效分析等领域取得了一系列具有创新性理论价值和重大工程应用价值的研究成果，推动了国内本专业领域科学研究的发展。多项科研成果推广应用于重点型号工程，解决了装备海洋环境腐蚀关键共性问题，显著提升了装备在苛刻海洋环境中的安全可靠性和环境适应性。先后获省部级以上科技奖励10余项，出版专著4部，编制国家标准5项，授权发明专利20余项，在国际、国内学术期刊发表论文50余篇。获船舶集团有突出贡献专家称号和船舶贡献奖等荣誉表彰。