孫明先研究員

    當(dāng)前，越來越多的國家重視深遠(yuǎn)海資源開發(fā)，深海油氣資源、海底礦產(chǎn)資源、深海基因資源、遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源的開發(fā)正成為國際海洋資源開發(fā)的熱點(diǎn)。走向深海是資源開發(fā)的必然趨勢，是實(shí)現(xiàn)建設(shè)海洋強(qiáng)國的必經(jīng)之路。深海裝備是海洋資源勘探和開發(fā)的關(guān)鍵，各種裝備所用材料在深海的腐蝕和老化性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，已成為設(shè)計(jì)建造深海裝備迫切需要的基礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)和重要依據(jù)。

    為了全面科普深海腐蝕數(shù)據(jù)、深海裝備的腐蝕監(jiān)檢測技術(shù)和預(yù)警技術(shù)等方面的相關(guān)知識(shí)，記者特邀請到中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所副總工程師、中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)副理事長孫明先研究員做相關(guān)方面的精彩解讀。

    中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所（以下簡稱“中船重工七二五所”）成立于 1961 年，隸屬中國船舶重工集團(tuán)公司，是專業(yè)從事艦船材料研制和工程應(yīng)用研究的軍工事業(yè)單位 , 在五十多年的發(fā)展歷程中，為海軍武器裝備發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。在深海探索、研發(fā)方面也頗有建樹，2012 年8 月，中船重工七二五所建成中國首個(gè)深海腐蝕數(shù)據(jù)庫；2016 年 9 月中船重工七二五所完成國內(nèi)首個(gè) 3000 米級深海環(huán)境試驗(yàn)任務(wù)。

    記者：中船重工七二五所海洋腐蝕與防護(hù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室先后承擔(dān)了為我國獲取深海腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為我國深海裝備設(shè)計(jì)制造及腐蝕防護(hù)提供技術(shù)支撐的多個(gè)重大項(xiàng)目。能否給我們詳細(xì)分享一下這一項(xiàng)目？并談?wù)勆詈８g試驗(yàn)數(shù)據(jù)的必要性和重要性。

    孫總工：中船重工七二五所作為船舶材料研究所，腐蝕與防護(hù)是重要的專業(yè)研究方向。從建所伊始，我所就對船舶材料海洋環(huán)境腐蝕規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行研究，為船舶和其他海洋裝備的設(shè)計(jì)、建造提供了重要技術(shù)支撐，為國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn)。隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，深海成為我國資源開發(fā)、裝備部署的新領(lǐng)域，我所從 2000 年開始關(guān)注深海腐蝕，收集國外相關(guān)研究資料，并積極推進(jìn)深海腐蝕試驗(yàn)方法的研究。2003 年，著手建設(shè)深海環(huán)境腐蝕試驗(yàn)?zāi)芰Γ?005 年，立項(xiàng)開展深海環(huán)境腐蝕試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)技術(shù)研究，研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的近底懸浮式深海環(huán)境腐蝕試驗(yàn)裝置，經(jīng)過裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、部件選型、深水湖試、海試，于 2007 年定型，并于 2008 年承擔(dān)材料深海腐蝕研究重點(diǎn)項(xiàng)目，在我國南海開展了三個(gè)不同深度的深海腐蝕試驗(yàn)，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(gè)深海環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)庫。2014 年，承擔(dān)深海自然環(huán)境試驗(yàn)重大項(xiàng)目，開展了更大深度深海環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)和材料深海腐蝕研究，同時(shí)開展深海原位電化學(xué)測試技術(shù)研究。七二五所作為目前我國唯一開展材料深海自然環(huán)境試驗(yàn)的單位，獲取的數(shù)據(jù)、掌握的規(guī)律將為我國深海油氣開發(fā)、 裝備設(shè)計(jì)制造做出更大貢獻(xiàn)。

    開展材料深海腐蝕研究是開發(fā)利用海洋資源，建設(shè)海洋強(qiáng)國的需要。隨著陸上空間和能源的萎縮，人類將目光轉(zhuǎn)向了海洋。海洋已成為人類未來發(fā)展休戚與共、賴以生存的載體。對于海洋的開發(fā)和利用也逐漸由近海向遠(yuǎn)海，由淺海向深海方向發(fā)展。海洋石油、礦產(chǎn)資源豐富，但絕大多數(shù)蘊(yùn)藏在深海區(qū)域，例如南海儲(chǔ)油構(gòu)造 75% 處在2000 ～ 3000 米的深水位置；天然氣水合物主要分布在 1200 米以上的海底；多金屬結(jié)核在海洋中約有 5000 億噸，主要富集在 4000 ～ 6000 米深度，我國南海平均深度 1212 米，石油資源約在230 ～ 300 億噸之間，天然氣總量約為16 萬億立方米，占中國油氣總資源量的三分之一，而且 70% 的油氣資源在深海區(qū)，以上資源必須要有相應(yīng)深度的開采能力才能獲取，發(fā)展深海裝備成為海洋資源勘探和開發(fā)的關(guān)鍵。高端海洋工程裝備的研制，都首先必須了解相關(guān)材料在深海中的環(huán)境適應(yīng)性問題，掌握其深海腐蝕行為及規(guī)律，確保材料在深海極限環(huán)境中的可靠性。深海自然環(huán)境試驗(yàn)是獲取材料深海腐蝕數(shù)據(jù)及規(guī)律，最直接、最有效、最可靠的手段。

    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？

    孫總工：與淺海相比，深海環(huán)境中靜水壓力、溫度、鹽度、溶解氧和 pH值等因素隨著海水深度的變化而變化。

    深海條件下，隨深度的增加，靜水壓力直線升高；溫度迅速下降，2000 米以下幾乎恒定在 2 ～ 4℃。含氧量從表層的飽和狀態(tài)降低為 2ppm，此外，生物污損、鈣鎂離子沉積和材料表面流速等環(huán)境因素也與表層海水存在差別。同時(shí)與淺海環(huán)境相比，材料在深海環(huán)境受腐蝕環(huán)境與力學(xué)因素耦合作用影響，對于深海裝備，尤其是深海潛器、艙室管路、儀器設(shè)備等承壓裝備，深海壓力和海水腐蝕會(huì)給設(shè)計(jì)和制造帶來較高難度。不同種類的材料，在海水中的腐蝕行為不同，壓力增大、溫度降低、含氧量降低會(huì)對不同的金屬材料產(chǎn)生不同程度的影響，因此深海中多因素耦合的苛刻環(huán)境必然導(dǎo)致材料腐蝕行為上的特殊性和復(fù)雜性，并與淺海腐蝕行為存在顯著差異。

    若以材料在淺表海水環(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行深海裝備和設(shè)施的設(shè)計(jì)、選材，則存在極大的風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患。同時(shí)對于實(shí)驗(yàn)室模擬深海環(huán)境試驗(yàn)而言，目前還剛剛起步，能較好的模擬各種深度下的壓力、溫度、鹽度，但對于包括深海溶解氧、海流、沉積物、海生物等在內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境特征難以實(shí)現(xiàn)綜合模擬。因此，開展材料實(shí)際深海環(huán)境腐蝕試驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累是反映材料深海腐蝕真實(shí)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(yàn)技術(shù)，開展室內(nèi)模擬試驗(yàn)，建立自然環(huán)境與模擬試驗(yàn)相關(guān)性是全面分析材料深海腐蝕老化行為的重要手段。

深海腐蝕試驗(yàn)裝置投放回收

    記者：請您談?wù)勆詈８g試驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)和深海腐蝕試驗(yàn)裝置回收控制等系列關(guān)鍵技術(shù)有哪些？

    孫總工：我們設(shè)計(jì)的近底懸浮式深海腐蝕試驗(yàn)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。具有對可靠性高、載樣量大、結(jié)構(gòu)簡單、布放準(zhǔn)確、避免吸地現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)裝置長期處于水下無人值守狀態(tài)，因此對其可靠性提出了很高的要求。我們在裝置設(shè)計(jì)時(shí)，對裝置的重力浮力比的進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保裝置具有足夠的儲(chǔ)備浮力，即使少量浮力部件意外失效，試樣也能夠順利上浮；同時(shí)，使裝置具有足夠的重力，使之能夠在選定的試驗(yàn)深度固定，不受海流影響而偏移以至于丟失。試驗(yàn)裝置投放時(shí)，需要將整套裝置在水面展開，防止各個(gè)節(jié)點(diǎn)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。除此之外，還采用其他方式提高裝置的可靠性，例如：結(jié)構(gòu)冗余設(shè)計(jì)、選用耐蝕材料、必要絕緣密封手段等。

    記者：您從事多年深海環(huán)境中腐蝕與防護(hù)研究，請介紹一下對您印象深刻的科研經(jīng)歷及典型案例并發(fā)表一下您的感想？

    孫總工：可靠性是深海自然環(huán)境試驗(yàn)的關(guān)鍵，深海環(huán)境試驗(yàn)過程中，很多因素會(huì)對試驗(yàn)的開展產(chǎn)生影響，例如：

    高壓環(huán)境、海流沖擊、漁業(yè)生產(chǎn)、材料腐蝕，海生物影響等均可能造成裝置部組件失效丟失。我們在初期的深海試驗(yàn)中，選用的 316 不銹鋼連接卸扣在深海環(huán)境中半年時(shí)間發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕，強(qiáng)度喪失出現(xiàn)斷裂。雖然在選擇深海腐蝕試驗(yàn)裝置部件時(shí)，綜合參考了國外深海試驗(yàn)數(shù)據(jù)和國內(nèi)海洋單位的選材經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)還在表層海水進(jìn)行了同批次卸扣的掛樣試驗(yàn)，沒有出現(xiàn)任何腐蝕。但在我國南海的深海環(huán)境中卻發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕，這表明基于常規(guī)淺表海水環(huán)境適應(yīng)性數(shù)據(jù)和國外深海環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深海裝備的設(shè)計(jì)選材，存在非常大的風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患。開展我國深海環(huán)境試驗(yàn)研究是非常必要的。另外，浮力系統(tǒng)的可靠性和配比也至關(guān)重要，綜合考慮體積、重量和提供浮力數(shù)值，我們選用玻璃浮球和浮球組組成浮力系統(tǒng)，玻璃浮球耐壓65MPa，在試驗(yàn)前對每個(gè)浮球進(jìn)行仔細(xì)檢查，并進(jìn)行加壓測試，但在實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)了浮球爆裂現(xiàn)象，由于儲(chǔ)備浮力合理，未造成太大影響。開展像深海自然環(huán)境腐蝕試驗(yàn)這樣的創(chuàng)新性科研項(xiàng)目，除了要有良好的基礎(chǔ)、豐富的經(jīng)驗(yàn)意外，重視每一步細(xì)節(jié)至關(guān)重要。

    記者：請您談?wù)勎磥砩詈－h(huán)境中裝備材料和防腐技術(shù)的走向？

    孫總工：深海環(huán)境與淺表環(huán)境存在較大的差異，材料表現(xiàn)出來的性能也存在較大差異，例如，俄羅斯在深海試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)常壓和低壓下可正常使用的碳纖維透聲復(fù)合材料，在 1000m 深海環(huán)境中完全變成了非透聲材料。因此裝備材料和防腐技術(shù)都存在著深海適應(yīng)性問題，在深海裝備設(shè)計(jì)選材之前應(yīng)對備選材料開展深海環(huán)境適應(yīng)性研究，應(yīng)根據(jù)裝備的結(jié)構(gòu)、材料相容性、功能性在深海環(huán)境中的變化綜合考慮。

    海洋科技領(lǐng)域的發(fā)展是一項(xiàng)系統(tǒng)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，尤其將特別依賴于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(diǎn)考慮材料強(qiáng)度和耐蝕性能。 因此深海裝備用金屬材料會(huì)向高強(qiáng)、耐蝕方向發(fā)展，高強(qiáng)材料方面例如超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼鋼、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。新材料的選用和開發(fā)會(huì)帶來新的問題，例如高強(qiáng)鋼在深海中應(yīng)用時(shí)，陰極保護(hù)參數(shù)不能直接套用一般強(qiáng)度的合金鋼的參數(shù)，因?yàn)殛帢O保護(hù)系統(tǒng)在較負(fù)電位運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生析氫，產(chǎn)生的氫很容易富集在高強(qiáng)鋼中，使其產(chǎn)生氫脆損傷斷裂，其危害更甚于腐蝕，因此，我所針對新型高強(qiáng)鋼和深海使用環(huán)境開發(fā)出了專用的低驅(qū)動(dòng)電位犧牲陽極，以提高陰極保護(hù)的安全性。除了針對深海環(huán)境用金屬材料電化學(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)技術(shù)也是深海防腐的重要方向。另一個(gè)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，開展深海裝備的腐蝕監(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：

    走向深海是世界趨勢，更是中國戰(zhàn)略。大家行動(dòng)起來！為適應(yīng)深海環(huán)境，研究深海裝備腐蝕數(shù)據(jù)，開發(fā)新型的裝備材料和防腐技術(shù)，為海工裝備保駕護(hù)航！為海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略出一份力！

    人物簡介

    孫明先，中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所研究員，中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)副理事長，水環(huán)境專業(yè)委員會(huì)主任委員，現(xiàn)任七二五所副總工程師，海洋腐蝕與防護(hù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。從事金屬腐蝕與防護(hù)和水處理技術(shù)的研究與開發(fā)工作三十多年，是七二五研究所腐蝕控制與水處理研究方向的學(xué)術(shù)帶頭人之一。先后主持和參加了二十多項(xiàng)國家、國防科技等重點(diǎn)課題及其它科研課題的研究工作，取得省部級科技進(jìn)步獎(jiǎng)勵(lì)八項(xiàng)，另有多項(xiàng)科研成果通過鑒定和驗(yàn)收，多數(shù)成果達(dá)到國際先進(jìn)水平，帶動(dòng)了國內(nèi)本專業(yè)領(lǐng)域科學(xué)研究的進(jìn)一步發(fā)展，特別是在電化學(xué)腐蝕與防護(hù)和自然環(huán)境腐蝕方面的研究處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，部分成果已得到廣泛應(yīng)用并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。主編和參與編制國家標(biāo)準(zhǔn)四項(xiàng)，在國際、國內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議以及國內(nèi)學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表各類研究論文三十余篇。