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  2. 尹衍升:打破制約瓶頸 向深海邁進(jìn)
    2017-06-29 15:58:00 作者:王元 來源:《腐蝕防護(hù)之友》 分享至:

         21 世紀(jì),人類向深海進(jìn)軍將與太空探索比肩。資源、可持續(xù)發(fā)展、國家安全、全球變化這些熱點(diǎn)名詞,作為普通民眾也已耳熟能詳,它們均與深海有著千絲萬縷的聯(lián)系,深海已成為人類未來發(fā)展休戚與共、賴以生存的載體。深海擁有海洋 90% 以上的總面積,蘊(yùn)藏著人類社會未來發(fā)展所需的各種戰(zhàn)略資源和能源,具有重要的科研與商業(yè)應(yīng)用前景。在我國,近期部分公布的十三五規(guī)劃指南中已提出向萬米深海進(jìn)軍、向極地進(jìn)軍,并提出了適應(yīng)于萬米科技的裝備與材料研發(fā)計(jì)劃。然而,深海極端環(huán)境及深海微生物對于裝備材料的腐蝕、深海材料制備技術(shù)、蝕損機(jī)制研究是深海資源開發(fā)的制約瓶頸。為了全面地了解深海、科普深海相關(guān)的材料技術(shù)知識、為走向深藍(lán)提供支撐,記者特邀請到上海海事大學(xué)尹衍升教授做相關(guān)方面的精彩解讀。

     

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    尹衍升教授 


        尹衍升,上海海事大學(xué)海洋材料科學(xué)與工程研究院院長,教育部長江學(xué)者特聘教授,博士生導(dǎo)師,長期從事材料的基礎(chǔ)研究及其工程應(yīng)用實(shí)踐。圍繞材料的制備與加工技術(shù)、海洋環(huán)境服役行為與微生物附著污損機(jī)理、深海石油鉆采過程多因素耦合失效機(jī)制與防護(hù)等海工領(lǐng)域發(fā)展的重大需求,先后主持承擔(dān)國家及省市重要課題 30 余項(xiàng)。


       
     走向深海 大有可為

     

        多年來,我國積極參與國際海底區(qū)域活動,先后組織開展了 40 多個大洋調(diào)查航次,相繼申請獲得了多金屬結(jié)核、多金屬硫化物、富鈷結(jié)殼等資源勘探合同區(qū),發(fā)展了以“蛟龍”號載人潛水器、“海龍”號無人纜控潛水器、“潛龍”系列無人無纜潛水器為代表的深海勘查技術(shù)裝備,為人類認(rèn)識深海、和平利用深海資源發(fā)揮了重要作用。談及走向深海,尹教授認(rèn)為大有可為。具體可從下面五個方面來看。


        走向深海為國家深海科學(xué)探索和能源戰(zhàn)略奠定材料基礎(chǔ)。深海及深海沉積物中的微生物生存面臨高壓,低溫或高溫、黑暗及低營養(yǎng)水平等幾個主要極端環(huán)境,開展深海適冷菌、深海適熱菌、深海適壓菌等微生物附著條件下的材料腐蝕機(jī)制研究具有更大的挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性。深海資源鉆采、深海科學(xué)探索、深海國防安全的基礎(chǔ)是深海裝備,而深海裝備的基礎(chǔ)是深海專用材料,深海材料國產(chǎn)化是我國深海裝備國產(chǎn)化的基礎(chǔ)與制約瓶頸,解開這一系列的問題迫在眉睫。


        深海之爭歸根結(jié)底為資源之爭。深海油氣探明儲量已占海洋油氣探明儲量的 70% 以上;天然氣水合物在海洋中的總量為(1 ~ 5)×1015 立方米;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;富鈷結(jié)殼在海洋中含量可達(dá) 10 億噸,主要分布在500 ~ 4000 米深度;上百處海底熱液多金屬硫化物礦床含量達(dá) 6 億噸,分布在1500 ~ 4000 米深度;深海已發(fā)現(xiàn)數(shù)千種新生物,絕大部分物種是深海環(huán)境所獨(dú)有的,是豐富的生物與基因資源。因此,國際深海研究高潮迭起,“藍(lán)色圈地”
    運(yùn)動已成為 21 世紀(jì)爭奪國際海洋資源的主旋律。


       
     深海之爭的核心是深海高新科技。主要表現(xiàn)為:載人深潛器、 海底觀測站-鏈 - 網(wǎng)、深海探測與資源勘探、深海油氣鉆采平臺、采礦、輸運(yùn)、聲納、海底機(jī)器人、海底通訊、深海生物與基因、海洋污染防治、深海武器裝備等核心技術(shù),涉及到多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域的綜合高技術(shù)系統(tǒng),而這些技術(shù)在深海中的實(shí)施與使用需要深海專用材料的支持。因此,深海是高科技的新舞臺;是材料、能源、生命等領(lǐng)域重大理論新的誕生點(diǎn);是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長點(diǎn)。


        部分發(fā)達(dá)國家已將開發(fā)深海提到國家戰(zhàn)略高度。2004 年 12 月美國總統(tǒng)宣布成立部長級的海洋政策委員會,直屬總統(tǒng)辦公室,全面反思海洋政策。日本明確提出要和美國爭奪海上領(lǐng)導(dǎo)權(quán),政府斥資 6 億美元建造 5700 噸,210 米長的大洋鉆探船,比美國的大三四倍,明文提出要在海洋科學(xué)里“起領(lǐng)導(dǎo)作用”,以期與美國爭雄。韓國的水下無人運(yùn)載器也已經(jīng)不在美國之下,而且其在東海濟(jì)洲島西南,已經(jīng)建成了目前全球最大的海上觀測平臺。我國實(shí)施海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略,建設(shè)深海強(qiáng)國部署在即。我國已確定的七個戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中,明確指出加快海洋工程裝備及材料的發(fā)展,加快深海能源鉆采、深海極端環(huán)境探測、生命考察、深海軍用裝備所需關(guān)鍵材料的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)。


        深海領(lǐng)域的發(fā)展是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,常依賴于材料科技的發(fā)展和突破。深海材料的質(zhì)量不足與種類短缺已經(jīng)成為深海研究開發(fā)的制約瓶頸,以至于深海科技重大裝備多數(shù)依賴進(jìn)口,其直接的原因就是設(shè)備材料難以適應(yīng)嚴(yán)酷的深海服役環(huán)境。目前,雖然一些材料已經(jīng)進(jìn)入深海探索的實(shí)際應(yīng)用,但深海水下環(huán)境極其特殊,多數(shù)陸上技術(shù)不能應(yīng)用于水下尤其是深海環(huán)境,發(fā)展關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)材料科技的發(fā)展和突破是開發(fā)深海的首要任務(wù)。


        總之,發(fā)展裝備、材料、科技,打破瓶頸,邁向深海,大有可為!


        
    創(chuàng)專業(yè)科研平臺 向 “深藍(lán)之策”發(fā)力

     

        人類已經(jīng)進(jìn)入向深海、遠(yuǎn)海和極地開發(fā)的新時代。深海、極地資源開發(fā)、遠(yuǎn)海運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域都需要大量的新型裝備和建造用的特種材料。而裝備與材料的制備、選擇與評估、蝕損機(jī)制探索等均需要專用平臺進(jìn)行研究。


        尹教授表示海洋嚴(yán)酷環(huán)境所用材料科技的發(fā)展水平已經(jīng)成為專用裝備制造開發(fā)的制約瓶頸,加速海洋嚴(yán)酷環(huán)境材料領(lǐng)域的科學(xué)研究已迫在眉睫,遺憾的是,我國海洋工程材料特別是深海環(huán)境材料的綜合研究及測試平臺幾乎處于空白狀態(tài),這些無疑制約了我國深海資源的綜合利用、制約了國家深海科技戰(zhàn)略展開、制約了國家遠(yuǎn)洋和極地開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施和科技力量的整合、遲滯了深海鉆采企業(yè)和涉海類高校及研究機(jī)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合步伐、制約了國家海底觀測技術(shù)與裝備、深水養(yǎng)殖技術(shù)與裝備制造、制約了深潛技術(shù)與裝備及國家相應(yīng)戰(zhàn)略的拓展。


        因此,建設(shè)專門針對深海環(huán)境下服役材料的研究測試公共服務(wù)平臺,不僅可以促進(jìn)材料研發(fā)創(chuàng)新資源的開放和共享,增加專業(yè)化公共服務(wù)的有效供給,還可以降低深海工程類企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的成本與風(fēng)險,提升研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的能級和水平,進(jìn)一步提高深海科技創(chuàng)新資源的使用效率。


    2

    建設(shè)中的部分深海材料研究平臺

     

        上海海事大學(xué)海洋材料研究院依托上海國際航運(yùn)中心建設(shè)和學(xué)校學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢,及時抓住了海洋材料研發(fā)等具有國際前瞻性的海洋前沿課題進(jìn)行研發(fā),從而在海洋開采、海洋研究中形成了獨(dú)特而新穎的研究生長點(diǎn)。目前,學(xué)院已初步建立以海洋材料腐蝕與防護(hù)、海洋工程材料、海洋生態(tài)環(huán)境材料、海洋功能材料、海洋生物與藥物材料等研究方向?yàn)橹黧w的綜合研究平臺。特別是具有深海特色的設(shè)備:該院自主設(shè)計(jì)(德國制造)深海極端環(huán)境模擬器(450℃,150MPa)。利用該設(shè)備可模擬 15000 米深海高溫(0-450℃)高壓(150MPa)極端環(huán)境、可注入微生物和腐蝕性氣體并實(shí)時檢測,這也是目前國內(nèi)研究深海的獨(dú)特裝備。2014 年獲批上海市高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“深海極端環(huán)境服役材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”。


        
    發(fā)展深海高科技 三大方向需謹(jǐn)記

     

        深海材料與裝備的蝕損過程研究非常困難,主要是在實(shí)海條件下掛片成功幾率很小,即使在幾百米的深度掛片試驗(yàn),最后也很難找回全部試片,更不用說在更深的海洋中進(jìn)行試驗(yàn),因此使用模擬裝置進(jìn)行試驗(yàn)就成為唯一可靠的方式,而這樣的海洋全深度試驗(yàn)平臺在我國數(shù)量甚少。由于深海環(huán)境復(fù)雜,實(shí)驗(yàn)成本高,目前材料在深海的公開腐蝕與失效研究數(shù)據(jù)甚少,或處于保密狀態(tài),相關(guān)科學(xué)機(jī)制在國際上也處于空白狀態(tài)。我國絕大多數(shù)深海關(guān)鍵材料及其工藝技術(shù)仍然處于空白或起步階段,嚴(yán)重制約了我國深海高新科技的發(fā)展。


        尹教授表示根據(jù)國內(nèi)外本領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢,特別是我國海洋領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及海洋強(qiáng)國、強(qiáng)區(qū)、強(qiáng)市的海洋戰(zhàn)略,在紛紜的海洋苛刻環(huán)境科技發(fā)展的領(lǐng)域中提煉出四大關(guān)鍵科學(xué)問題并凝練成三個既相互關(guān)聯(lián)又極具特色的重要研究方向。


      
      四大關(guān)鍵科學(xué)問題

     

        1、多重深海環(huán)境因素下材料蝕損的力學(xué) - 電化學(xué)交互作用機(jī)理與規(guī)律。


        2、南海高濕熱環(huán)境下材料腐蝕的化學(xué) - 電化學(xué) 相互作用機(jī)理與規(guī)律。


        3、極地深冷海冰環(huán)境中船舶材料蝕損過程及規(guī)律。


        4、遠(yuǎn)洋環(huán)境下貨油艙等特種材料腐蝕失效機(jī)制。


       
     三大重要研究方向

     

        1、深海服役材料蝕損界面及蝕損過程動力學(xué)。


        2、高濕熱環(huán)境下材料的微生物附著腐蝕過程。


        3、深冷、遠(yuǎn)海環(huán)境下材料的蝕損機(jī)制與制備。


        
    未來在于打破行業(yè)壁壘 填補(bǔ)技術(shù)空白

     

        我國的研究與市場需求和國外水平相比,還存在著很大差距。目前我國開發(fā)的導(dǎo)管架平臺應(yīng)用僅限于 100 米水深以內(nèi),自主設(shè)計(jì)建造的自升式平臺工作水深在 50 米左右,半潛式平臺處于 200米作業(yè)水深以內(nèi)的第二代半潛式平臺水平,張力腿平臺、Spar 平臺等深海采油平臺設(shè)計(jì)和制造技術(shù)幾乎是空白,而國際上已研究開發(fā)作業(yè)水深 3000 米以上的第六代半潛式鉆井平臺;又如海洋油氣鉆井設(shè)備的最大鉆井深度雖能達(dá)到7000 米,但國際上海洋油氣的最大鉆井深度可達(dá) 9000 ~ 12000 米;我國正逐步解決深海資源開發(fā)的裝備問題,但關(guān)鍵材料、關(guān)鍵部件、關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化仍然需要相當(dāng)長的時間來完成。


       
     尹教授表示,深海裝備用鋼發(fā)展趨勢可歸結(jié)為四個方向:


        1、 高 強(qiáng) 度, 屈 服 強(qiáng) 度 達(dá) 到500 ~ 700 MPa。


        2、 厚規(guī)格, 深海結(jié)構(gòu)的日益大型化,尤其是自升式海洋平臺,需要抗拉強(qiáng)度高達(dá) 800MPa 級、厚度達(dá) 125 ~ 150 mm的特厚板。


        3、高的低溫韌性,滿足兩極區(qū)域使用。


        4、高耐腐蝕性。


      
      因此,開展深海極端環(huán)境材料的腐蝕研究,將對我國海洋資源(石油、礦產(chǎn))開發(fā)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重大價值。在黨中央提出海洋強(qiáng)國建設(shè)的大趨勢下,在向深海進(jìn)軍的號召下,今后關(guān)于深海領(lǐng)域特別是深海進(jìn)出材料領(lǐng)域的研究中,需加速如下步驟地實(shí)施:


        1、國家應(yīng)設(shè)立深海材料研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)基金,進(jìn)行國家重大專題立項(xiàng),支持并組織多學(xué)科交叉的合作團(tuán)隊(duì),進(jìn)行系統(tǒng)的核心技術(shù)研究攻關(guān)。


        2、由于深海材料的腐蝕損傷機(jī)制和科學(xué)問題還缺乏創(chuàng)新性研究成果,因此我國的深海材料研究與國外水平相比,還存在著很大差距,需要加強(qiáng)研發(fā)平臺建設(shè),實(shí)驗(yàn)裝備與技術(shù)投入,建議在國家有關(guān)部門支持下設(shè)立深海材料及腐蝕技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室;設(shè)立深海材料與資源重點(diǎn)研究平臺,例如設(shè)立深海國家實(shí)驗(yàn)室,統(tǒng)籌規(guī)劃和部署深海材料、資源、探測、礦產(chǎn)等研究領(lǐng)域。


        3、我國深海技術(shù)設(shè)備國產(chǎn)化率較低,在充分借鑒國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)的同時,科技部門應(yīng)努力對于受制于人的核心技術(shù)組織隊(duì)伍進(jìn)行自主研發(fā),聯(lián)合攻關(guān),以關(guān)鍵核心技術(shù)為突破點(diǎn),尋求以點(diǎn)帶面,達(dá)到整體技術(shù)的突破,如熱液區(qū)極端環(huán)境材料相關(guān)技術(shù)。最終實(shí)現(xiàn)科研成果產(chǎn)業(yè)化,促進(jìn)和建立由材料研發(fā),裝備及其制造成果應(yīng)用的相關(guān)平臺。


        4、根據(jù)我國深海研究的目標(biāo)、任務(wù),組織一批相關(guān)機(jī)構(gòu)的科技人員進(jìn)行綜合培訓(xùn),承擔(dān)海洋材料相關(guān)調(diào)查和研究。通過實(shí)際工作造就深海人才,逐步形成一支專業(yè)能力拔尖的科技隊(duì)伍。通過各種方式培養(yǎng)出深海材料中青年學(xué)術(shù)帶頭人,立健全激勵機(jī)制,營造良好的人才創(chuàng)業(yè)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)深海材料學(xué)科可持續(xù)發(fā)展。


        5、我國在深海科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域形成了分布于國家海洋局、中科院、高等院校以及大型開發(fā)公司如中海油、中石化等的研發(fā)隊(duì)伍。但研發(fā)力量分散,這種分散、重復(fù)、小規(guī)模、低水平的研發(fā)力量缺乏國際競爭力。因此,迫切需要針對深海科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域,圍繞國家重大需求,創(chuàng)新體制機(jī)制,打破部門行業(yè)壁壘,加強(qiáng)國內(nèi)創(chuàng)新單元深海科技力量的整合和融合。

     

        后記:


        我國的海洋條件得天獨(dú)厚,從南到北從冷到熱,既有海域的遼闊,又有海底的深度。 唯有打破前行路上的制約瓶頸, 走向深海, 發(fā)力深藍(lán),搶占開發(fā)的制高點(diǎn),才能屹立立于世界舞臺。路漫漫,唯求索!我們相信向深海進(jìn)軍也會想向太空探索一樣,在人類科學(xué)發(fā)展史上留下輝煌的一頁!

     

        人物簡介

     

     

    3

     

        尹衍升,男,1956年4月山東生人。教育部長江學(xué)者特聘教授, 上海海事大學(xué)海洋材料科學(xué)與工程研究院院長,教育部長江學(xué)者特聘教授,博士生導(dǎo)師,長期從事材料的基礎(chǔ)研究及其工程應(yīng)用實(shí)踐。圍繞材料的制備與加工技術(shù)、海洋環(huán)境服役行為與微生物附著污損機(jī)理、深海石油鉆采過程多因素耦合失效機(jī)制與防護(hù)等海工領(lǐng)域發(fā)展的重大需求,先后主持承擔(dān)國家及省市重要課題30余項(xiàng)。作為第一研究者,獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項(xiàng)、省部級一等獎3項(xiàng)、山東省發(fā)明創(chuàng)業(yè)特等獎1項(xiàng)、其它獎勵7項(xiàng),實(shí)施發(fā)明專利6項(xiàng)。共發(fā)表SCI、EI收錄論文304篇。

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