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韩冰:应“海工装备”发展需求 加强腐蚀数据积累

2016-01-25 15:24:01
作者:王元
来源:中国腐蚀与防护网

我国海洋环境腐蚀数据积累及规律研究已经历了50余年发展历程,取得了丰硕成果,但是与发达国家比,还存在一定差距。主要体现在:试验设施和标准体系还不够完善,新材料在海洋环境下的腐蚀数据尚还缺乏,机理研究程度还不够深入。基于此,提出了三个方面的展望。

    海洋环境对各种材料具有很高的腐蚀性,每年因海洋腐蚀造成的损失约占总腐蚀损失的1/3,我国每年因海洋腐蚀造成的经济损失已超过1.5万亿元,损失巨大。随着国民经济的发展,海洋开发需要大量使用材料,由此面临着严峻的材料海洋腐蚀问题。因此,积累各种材料在海洋环境中的腐蚀数据,研究材料在海洋环境中的腐蚀行为和规律对于指导材料在海洋环境中的合理使用,提高材料(制品)的质量和材料在海洋环境中的服役性能以及研究开发应用于海洋环境中新型耐蚀材料等都具有重要意义。

 

    腐蚀问题已经成为影响国民经济和社会可持续发展的重要因素之一。随着我国经济社会的快速发展和“一带一路”战略的实施,国家将加大对基础设施、交通运输、能源行业、生产制造及水环境等设施的投入和建设,这更需要我们了解材料的腐蚀数据和相关技术,来保证这些重大设施的耐久性和安全性。基于这一背景,中国工程院设立了年度重大咨询研究项目《我国腐蚀状况及控制战略研究》,在全国范围内进行腐蚀调查,且于2016年1月19日-20日在青岛黄海饭店隆重召开了“我国腐蚀状况及控制战略研究”重大咨询项目2016年工作会议。

     会议期间,中国腐蚀与防护网记者有幸采访到钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所韩冰所长,韩所长长期从事材料海洋环境腐蚀试验、海洋腐蚀与防护、阴极保护技术的研究和开发工作,下面韩所长为大家进行一次关于材料海洋环境腐蚀数据积累研究、中国工程院腐蚀调查的意义等方面的精彩解读。

 


钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所韩冰所长

 

    材料防护创新推进“海洋强国”战略前行

 

    随着我国海洋开发的不断深入,重大海洋基础设施,如海港码头、跨海大桥、海洋平台、海底管线,以及瓣型海上风电设施、各类舰船和潜艇等海洋交通和军用设施等正在建设。海洋材料的防护及创新对我国建设“海洋强国”的意义何在?

 

    我国拥有300多万平方公里的广阔海域,海岸线18400km,油气资源丰富,在渤海、黄海、东海和南海内部的大陆架,预测石油资源量为273.5亿吨,天然气资源量10.6万亿立方米,海洋油气极具勘探开发潜力。但开采程度和平均探明率相对较低,原油发现率仅为9.2%,原因是深海油气开发技术和装备远落后于世界先进国家,深海开发所需要的油气资源钻探、开采和生产装备还严重不足。

 

    船舶与海洋工程装备产业是为水上交通运输、海洋资源开发及国防建设提供技术装备的现代综合性产业,是军民结合的战略性产业,是先进装备制造业的重要组成部分。2010年国务院印发了《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》,海洋工程装备制造业列为国家战略性新兴产业的重要扶持产业,也是高端装备制造业的重要方向。2012年,根据《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》、《战略性新兴产业“十二五”发展规划》和《高端装备制造业“十二五”发展规划》,制定了《海洋工程装备制造业中长期发展规划2010-2020》。随后,江苏、上海、辽宁、广东、浙江、山东、福建和天津等沿海各省市根据自身优势,制定了各自的海洋工程产业发展规划,充分体现了国家对船舶与海洋工程装备产业的高度重视。

 

    置身于海洋环境的各类船舶、海洋工程装备及近海海洋工程设施如水面船舶、舰艇、海洋石油钻采平台、海上油气存储设施、、深海水下油气开发终端、海底管线、海洋风电、潮汐电站、跨海大桥等钢结构必然遭受海水腐蚀,必须采取必要的腐蚀防护措施以保证装备和人员的安全。

 

    《海洋工程装备制造业中长期发展规划2010-2020》(以下称《中长期发展规划》)和《海洋工程装备科研项目指南(2013年版)》,将深海设施长效防腐及防护技术列为制约我国海洋装备自主创新能力的关键技术和共性技术。规划指出,围绕设计建造重点环节,积极开展节能降耗研究,强化节能降耗基础管理,推广应用低能耗、低物耗、高效自动化装备,努力构建环保、高效的先进制造体系。

 

    随着我国把建设创新型国家提高到重大战略高度,产业结构不断调整,经济增长方式不断转变,建设资源节约型、环境友好型社会,推动国民经济又快又好发展重大战略方针的牵引下,资源节约、环境友好型、长效防腐蚀技术必将成为海洋工程和船舶腐蚀控制领域的主角。

 

    材料海洋环境腐蚀数据积累成果丰硕

 

    国家材料海洋环境腐蚀站网自建立以来,一直把“持续积累材料海洋环境腐蚀数据”作为首要任务。根据试验材料的选择必须紧密结合国民经济建设需要的总体原则,由材料负责归口单位提出投试材料方案,经专家充分论证后确定,在我国典型海洋环境试验站同时、统一开展试验。

 

 国家材料海洋环境腐蚀站网历史上进行过三次大规模的材料投试和数据积累。一是“六五”期间的第一次大规模材料投试,进行了金属及其涂镀层等材料5万余片试样长达16年的现场暴露试验;二是2002年和2003年根据科技部公益性和基础性工作专项的要求,进行了第二次大规模的材料投试工作,材料涉及黑色金属、有色金属、涂镀层及结构件等,投试试样近万片;三是2006年进行了建国以来第三次大规模投样,共投样3万余片。在这三次投样中共积累了包括黑色金属、有色金属、建筑材料、涂镀层材料、高分子材料等五大类共四百余种材料的腐蚀和环境数据数百万条。

 除此之外,国家材料海洋环境腐蚀站网针对我国南海环境下材料腐蚀研究的迫切需求,分别于2007年和2014年完成了在西沙群岛海洋环境试验站的投样,取得了在西沙海洋大气环境下常用钢铁材料、有色金属材料、涂镀层和高分子等三十余种材料不同周期下的腐蚀数据,并建立了“西沙大气环境腐蚀数据库”。 随着深海资源的开发和深海装备的应用,2008年由725所、北科大和青岛海腐所等单位共同开展了深海环境中的材料投试工作,取得了在深海环境下常用钢铁材料、铝合金、铜合金等材料在深海环境中的腐蚀数据。金属材料海水环境腐蚀电位是金属腐蚀与防护的最基本参数之一,1989年人工测试了六十余种金属材料在青岛、舟山、厦门和榆林的腐蚀电位,2014年利用电位自动采集装置测试了四十余种金属材料在青岛、舟山海水中的腐蚀电位。这些基础数据对了解典型金属材料在上述海域中的基本腐蚀行为和电化学特性具有重要意义,为材料的选材和防护提供了重要依据。

 

    在多年腐蚀数据积累基础上,2002年建成了单机版材料海洋环境腐蚀数据库, 2005年建成海洋腐蚀网络版数据库,2013年改版成“中国腐蚀与防护网”,实现了材料海洋环境腐蚀数据的网络化采集、存储、计算和共享。基于“材料基因组工程”及“大数据”发展理念,李晓刚教授团队提出了“腐蚀大数据”的原创概念,研究论文“share corrosion data”在世界顶级科技刊物《Nature》发表。这也是腐蚀领域第一篇在世界顶级刊物上发表的论文,起到了重要的国际示范效应,有力的推动了腐蚀数据和成果的快速、系统化应用。

 

    海洋材料标准体系、腐蚀数据尚待进一步完善

 

    我国海洋环境腐蚀数据积累及规律研究已经历了50余年发展历程,取得了丰硕成果,但是与发达国家比,还存在一定差距。主要体现在:试验设施和标准体系还不够完善,新材料在海洋环境下的腐蚀数据尚还缺乏,机理研究程度还不够深入。基于此,提出了三个方面的展望。

 

    1、继续完善试验设施和标准体系。进一步加强材料海洋环境腐蚀试验站整体规划布局和协调;增强材料海洋环境腐蚀试验站基础设施和信息建设,充分实现网络化和资源共享;提高材料海洋环境腐蚀试验站观测仪器设备的装备水平,建立稳定的仪器设备更新机制;进一步完善材料海洋环境腐蚀试验的标准、规范和质量认证体系。

 

    2、面向国家重大需求继续进行腐蚀数据积累。围绕“海洋工程装备”发展需求,开展关键材料腐蚀研究与数据积累;开展“21世纪海上丝绸之路”沿线地区海洋环境腐蚀试验和数据积累;进行严酷海洋环境下重大工程建设用典型材料的腐蚀数据积累,建立我国金属材料和涂层海水腐蚀数据;热带海滨环境条件下航天产品和材料的腐蚀试验、数据积累、规律研究和装备环境适应性评价。

 

    3、对材料海洋腐蚀规律机理进行深入研究。研究材料的海水冲刷腐蚀机理,海洋生物附着、疲劳损伤、生物因素和电化学因素之间的交互作用,深海腐蚀、不同海域腐蚀性显著变化的原因等;开展基于物联网等技术的在线监检测设备的研发与应用,进行材料腐蚀的跨尺度、高通量模拟计算;整合已有材料海洋腐蚀数据,并纳入标准化的“腐蚀大数据”仓库,利用各种先进数学工具,建立材料海洋腐蚀模型,精确表征数据因果关系,深入阐明材料海洋环境腐蚀机理和规律。

 

    实施海工装备关键性腐蚀控制技术 提高国际竞争力

 

    在海洋腐蚀中,危害重大的是海洋钢结构工程在浪花飞溅区的腐蚀。虽然目前还无法对其完全根除,但如能采取有效措施就可以有效控制海洋腐蚀。随着沿海省、市掀起发展蓝色经济的高潮,浪花飞溅区防腐技术的发展和突破越来越受到重视,将为我国蓝色经济的发展建设起到保驾护航的作用。近年来由浅海向深海大洋挺进,开拓新的生存与发展空间,成为我国与其他海洋大国共同的战略选择。而在这一过程中,我们面临的最大障碍不是台风、海啸这些看得见的灾害,而是一种静悄悄的“灾难”———海洋腐蚀。

 

    以有关大型海洋设施有关阴极保护发展为例:海水环境中钢结构的防护采用涂层和阴极保护联合防护,由于涂层施工复杂、施工周期长、有效寿命短,成本高,对于大型的海洋工程钢结构,如导管架平台等,则直接采用阴极保护。阴极保护技术包括牺牲阳极法和外加电流法,由于牺牲阳极采用陆地一次性施工,无需后期维护,设计和使用历史悠久,工程经验丰富,标准和规范完善,很好地满足了复杂海洋环境下的腐蚀防护需求。我国船舶和海洋工程装备等水下结构80%采用腐蚀控制采用牺牲阳极保护。

 

    但是牺牲阳极法的缺点也非常突出:(1)牺牲阳极的冶炼对资源和能源的消耗巨大,大量污染废弃物的排放对空气、水、土壤造成严重的生态污染和破坏;(2)牺牲阳极的溶解释放大量的Al、Zn、In、Mg及其他重金属离子,存在潜在海洋生态污染隐患;(3)大量牺牲阳极的安装对海洋设施的载荷能力提出了更高的要求,尤其是重达上万吨的深水平台结构物,牺牲阳极用量达上千吨,大大地增加了平台设计和建造成本。同时,牺牲阳极在船舶外侧的安装加大了航行阻力,增加了能源消耗。我国每年的牺牲阳极使用量在数十万吨左右,大量牺牲阳极消耗加重了我国加快发展速度与资源短缺的矛盾、建设环境友好型社会与环境污染、提高国际竞争力与国内创新能力薄弱的矛盾。

 

    而外加电流阴极保护技术则不存在上述问题,它依靠不溶性辅助阳极对结构物提供保护电流,工作过程中无水、气及重金属离子释放,无环境污染隐患,无需平台额外载荷设计,是一种环境友好、生态文明的腐蚀控制技术,还是一种高技术含量、高附加值、高度智能和高度系统化的海洋工程装备关键共性技术,完全符合《中长期发展规划》对长效防腐蚀设备低能耗、低物耗、环保和高效自动化的技术要求。

 

    中国工程院“腐蚀调查”是国家战略工程发展的有力支撑

 

    由于腐蚀问题已经成为影响国民经济和社会可持续发展的重要因素之一, 目前经济发达国家和地区正在以大幅度提高能源效率、资源效率和环境效率作为国家发展的战略目标和前瞻性投资的依据。特别是近20 年来我国国民经济生产总值急剧增长,经济结构和管理模式都发生了很大变化,各行业的腐蚀状况与过去有了明显的不同, 特别是随着大规模基础设施建设投入的增加,腐蚀控制问题更关系到国家的百年大计,对我国腐蚀状况的了解就变得尤为重要。我们通过腐蚀调查对普通群众防腐蚀意识的启蒙、腐蚀科学的发展和腐蚀防护技术的进步都会起重要作用。并且通过腐蚀调查对腐蚀所造成的损失有一个比较准确的估计,以便进一步寻求控制腐蚀的对策和措施。腐蚀调查的结果可以为有关部门的宏观决策提供科学依据。
 

    人物简介

 

    韩冰,1965年6月出生,山东省济宁市人,中共党员,研究生学历,教授级高级工程师,硕士生导师。现任钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所所长、钢研纳克检测技术有限公司副总经理、青岛钢研纳克检测防护技术有限公司总经理。中国腐蚀与防护学会企业副理事长和水环境专业委员会副主任委员,《中国腐蚀与防护学报》编委会委员。

 

    1985年华南理工大学腐蚀与防护专业毕业至今,一直从事材料海洋环境腐蚀试验、海洋腐蚀与防护、阴极保护技术的研究和开发工作。先后承担了国家自然科学基金、国家科技基础条件平台、国家科技支撑计划等多个重大项目的研究工作,为完善材料在大气和海洋环境中的腐蚀预测、环境腐蚀性评价做了大量工作,为国家建设提供了标准、可靠、权威的科学依据。主持开展的“埋地管线的腐蚀检测与防护、海水电厂防腐防污技术、海洋石油平台延寿修复成套技术研究”等产业化项目,开辟了新的产业方向和经济增长点,经济和社会效益成绩显著。在国内外学术会议和刊物发表论文20多篇,获得国家专利四项,国家级科技进步二等奖一项,部级科技进步奖三项,军队科技进步二等奖一项,中国金属学会青年科技奖一项。
 

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标签: 腐蚀, 腐蚀调查, 腐蚀数据, 海工装备, 韩冰

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