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尹衍升:打破制约瓶颈 向深海迈进

2016-10-21 15:20:20
作者:王元
来源:中国腐蚀与防护网

为了全面地了解深海、科普深海相关的材料技术知识、为走向深蓝提供支撑,记者特邀请到上海海事大学尹衍升教授做相关方面的精彩解读。

    21世纪,人类向深海进军将与太空探索比肩。资源、可持续发展、国家安全、全球变化这些热点名词,作为普通民众也已耳熟能详,它们均与深海有着千丝万缕的联系,深海已成为人类未来发展休戚与共、赖以生存的载体。深海拥有海洋90%以上的总面积,蕴藏着人类社会未来发展所需的各种战略资源和能源,具有重要的科研与商业应用前景。在我国,近期部分公布的十三五规划指南中已提出向万米深海进军、向极地进军,并提出了适应于万米科技的装备与材料研发计划。然而,深海极端环境及深海微生物对于装备材料的腐蚀、深海材料制备技术、蚀损机制研究是深海资源开发的制约瓶颈。为了全面地了解深海、科普深海相关的材料技术知识、为走向深蓝提供支撑,记者特邀请到上海海事大学尹衍升教授做相关方面的精彩解读。


    尹衍升,上海海事大学海洋材料科学与工程研究院院长,教育部长江学者特聘教授,博士生导师,长期从事材料的基础研究及其工程应用实践。围绕材料的制备与加工技术、海洋环境服役行为与微生物附着污损机理、深海石油钻采过程多因素耦合失效机制与防护等海工领域发展的重大需求,先后主持承担国家及省市重要课题30余项。研究成果已在机械加工、贵金属材料廉价替代、船舶压载水处理技术与深海装备所用关键材料等方面获得工程应用。

 

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尹衍升教授


   
走向深海 大有可为


    多年来,我国积极参与国际海底区域活动,先后组织开展了40多个大洋调查航次,相继申请获得了多金属结核、多金属硫化物、富钴结壳等资源勘探合同区,发展了以“蛟龙”号载人潜水器、“海龙”号无人缆控潜水器、“潜龙”系列无人无缆潜水器为代表的深海勘查技术装备,为人类认识深海、和平利用深海资源发挥了重要作用。谈及走向深海,尹教授认为大有可为。具体可从下面五个方面来看。


    走向深海为国家深海科学探索和能源战略奠定材料基础。深海及深海沉积物中的微生物生存面临高压,低温或高温、黑暗及低营养水平等几个主要极端环境,开展深海适冷菌、深海适热菌、深海适压菌等微生物附着条件下的材料腐蚀机制研究具有更大的挑战性和创新性。深海资源钻采、深海科学探索、深海国防安全的基础是深海装备,而深海装备的基础是深海专用材料,深海材料国产化是我国深海装备国产化的基础与制约瓶颈,解开这一系列的问题迫在眉睫。


    深海之争归根结底为资源之争。深海油气探明储量已占海洋油气探明储量的70%以上;天然气水合物在海洋中的总量为(1~5)×1015立方米;多金属结核在海洋中约有5000亿吨,主要富集在4000~6000米深度;富钴结壳在海洋中含量可达10亿吨,主要分布在500~4000米深度;上百处海底热液多金属硫化物矿床含量达6亿吨,分布在1500~4000米深度;深海已发现数千种新生物,绝大部分物种是深海环境所独有的,是丰富的生物与基因资源。因此,国际深海研究高潮迭起,“蓝色圈地”运动已成为21世纪争夺国际海洋资源的主旋律。


    深海之争的核心是深海高新科技。主要表现为:载人深潜器、海底观测站-链-网、深海探测与资源勘探、深海油气钻采平台、采矿、输运、声纳、海底机器人、海底通讯、深海生物与基因、海洋污染防治、深海武器装备等核心技术,涉及到多学科技术领域的综合高技术系统,而这些技术在深海中的实施与使用需要深海专用材料的支持。因此,深海是高科技的新舞台;是材料、能源、生命等领域重大理论新的诞生点;是国家经济发展新的增长点。


    部分发达国家已将开发深海提到国家战略高度。2004年12月美国总统宣布成立部长级的海洋政策委员会,直属总统办公室,全面反思海洋政策。日本明确提出要和美国争夺海上领导权,政府斥资6亿美元建造5700吨,210米长的大洋钻探船,比美国的大三四倍,明文提出要在海洋科学里“起领导作用”,以期与美国争雄。韩国的水下无人运载器也已经不在美国之下,而且其在东海济洲岛西南,已经建成了目前全球最大的海上观测平台。我国实施海洋强国战略,建设深海强国部署在即。我国已确定的七个战略性新兴产业中,明确指出加快海洋工程装备及材料的发展,加快深海能源钻采、深海极端环境探测、生命考察、深海军用装备所需关键材料的产业化研发。


    深海领域的发展是一项系统工程,常依赖于材料科技的发展和突破。深海材料的质量不足与种类短缺已经成为深海研究开发的制约瓶颈,以至于深海科技重大装备多数依赖进口,其直接的原因就是设备材料难以适应严酷的深海服役环境。目前,虽然一些材料已经进入深海探索的实际应用,但深海水下环境极其特殊,多数陆上技术不能应用于水下尤其是深海环境,这主要是由于深海的腐蚀因素众多,如温度、压力、微生物、溶解氧、pH值、化学成分、流速等等,这些参数都会对材料的腐蚀产生影响。另外,深海自然环境试验系统复杂、试验费用高、可靠性低,导致材料的腐蚀规律与失效机制仍停留在表观认识,缺乏系统的研究,不能指导海洋专用材料的制备与开发,给深海的研究和开发带来很大困难。因此,材料在深海极端环境下的微生物附着腐蚀及深海高温高压条件下的服役失效机制探索是深海应用的关键因素。发展关键实验技术,实现材料科技的发展和突破是开发深海的首要任务。


    总之,发展装备、材料、科技,打破瓶颈,迈向深海,大有可为!


   
创一流科研平台  向“深蓝之策”发力


    人类已经进入向深海、远海和极地开发的新时代。深海、极地资源开发、远海运输等领域都需要大量的新型装备和建造用的特种材料。而装备与材料的制备、选择与评估、蚀损机制探索等均需要专用平台进行研究。


    尹教授表示海洋严酷环境所用材料科技的发展水平已经成为专用装备制造开发的制约瓶颈,加速海洋严酷环境材料领域的科学研究已迫在眉睫,遗憾的是,我国海洋工程材料特别是深海环境材料的综合研究及测试平台几乎处于空白状态,这些无疑制约了我国深海资源的综合利用、制约了国家深海科技战略展开、制约了国家远洋和极地开发战略实施和科技力量的整合、迟滞了深海钻采企业和涉海类高校及研究机构的有机结合步伐、制约了国家海底观测技术与装备、深水养殖技术与装备制造、制约了深潜技术与装备及国家相应战略的拓展。


    因此,建设专门针对深海环境下服役材料的研究测试公共服务平台,不仅可以促进材料研发创新资源的开放和共享,增加专业化公共服务的有效供给,还可以降低深海工程类企业创新创业的成本与风险,提升研究开发和产业化的能级和水平,进一步提高深海科技创新资源的使用效率。


    上海海事大学海洋材料研究院依托上海国际航运中心建设和学校学科专业优势,及时抓住了海洋材料研发等具有国际前瞻性的海洋前沿课题进行研发,从而在海洋开采、海洋研究中形成了独特而新颖的研究生长点。目前,学院已初步建立以海洋材料腐蚀与防护、海洋工程材料、海洋生态环境材料、海洋功能材料、海洋生物与药物材料等研究方向为主体的综合研究平台。特别是具有深海特色的设备:该院自主设计(德国制造)深海极端环境模拟器(450oC,150MPa)。利用该设备可模拟15000米深海高温(0-450℃)高压(150MPa)极端环境、可注入微生物和腐蚀性气体并实时检测,这也是目前国内研究深海的独特装备。2014年获批上海市高校重点实验室“深海极端环境服役材料重点实验室”。

 

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中国工程院李鹤林院士参观深海模拟装备


    日前,由上海市海洋局、上海海事大学、上海天合石油工程股份有限公司、上海尖端工程材料有限公司、上海外高桥造船有限公司、宝钢特种材料有限公司等单位联合创办的 “上海市海洋局深海装备材料与防护工程技术研究中心”在上海海事大学正式揭牌成立。该研究中心不仅填补了我国海洋领域深海材料研发平台的空白,也将为我国海洋工程特别是装备材料与防护工程走向深海提供技术支撑,为深海能源钻采进行专用材料及装备的一体化研发直接服务,提高海洋资源开发能力。

 

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可模拟一万五千米海深环境的反应装置

 

 

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建设中的部分深海材料研究平台


    在团队建设方面,上海海事大学海洋材料研究院在编教师34人,其中有长江学者特聘教授1人、中科院百人计划1人、上海市和交通部领军人才2人、曙光学者2人、东方学者1人、晨光学者4人、博士生导师5人、教授6人,具有博士学位的专职研究人员25人。同时,该院被确定上海海事大学重点建设发展的学科之一。现有教学科研用房面积达3000余平方米,已投资6000万元购置了一大批国际先进水平的材料制备和检测仪器与设备。


    上海海事大学海洋材料研究团队在和谐的环境和宽松的学术氛围中实现了“快乐”科研。把“快乐科研”的理念注入到了研究过程中,营造和谐氛围,科研中注入人文管理理念,创造快乐心态,让团队享受科研乐趣,发表论文和获得奖励只是科研的副产品,而为深海领域开发装备和材料才是研究的目标。团队坚守这样一个信念:用新型材料巩固蓝色国土、凭学科特色走向深海大洋。


    近三年来,海洋材料研究院承担国家自然科学基金、国家科技部、上海市、交通运输部科研项目数十项(其中973和国家海洋局重大专项都是针对深海材料与装备研发而立项的课题),总经费8000余万元。获得了包括国家海洋局创新奖、教育部技术发明奖、上海市自然科学奖、进步奖等相关奖励;与国内外10余家科研院所和企业开展科技合作和学术交流,建立了多个产学研基地。


    在技术研究基础上,开发出系列产品,并已有多项成果实现产业化。例如,为深海钻采装备扶正器腐蚀防护的材料和涂覆技术研发,已经实现了镍基球形碳化钨粉国产化开发,并已投入批量生产,有效地提高了钻采部件的使用寿命,产品80%出口;完成海底输油管道清洗机碟片、海洋弃井钻管高压切割喷嘴等开发。喷涂现场和部件结构如下图所示。

 

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自主开发的激光熔覆技术为深海钻采部件涂覆碳化钨


   
发展深海高科技  三大方向需谨记


    深海材料与装备的蚀损过程研究非常困难,主要是在实海条件下挂片成功几率很小,即使在几百米的深度挂片试验,最后也很难找回全部试片,更不用说在更深的海洋中进行试验,因此使用模拟装置进行试验就成为唯一可靠的方式,而这样的海洋全深度试验平台在我国数量甚少。由于深海环境复杂,实验成本高,目前材料在深海的公开腐蚀与失效研究数据甚少,或处于保密状态,相关科学机制在国际上也处于空白状态。我国绝大多数深海关键材料及其工艺技术仍然处于空白或起步阶段,严重制约了我国深海高新科技的发展。


    尹教授表示根据国内外本领域的发展现状和趋势,特别是我国海洋领域的发展现状及海洋强国、强区、强市的海洋战略,在纷纭的海洋苛刻环境科技发展的领域中提炼出四大关键科学问题并凝练成三个既相互关联又极具特色的重要研究方向。


   
四大关键科学问题


    1、多重深海环境因素下材料蚀损的力学-电化学交互作用机理与规律。


    2、南海高湿热环境下材料腐蚀的化学-电化学 相互作用机理与规律。


    3、极地深冷海冰环境中船舶材料蚀损过程及规律。


    4、远洋环境下货油舱等特种材料腐蚀失效机制。


   
三大重要研究方向


    1、深海服役材料蚀损界面及蚀损过程动力学。


    2、高湿热环境下材料的微生物附着腐蚀过程。


    3、深冷、远海环境下材料的蚀损机制与制备。


   
未来在于打破行业壁垒  填补技术空白


    我国的研究与市场需求和国外水平相比,还存在着很大差距。目前我国开发的导管架平台应用仅限于100米水深以内,自主设计建造的自升式平台工作水深在50米左右,半潜式平台处于200米作业水深以内的第二代半潜式平台水平,张力腿平台、Spar平台等深海采油平台设计和制造技术几乎是空白,而国际上已研究开发作业水深3000米以上的第六代半潜式钻井平台;又如海洋油气钻井设备的最大钻井深度虽能达到7000米,但国际上海洋油气的最大钻井深度可达9000~12000米;我国正逐步解决深海资源开发的装备问题,但关键材料、关键部件、关键技术国产化仍然需要相当长的时间来完成。


    深海装备需要大量金属材料,如油气钻采用海洋平台结构用钢板、油气钻采和输送用钢管、深潜器用钛合金海、淡化装备用金属材料、特种船舶与发动机用材料。深海工程结构在海洋环境下将受到潮流、盐分、水温、微生物等腐蚀影响,并且不同海域受到的腐蚀情况不同,对钢材也提出了更高要求。海洋平台是在海洋上进行作业的特殊场所。海洋平台服役期比船舶类高50%,采用得钢板必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好的焊接性及耐海水腐蚀等。主要分为钻井平台和生产平台两大类。我国尚无专用的海洋平台用钢标准,采用国外标准。EH36以下平台用钢基本实现国产化,占平台用钢量的90%,但关键部位所用大厚度、高强度钢材仍依赖进口。随着我国海洋开发的不断发展,对海洋平台用钢的需求量不断扩大,当前总用钢量在300万t以上。


   
尹教授表示,深海装备用钢发展趋势可归结为四个方向:


    1、高强度,屈服强度达到500~700 MPa。


    2、厚规格,深海结构的日益大型化,尤其是自升式海洋平台,需要抗拉强度高达800 MPa级、厚度达125~150 mm的特厚板。


    3、高的低温韧性,满足两极区域使用。


    4、高耐腐蚀性。


    深海热液区由于环境苛刻,特别是热液区域的硫化氢腐蚀,对于深海石油开采和深海平台建设几乎难以克服和逾越,国内外目前能在如此高的温度和压力下进行长期服役的材料与装置较少,目前关于深海探索,虽然一些材料已经进入实际应用,但对材料的腐蚀规律与失效机制仍停留在表观认识,缺乏系统的研究,因此不能指导专用海洋材料的制备与开发。主要由于深海自然环境试验系统复杂、试验费用高, 除试验装置的投放、运行与回收外, 其可靠性还与多种因素包括地质、环境、装置、人为等相关, 存在样板丢失、装置回收率低等问题。直至目前,才开始提出使用深海模拟器来研究材料的腐蚀,且仅仅处于起步阶段,关于深海极端环境下专用材料的腐蚀研究,在国内外仍然属于空白领域。


   
因此,开展深海极端环境材料的腐蚀研究,将对我国海洋资源(石油、矿产)开发、经济可持续发展具有重大价值。在党中央提出海洋强国建设的大趋势下,在向深海进军的号召下,今后关于深海领域特别是深海进出材料领域的研究中,需加速如下步骤地实施:


    1、国家应设立深海材料研发及产业化专项基金,进行国家重大专题立项,支持并组织多学科交叉的合作团队,进行系统的核心技术研究攻关。


    2、由于深海材料的腐蚀损伤机制和科学问题还缺乏创新性研究成果,因此我国的深海材料研究与国外水平相比,还存在着很大差距,需要加强研发平台建设,实验装备与技术投入,建议在国家有关部门支持下设立深海材料及腐蚀技术联合实验室;设立深海材料与资源重点研究平台,例如设立深海国家实验室,统筹规划和部署深海材料、资源、探测、矿产等研究领域。


    3、我国深海技术设备国产化率较低,在充分借鉴国外的先进经验与技术的同时,科技部门应努力对于受制于人的核心技术组织队伍进行自主研发,联合攻关,以关键核心技术为突破点,寻求以点带面,达到整体技术的突破,如热液区极端环境材料相关技术。最终实现科研成果产业化,促进和建立由材料研发,装备及其制造成果应用的相关平台。


    4、根据我国深海研究的目标、任务,组织一批相关机构的科技人员进行综合培训,承担海洋材料相关调查和研究。通过实际工作造就深海人才,逐步形成一支专业能力拔尖的科技队伍。通过各种方式培养出深海材料中青年学术带头人,立健全激励机制,营造良好的人才创业环境,实现深海材料学科可持续发展。


    5、我国在深海科学技术领域形成了分布于国家海洋局、中科院、高等院校以及大型开发公司如中海油、中石化等的研发队伍。但研发力量分散,这种分散、重复、小规模、低水平的研发力量缺乏国际竞争力。因此,迫切需要针对深海科学技术研究领域,围绕国家重大需求,创新体制机制,打破部门行业壁垒,加强国内创新单元深海科技力量的整合和融合。


    后记:
我国的海洋条件得天独厚,从南到北从冷到热,既有海域的辽阔,又有海底的深度。唯有打破前行路上的制约瓶颈,走向深海,发力深蓝,抢占开发的制高点,才能屹立于世界舞台。路漫漫,唯求索!我们相信向深海进军也会像向太空探索一样,在人类科学发展史上留下辉煌的一页!


   
人物简介


    尹衍升,男,1956年4月山东生人。教育部长江学者特聘教授,曾任山东大学、中国海洋大学教授、山东省《特种海洋材料》高校重点实验室主任、教育部《海洋材料及其防护技术》工程中心主任、现任上海海事大学教授、海洋材料研究院院长、极端环境服役材料上海高校重点实验室主任。长期从事新材料基础研究及其工程应用实践。在金属间化合物与陶瓷材料的复合化研究过程中,创造性地提出“包覆阻氢、互补增韧”理论概念并取得显著成绩;1999至2006年7年时间内,作为第一研究者,获国家技术发明二等奖1项、省部级一等奖3项、山东省发明创业特等奖1项、其它奖励7项,实施发明专利6项。


    从教35年来,特别是近20年来,与团队成员密切合作,协同攻关,共发表SCI、EI收录论文304篇。国际会议大会报告7次,特邀报告9次,担任国际、国内学术会议大会主席6次,国际学术会议委员会成员5次,国内学术会议大会报告和特邀报告19次。合作著述和编著著作7部,授权专利17项,在海洋材料研究领域,为国家作出了重要贡献;其研究成果已在机械加工、贵金属材料廉价替代、船舶压载水处理技术与装备所用关键材料等方面获得工程应用。

 

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标签: 尹衍升, 深海, 腐蚀, 海洋材料, 上海海事大学, 海洋资源

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