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孙明先:发展深海试验技术 加强腐蚀数据积累

2016-12-05 10:39:48
作者:王元
来源:中国腐蚀与防护网

为了全面科普深海腐蚀数据、深海装备的腐蚀监检测技术和预警技术等方面的相关知识,记者特邀请到中国船舶重工集团公司第七二五研究所副总工程师、中国腐蚀与防护学会副理事长孙明先研究员做相关方面的精彩解读。

    当前,越来越多的国家重视深远海资源开发,深海油气资源、海底矿产资源、深海基因资源、远洋渔业资源的开发正成为国际海洋资源开发的热点。走向深海是资源开发的必然趋势, 是实现建设海洋强国的必经之路。深海装备是海洋资源勘探和开发的关键,各种装备所用材料在深海的腐蚀和老化性能试验数据,已成为设计建造深海装备迫切需要的基础技术数据和重要依据。为了全面科普深海腐蚀数据、深海装备的腐蚀监检测技术和预警技术等方面的相关知识,记者特邀请到中国船舶重工集团公司第七二五研究所副总工程师、中国腐蚀与防护学会副理事长孙明先研究员做相关方面的精彩解读。


    中国船舶重工集团公司第七二五研究所(以下简称“中船重工七二五所”) 成立于1961 年,隶属中国船舶重工集团公司,是专业从事舰船材料研制和工程应用研究的军工事业单位, 在五十多年的发展历程中,为海军武器装备发展和国民经济建设做出了重要贡献。在深海探索、研发方面也颇有建树,2012 年8 月,中船重工七二五所建成中国首个深海腐蚀数据库;2016 年9 月中船重工七二五所完成国内首个3000 米级深海环境试验任务。

 

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孙明先研究员


    记者:中船重工七二五所海洋腐蚀与防护国家级重点实验室先后承担了为我国获取深海腐蚀试验数据,为我国深海装备设计制造及腐蚀防护提供技术支撑的多个重大项目。能否给我们详细分享一下这一项目?并谈谈深海腐蚀试验数据的必要性和重要性。


    孙总工:中船重工七二五所作为船舶材料研究所,腐蚀与防护是重要的专业研究方向。从建所伊始,我所就对船舶材料海洋环境腐蚀规律和机理进行研究,为船舶和其他海洋装备的设计、建造提供了重要技术支撑,为国防和国民经济建设做出了巨大贡献。随着我国经济的飞速发展和战略转型,深海成为我国资源开发、装备部署的新领域,我所从2000 年开始关注深海腐蚀,收集国外相关研究资料,并积极推进深海腐蚀试验方法的研究。2003 年,着手建设深海环境腐蚀试验能力,2005 年,立项开展深海环境腐蚀试验装置及试验技术研究,研制了具有自主知识产权的近底悬浮式深海环境腐蚀试验装置,经过装置的结构设计、部件选型、深水湖试、海试,于2007 年定型,并于2008 年承担材料深海腐蚀研究重点项目,在我国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。2014 年, 承担深海自然环境试验重大项目,开展了更大深度深海环境试验技术和材料深海腐蚀研究,同时开展深海原位电化学测试技术研究。七二五所作为目前我国唯一开展材料深海自然环境试验的单位, 获取的数据、掌握的规律将为我国深海油气开发、装备设计制造做出更大贡献。


    开展材料深海腐蚀研究是开发利用海洋资源,建设海洋强国的需要。随着陆上空间和能源的萎缩,人类将目光转向了海洋。海洋已成为人类未来发展休戚与共、赖以生存的载体。对于海洋的开发和利用也逐渐由近海向远海, 由浅海向深海方向发展。海洋石油、矿产资源丰富,但绝大多数蕴藏在深海区域,例如南海储油构造75% 处在2000 ~ 3000 米的深水位置;天然气水合物主要分布在1200 米以上的海底; 多金属结核在海洋中约有5000 亿吨, 主要富集在4000 ~ 6000 米深度,我国南海平均深度1212 米,石油资源约在230 ~ 300 亿吨之间,天然气总量约为16 万亿立方米,占中国油气总资源量的三分之一,而且70% 的油气资源在深海区,以上资源必须要有相应深度的开采能力才能获取,发展深海装备成为海洋资源勘探和开发的关键。高端海洋工程装备的研制,都首先必须了解相关材料在深海中的环境适应性问题,掌握其深海腐蚀行为及规律,确保材料在深海极限环境中的可靠性。深海自然环境试验是获取材料深海腐蚀数据及规律,最直接、最有效、最可靠的手段。


    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?


    孙总工:
与浅海相比,深海环境中静水压力、温度、盐度、溶解氧和pH 值等因素随着海水深度的变化而变化。深海条件下,随深度的增加,静水压力直线升高;温度迅速下降,2000 米以下几乎恒定在2 ~ 4℃。含氧量从表层的饱和状态降低为2ppm,此外,生物污损、钙镁离子沉积和材料表面流速等环境因素也与表层海水存在差别。同时与浅海环境相比,材料在深海环境受腐蚀环境与力学因素耦合作用影响,对于深海装备,尤其是深海潜器、舱室管路、仪器设备等承压装备,深海压力和海水腐蚀会给设计和制造带来较高难度。不同种类的材料,在海水中的腐蚀行为不同,压力增大、温度降低、含氧量降低会对不同的金属材料产生不同程度的影响,因此深海中多因素耦合的苛刻环境必然导致材料腐蚀行为上的特殊性和复杂性,并与浅海腐蚀行为存在显著差异。若以材料在浅表海水环境中的腐蚀数据进行深海装备和设施的设计、选材,则存在极大的风险和安全隐患。同时对于实验室模拟深海环境试验而言,目前还刚刚起步,能较好的模拟各种深度下的压力、温度、盐度,但对于包括深海溶解氧、海流、沉积物、海生物等在内的复杂环境特征难以实现综合模拟。因此, 开展材料实际深海环境腐蚀试验和数据积累是反映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,建立自然环境与模拟试验相关性是全面分析材料深海腐蚀老化行为的重要手段。

 

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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?


    孙总工:
我们设计的近底悬浮式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。具有对可靠性高、载样量大、结构简单、布放准确、避免吸地现象等优点。试验装置长期处于水下无人值守状态,因此对其可靠性提出了很高的要求。我们在装置设计时,对装置的重力浮力比的进行合理设计,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,试样也能够顺利上浮;同时,使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以至于丢失。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。除此之外,还采用其他方式提高装置的可靠性,例如:结构冗余设计、选用耐蚀材料、必要绝缘密封手段等。


    记者:您从事多年深海环境中腐蚀与防护研究,请介绍一下对您印象深刻的科研经历及典型案例并发表一下您的感想?


    孙总工:
可靠性是深海自然环境试验的关键,深海环境试验过程中,很多因素会对试验的开展产生影响,例如:高压环境、海流冲击、渔业生产、材料腐蚀,海生物影响等均可能造成装置部组件失效丢失。我们在初期的深海试验中,选用的316 不锈钢连接卸扣在深海环境中半年时间发生了严重腐蚀,强度丧失出现断裂。虽然在选择深海腐蚀试验装置部件时,综合参考了国外深海试验数据和国内海洋单位的选材经验,同时还在表层海水进行了同批次卸扣的挂样试验,没有出现任何腐蚀。但在我国南海的深海环境中却发生了严重腐蚀, 这表明基于常规浅表海水环境适应性数据和国外深海环境试验数据进行深海装备的设计选材,存在非常大的风险和安全隐患。开展我国深海环境试验研究是非常必要的。另外,浮力系统的可靠性和配比也至关重要,综合考虑体积、重量和提供浮力数值,我们选用玻璃浮球和浮球组组成浮力系统,玻璃浮球耐压65MPa,在试验前对每个浮球进行仔细检查,并进行加压测试,但在实际应用过程中出现了浮球爆裂现象,由于储备浮力合理,未造成太大影响。开展像深海自然环境腐蚀试验这样的创新性科研项目,除了要有良好的基础、丰富的经验意外,重视每一步细节至关重要。


    记者:请您谈谈未来深海环境中装备材料和防腐技术的走向?


    孙总工:
深海环境与浅表环境存在较大的差异,材料表现出来的性能也存在较大差异,例如,俄罗斯在深海试验过程中发现常压和低压下可正常使用的碳纤维透声复合材料,在1000m 深海环境中完全变成了非透声材料。因此装备材料和防腐技术都存在着深海适应性问题,在深海装备设计选材之前应对备选材料开展深海环境适应性研究,应根据装备的结构、材料相容性、功能性在深海环境中的变化综合考虑。


    海洋科技领域的发展是一项系统的工程,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,尤其将特别依赖于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钢、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。新材料的选用和开发会带来新的问题,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的合金钢的参数,因为阴极保护系统在较负电位运行时会产生析氢,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,我所针对新型高强钢和深海使用环境开发出了专用的低驱动电位牺牲阳极,以提高阴极保护的安全性。除了针对深海环境用金属材料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技术也是深海防腐的重要方向。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,开展深海装备的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:走向深海是世界趋势,更是中国战略。大家行动起来!为适应深海环境,研究深海装备腐蚀数据,开发新型的装备材料和防腐技术, 为海工装备保驾护航!为海洋强国战略出一份力!


   
人物简介


    孙明先,中国船舶重工集团公司第七二五研究所研究员,中国腐蚀与防护学会副理事长,水环境专业委员会主任委员,现任七二五所副总工程师,海洋腐蚀与防护国防科技重点实验室副主任。从事金属腐蚀与防护和水处理技术的研究与开发工作三十多年,是七二五研究所腐蚀控制与水处理研究方向的学术带头人之一。先后主持和参加了二十多项国家、国防科技等重点课题及其它科研课题的研究工作,取得省部级科技进步奖励八项,另有多项科研成果通过鉴定和验收,多数成果达到国际先进水平,带动了国内本专业领域科学研究的进一步发展,特别是在电化学腐蚀与防护和自然环境腐蚀方面的研究处于国内领先水平,部分成果已得到广泛应用并取得了显著的经济和社会效益。主编和参与编制国家标准四项,在国际、国内学术会议以及国内学术刊物上发表各类研究论文三十余篇。

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标签: 孙明先, 腐蚀, 数据, 深海, 中国船舶重工集团公司第七二五研究所

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