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李晓刚:开创深海腐蚀数据先河 实现海洋强国梦

2016-12-05 10:41:09
作者:王元
来源:中国腐蚀与防护网

为了全面科普深海材料失效关键科学,分享深海环境下最前沿的电化学新理论、新方法、新技术,为我国深海海洋重大工程的选材设计和腐蚀防护、制定海洋材料服役研究的发展方向提供理论依据。记者特邀请到“海洋工程装备材料腐蚀与防护关键技术基础研究”973 项目首席科学家、北京科技大学李晓刚教授做相关方面的精彩解读。

    “上天、入地、下海”是人类探索自然孜孜以求的目标。伴随着“航海家号”太空飞船220 亿公里的漫漫征途飞离太阳系去探访更为遥远的神秘空间、“玻璃地球”等重大探地工程进一步刻画地球内部精细结构,深海这一见证日月变迁、桑田变换的人类近邻也并不平静。海洋是生命的摇篮、资源的宝库、交通的命脉,是人类繁衍生息和持续发展的重要资源。深海蕴藏着丰富的战略资源与能源,是高科技的舞台、是重大科技理论的诞生地等,这些都深深地吸引着社会各界的眼球。


    在我国, 发改委今年公布的“十三五”100 个大项目中第26 条明确指出:发展深海探测、大洋钻探、海底资源开发利用、海上作业保障等装备和系统。推动深海空间站、大型浮式结构物开发和工程化。然而,深海环境中材料和构件的失效严重威胁着深海工程及装备的服役安全,成为深海工程及其装备制造发展的制约瓶颈。为了全面科普深海材料失效关键科学,分享深海环境下最前沿的电化学新理论、新方法、新技术,为我国深海海洋重大工程的选材设计和腐蚀防护、制定海洋材料服役研究的发展方向提供理论依据。记者特邀请到“海洋工程装备材料腐蚀与防护关键技术基础研究”973 项目首席科学家、北京科技大学李晓刚教授做相关方面的精彩解读。


    李晓刚,北京科技大学教授、博导; “海洋腐蚀973 项目”首席科学家;国家材料环境腐蚀平台主任;中国腐蚀与防护学会副理事长兼秘书长;教育部腐蚀与防护重点实验室主任;国际腐蚀理事会理事。多次获得国家及省部级以上科技进步奖和自然科学奖;率领团队获得了美国腐蚀工程师协会NACE2016 年的杰出团体奖。在国内外同行中具有很高的知名度和影响力。

 

主会场李晓刚教授主持开幕式

李晓刚教授


    开展深海腐蚀研究 为装备运行保驾护航


    深海是人类资源的宝藏、国家安全的前沿和未来经济发展的支撑。深海蕴藏着人类社会未来发展所需的各种战略资源和能源,油气、多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、天然气水合物等新型资源具有重要的科研与商业应用前景,被誉为21 世纪人类可持续发展的战略接替能源;深海生物基因资源是近年来引起国际关注的新型资源,目前国际上深海生物基因资源的应用已经带来数十亿美元的产业价值 ;深海也是当代各种通用技术和最新技术在深海大洋的综合演练场:主要表现为海洋立体观测系统;深海技术具有军民两用的突出特点,如深潜器、海洋观测与探测技术、水声通讯技术、船舶制造技术、无源导航技术、全球精确定位技术等等;同时深海也是重大科技理论的诞生点。因此, 当前深海已成为科技界与人类关注的热点。近年来,发达国家争相布局深海开发战略,开展深海资源开发相关技术的研发和科学研究。美国、俄罗斯、印度、澳大利亚、挪威、日本和荷兰等国家都先后通过了新的海洋战略和政策,特别制定了实施深海资源开发的综合管理计划,旨在加快深海资源的综合开发。国际深海资源的开发和争夺已渐进白热化,其中深海开发相关的装备选材设计、服役安全与寿命预测等基础科学问题的研究也成为学科发展的前沿。


    目前,我国深海水环境下材料服役安全与寿命预测系统的相关研究尚在起步阶段,工程设计和制造所需要的关键基础数据处于空白,工程建设缺乏充分的科学依据,这是导致我国深海事业发展举步维艰的重要原因之一。


    深海环境是一种极为苛刻的腐蚀环境,尤其对于金属而言是高腐蚀性环境, 其中的氧浓度、光照量、pH 、温度、盐度、流速等条件与浅海环境中大不相同。引发的应力腐蚀而导致灾难性后果,严重威胁深海装备的安全性和可靠性。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,开展深海环境中的腐蚀规律及控制方法的研究,对延长深海金属结构设施的使用寿命,保证深海构筑物的正常运行和安全使用,以及促进海洋经济的发展具有十分重要的意义!


    打造顶级科研平台 开创深海腐蚀数据先河


    深海资源开发具有技术难度大、经济成本高、持续时间长、参与人员多等特点,资料和实物样本采集成本极为高昂,资料副本、实物样本的汇交与共享服务倍受世界各界长期关注。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。


    国际上在深海材料腐蚀规律研究方面已经开展了一些初期工作,开始了解到不同深度海水环境对材料腐蚀行为的影响规律。随着海水深度加大,对于材料的腐蚀数据积累和表征方法研究的难度越大,目前世界上仅有少数国家开展了材料的深海实海腐蚀实验,取得了宝贵的腐蚀数据。


    我国的深海腐蚀研究工作起步较晚,直到2008 年才首次在中国南海海域进行了深海腐蚀实验装置的投放工作。其中,由李晓刚教授负责的国家材料环境腐蚀平台联合中船重工725 所,在南海500-1200m 成功进行了材料第一阶段的投试工作,历经3 年的试验周期将样品成功取回。这是材料在中国南海深海环境中的首批腐蚀数据,对后续工作具有指导意义。

 

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 深海腐蚀实验设备

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 李晓刚团队成员


    国家材料环境腐蚀平台(以下简称“平台”)是由科技部批准建设的国家科技基础条件平台,是长期从事材料环境腐蚀数据积累和试验研究的基地,多年来,平台长期坚持开展材料腐蚀试验研究和数据积累工作,在李晓刚教授的领导下,平台在深海环境腐蚀数据积累方面取得了较为丰硕的成果!目前在“平台”工作也是李晓刚团队的主要科研工作之一,该团队有教授、研究员、高工共15 人,在读博士、硕士研究生130 人。主要有两大研究方向:基础研究和应用基础研究。基础研究包括材料自然环境(大气、水、土壤)腐蚀行为与机理、材料工业环境(石油化工、核电) 腐蚀行为与机理、微生物腐蚀及材料生物相容性行为与机理、材料腐蚀大数据及腐蚀模拟计算、高分子材料环境老化行为及机理、钢筋混凝土腐蚀与防护; 应用基础研究包括新型耐蚀材料研究、电化学保护技术、高性能缓蚀剂、防腐蚀涂层及表面处理技术。


    在数据积累方面,李晓刚团队持续开展黑色金属、有色金属、建筑材料、涂镀层材料及高分子材料等400 多种常用材料的外场腐蚀试验,积累腐蚀数据425 万条。如此大规模、长周期、多品种系统化材料海洋腐蚀公益性数据积累,在世界范围内也尚属首次!提出腐蚀大数据概念及基因组工程,建成了我国数据量最大、内容最丰富的材料海洋腐蚀数据库和共享平台,提出了“腐蚀大数据”原创性概念、理论框架与技术体系。创建的“中国腐蚀与防护网” (
www.ecorr.org), 成为我国最大的材料腐蚀数据公益性共享系统。开创了腐蚀数据网络化共享的新模式,起到了国际性的示范效应。


    在海洋腐蚀评价新技术方面,李晓刚团队研发了系列化的海洋环境腐蚀室内加速模拟试验新技术。获得国家授权专利17 项,其中发明专利8 项,实用新型9 项!其中,基于“薄液膜理论” 的海工高强钢应力腐蚀试验新方法和8000 米深海模拟环境腐蚀电化学测量技术属首创。


    在工程应用方面,李晓刚团队针对国家科技、经济、和社会发展的多个领域发展和技术创新的科技需求,开展了全面的工程应用:(1)重大工程建设: 三峡工程、西气东输工程等。(2)航空航天:“天宫二号”、“大飞机”等。(3)交通:高速铁路等。(4)汽车: 大众、通用、吉利汽车、长安等。(5) 电子:华为、美的、格力等。(6)钢铁:武钢、宝钢、南钢、马钢等。(7) 国防:“XX 导弹”、“XX 火箭”等。(8) 海洋工程:海水淡化、海底管线等。(9)石化:CO2 驱油、埋地管线等。(10) 新能源:风力发电、太阳能等。(11) 电力:国家电网等。其中成功实现了全船综合防护工程技术重大创新,解决了我国海洋石油铺管工程向3000 米深水迈进的关键防护技术问题。特别是“大型飞机核心材料及部件环境适应性试验研究服务专题”和“空间站核心材料及部件环境适应性试验研究服务专题”入选国家“十二五”科技创新成就展!

 

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    多年来,李晓刚教授及其团队共获得国家专利近百项,国家级科技奖2 项, 省部级奖10 余项,美国腐蚀工程师协会颁发杰出团体奖和杰出工程奖各1 项。为我国防腐蚀事业和国家建设方面作出了诸多重要贡献!


  
  国内外深海腐蚀初探 “平台”再创数据佳绩


    深海水环境含盐量高、电阻率低、氧浓度低、压力高和温度低等导致腐蚀相关参数发生变化。目前获得的数据也证明材料在深海环境中腐蚀行为存在异常现象:如材料钝性和活性的转变,缝隙腐蚀的加速,应力腐蚀、氢致开裂等局部腐蚀破坏规律明显不同于浅海。但是,随着海水深度加大,对于材料的腐蚀数据积累和表征方法研究的难度越大,李晓刚教授表示目前世界上仅有少数国家开展了材料的深海实海腐蚀实验,取得了宝贵的腐蚀数据。


    美国海军研究实验室、海军水文局、海军水下兵器站曾经联合开展了700-2000m 范围内的深海条件下各类常用金属的腐蚀性能研究。美国海军于1962-1970 年在加州怀尼美港西南150km、深为1829m 的太平洋海底和怀港西面139km、深为762m 的太平洋海底进行了系统的、广泛的材料腐蚀投样实验。暴露材料有475 种合金,2 万片试样, 包括各种钢铁、铜合金、镍合金、不锈钢、铝合金、钛合金、稀有金属及合金、各种金属绳索,以及各类海洋用聚合物材料、塑料、橡胶、有机复合材料等。暴露在700-2000m 的海水和海泥中,暴露时间分别为125-1064 天不等, 获得了大量现场数据,为其深海装备选材、武器装备研制和科学发展奠定了坚实的基础。英国在上世纪70 年代分别调查了铝镁合金在太平洋表层海水和深海中的腐蚀行为,主要也是为了发展新型的海洋和深海用高效长寿命的新材料提供技术支持。印度国家海洋技术研究所在本世纪初,采用三阶段的实海挂片方法研究了22 种结构材料在印度洋中阿拉伯海和孟加拉海湾的浅海、500m、1200m、3500m 和5100m 深度暴露一年的腐蚀行为,所得到的数据也用于其深海工程材料的研制和发展。


    国家材料环境腐蚀平台已于前期在南海海域完成了深海投洋装置在1300 米深度的实海投放试验,并试验中同步采集了各层海水的温度、压力、盐度、pH 值、氧化还原电位、含氧量、流速流向等环境因素,取得了与腐蚀密切相关的环境因素数据。项目组并成功进行了300-2000 米的深海腐蚀实海试验,投试样品包括黑色、有色金属及涂层材料共24 种,这些材料广泛用于海洋平台、结构件,油气管线、海底油气田钻探以及船舶等领域,具有很强的实际意义。同时,为了和浅表层海水腐蚀规律对比, 还投放了对应的标准材料,增强了深海数据与浅海数据的可比性。这次试样的成功投放标志着中国深海环境腐蚀研究崭新的开端,为开展材料在我国深海环境的腐蚀研究奠定了坚实的基础!


    加强应力腐蚀研究 重视深海装备防腐


    《世界深水报告》称,44% 的油气储藏在深水中,而现在深水油气的开发量仅占总油气储量的3%。目前中国南海深水区已成为世界石油界重点关注的目标之一,据估算,南海主要盆地的油气资源量为707.8 亿吨,其中天然气资源量为58.2 万亿立方米,石油资源潜在量为291.9 亿吨。不过,这些油气资源大多分布在3000 米以下的深海里。而我国深水勘探的序幕在2006 年才开启,深水的勘测还处于起步状态。海洋油气开发风险大,一旦装备出现问题, 风险可能不可控,甚至会导致几十亿元的巨大投资付诸东流。


    随着深海油气资源的逐步开发,对海底油气管道的需求量增大,但面临着向深海发展的技术难题,海底管道处于浪、流、蚀等恶劣环境下,特别在深海海域,对材料提出了更高的要求。同时, 海底管道的服役期一般都超过20 年, 设计要求免维护或者少维护,必须以高性能的材料作为保障。近年来,我国材料技术虽然已取得长足进步,但与国际先进水平和我国发展需求相比,在海底管道方面仍然存在诸多方面的不足。目前,国外海底管道工程中非酸性环境下应用的最高钢级为X70,酸性环境下应用的管材最高钢级为X65;钢管壁厚最大为41.0mm,D/t 最小为15.8。我国海底管道建设中普遍应用的是 X65 钢管,X70 钢管的应用较少。钢管最大壁厚为31.8mm,D/t 最小为20.0。


    美国海军于1962-1970 年在太平洋海底进行了系统而广泛的材料腐蚀投样实验,研究结果表明,多数合金在深海环境中对应力腐蚀不敏感。只有少数合金在深海环境中对应力腐蚀敏感。随着我国海底油气资源的开发,海底管线的重要性也日益凸显,管线钢的抗压溃性、耐局部腐蚀性能越来越重要;常用的海底管线钢主要有X52、X60、X65、和X70,甚至连X80 级别的海底管线钢也开始应用。探明这些新材料在深海水环境中服役时的耐腐蚀性能及其机制, 尤其是应力腐蚀行为和规律是解决深海水环境腐蚀防护技术的关键。而近年来针对材料在深海环境中的应力腐蚀行为和规律的研究鲜有报道。李晓刚教授表示还需要我们继续为之努力,他具体提到了目前深海环境中材料的应力腐蚀两大研究进展。


   
1、氢在材料应力腐蚀中的作用研究进展


    深海环境溶氧量低,促进了阴极析氢反应。阴极还原生成的氢原子可以吸附在金属材料表面并扩散进入内部,并在裂尖应力集中区富集。另外,氢还会与位错发生交互作用,这些因素都对材料的力学性能、电化学性能和应力腐蚀性能产生影响。众多学者对氢脆机理进行了广泛地研究,目前比较主要的氢脆机制包括:应力诱发氢化物形成和解理、氢致局部塑形模型和氢致结合力降低模型。应力诱发氢化物形成和解理机制适用于在应力场下能够形成稳定氢化物的金属体系中, 例如:Vb、Ti 和Zr 等。氢致局部塑形模型首先由H.K.Birnbaum 在1990 年提出, 之后I.M.Robertson 又对其进行了完善。其特征在于原子氢通过弹性场屏蔽效应促进了位错滑移,导致局部剪切力降低。氢致局部塑形断裂过程中,微孔沿易滑移面聚集融合从而导致材料破裂。这是具有高度局部塑形变形的断裂过程,而不是脆性断裂。氢致结合力降低模型是A. R.Troiano 在1960 年提出的。该模型假设氢固溶进入金属内部导致晶格膨胀,降低了裂纹前缘原子键结合能,从而断裂能降低。总而言之,氢致局部塑形模型更适用于塑性断裂,而氢致结合力降低模型更适用于脆性断裂。


    Barnoush 等采用原位电化学的方法在双相不锈钢中观察到了氢致塑性现象。将原位电化学充氢与原子力显微镜和光学显微镜相结合研究氢对双相不锈钢中奥氏体相的影响。观察到了充氢导致的奥氏体不可逆变形。退火过程中奥氏体中形成的残余应力结合氢激活的位错源共同导致了原位充氢过程中奥氏体表面滑移线的形成。Pezold 等以NiH 系统为模型,分析了氢致局部塑形的提高,重点分析了H-H 交互作用和氢化物的形成。研究表明,H 原子之间的相互吸引会极大地提高位错拉应变场周围的局部氢浓度,从而导致局部氢化物沿位错线生长。基于氢致局部塑形模型,当不存在H-H 交互作用时,需要10 at% 量级的氢才能诱导应力屏蔽效应。而即使存在微弱的H-H 交互作用,都会显著降低HELP 的起始氢浓度,低至1.6×10-2at%(160ppm)的氢浓度也会导致氢脆。局部氢化物的形成会诱发沿位错滑移面分布的强烈短程屏蔽效应,可能导致微裂纹的形核和氢脆的发生。


    2、氢、应变和腐蚀电化学的交互作用研究进展


    油气管道直接放置在海床上或处于悬跨状态,因此,会随着海底地形变化、洋流、地质因素而产生众多的附加结构拉应力。同时管线敷管时有较高应变, 由此可能导致应变区局部腐蚀敏感。很多学者研究了在弹性或塑性应变对材料腐蚀电化学行为和SCC 的影响规律,以及应变和腐蚀电化学的交互作用。E.M.Gutman 提出了力学化学效应,即塑性变形对材料阳极溶解的影响。研究表明,在加工硬化阶段,变形促进金属电极电位的下降和阳极电流的增加。改变的程度和应变强化率相关。力学和电化学效应的交互作用提高了金属表面活性,加速了结构件的断裂。B.T.Lu 等研究了塑性预应变对X70 钢焊缝在近中性溶液中的SCC 敏感性的影响。结果表明,塑性预应变降低了X70 钢焊缝各个区域的SCC 抗力,这和屈服强度的提高有关。R.N.Parkins 认为应力会对膜破裂、再钝化和点蚀产生重要影响,而这些对裂纹形核和扩展有直接关系。W.Chen 等人研究发现残余应力和加载的拉伸应力会加速腐蚀,促进微孔形成。R.K.Ren 等研究了低碳钢在3.5% NaCl 溶液中微弹性应力和电化学腐蚀行为之间的交互作用。结果表明,应力和电化学腐蚀之间存在非线性关系。在微弹性变形初期,施加的机械能激活了金属表面,促使腐蚀溶液在金属表面更易聚集形成薄液膜,从而加速了电化学腐蚀过程。当应力逐渐增加到某一临界值时,多余的机械能不仅会影响样品表面的腐蚀行为,而且会增加金属局部区域的微塑性变形。


    由此可知,氢和应变对应力腐蚀的作用是一个很复杂过程,有待进一步的研究。


    打破材料技术瓶颈 聚焦深海装备防腐


    深海之争归根结底为资源之争,深海资源开发非常依赖于材料科技的发展, 特别是专门用于深海探测与使用的材料。随着我国深海事业的发展,材料腐蚀问题已成为深海装备发展的技术瓶颈。鉴于当前对深海材料腐蚀研究的现状,李晓刚教授提出了自己的看法。他认为海洋科技事关国家未来,应面向国家海洋工程重大工程和装备的重大战略需求, 聚焦于海洋环境中腐蚀和生物污损两大问题,瞄准高湿热海洋大气、深水生物污损和深海极端三个典型海洋环境,拟解决“多因素下材料腐蚀及损伤的力学- 电化学交互作用机理与规律”、“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”、“海洋环境中生物在材料表面的粘附与微生物腐蚀机理” 和“深海和高湿热环境下新型耐蚀耐磨金属和防护材料的结构与性能调控”等4 个关键科学问题,建立多重环境耦合作用下的材料腐蚀损伤、磨蚀失效和生物污损行为与机理的基础研究的新方法、新理论;稳定一支以海洋腐蚀与防护为背景的研究队伍,建立具有国际竞争力的海洋环境腐蚀科学基础研究基地。通过腐蚀、磨损、冲蚀、污损、材料等多学科交叉,汇集材料- 腐蚀、磨损、冲蚀、污损- 防护的系统研发结果,为实现我国“海洋强国梦”奠定科学基础!


    后记:海纳百川,包容万物。回顾几千年来中华民族“辉煌与屈辱并存”的海洋之路,海洋对于一个国家的重要性不言而喻,随着中国航母的首次试航, 我们构建“海洋强国梦”不再是遥不可及。走向深蓝,走向深海,彰显中华民族的本色,开创中华民族的辉煌未来!这是我们每个中国人的责任和义务。大家行动起来,聚焦深海装备防腐,为实现“海洋强国梦”而努力吧!


   
人物简介


    李晓刚,北京科技大学教授、博导;国家材料环境腐蚀平台主任;中国腐蚀与防护学会副理事长兼秘书长;教育部腐蚀与防护重点实验室主任。“海洋腐蚀973项目”首席科学家;国际腐蚀理事会理事。


    我国材料环境腐蚀与防护领域主要学术带头人之一。长期坚持材料环境腐蚀机理应用基础研究,获得了钢铁、高分子等材料在大气、土壤、海洋环境的腐蚀规律;领导创建了国内最大的材料环境腐蚀试验与共享的规范化平台和数据量最大的腐蚀数据库;发展了环境腐蚀试验系列化新技术,为解决航天、海洋、石油等国家重大工程的材料腐蚀难题提供了技术支撑,解决了“天宫一号”重大腐蚀难题,为其按时发射提供了重要科学依据,对发展我国材料环境腐蚀学科做出了创造性贡献。


    2005年起担任国家科技基础条件平台-材料环境腐蚀平台负责人;是“海洋工程装备材料腐蚀与防护关键技术基础研究”973项目首席科学家。与合作者共同发表SCI和EI收录论文339篇,出版专著9部(第一作者9部),译著1部,主持编辑出版国内首部“腐蚀学科进展报告”;主编教育部规划教材1部;授权国家专利35项。培养博士后5 名、已毕业博士49名、已毕业硕士78名。获国家科技进步二等奖2项(排名第一);省部级科技进步一等奖5项(排名第一);获“全国优秀科技工作者”、“北京市师德模范”“北京市百名科技领军人物”称号,获执行“十一五”国家重大科技计划优秀团队奖。在国际同行中已经具有重要的影响力。

 

 

 

 

 

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标签: 李晓刚, 深海腐蚀, 数据, 北京科技大学

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