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孟国哲: “一带一路”起航 海洋材料延寿,如何“延”?

2017-06-29 15:47:53
作者:王元、班英飞
来源:《腐蚀防护之友》

为了科普海洋材料腐蚀防护相关知识,推动海洋防腐新材料和新技术的发展,记者特邀请到哈尔滨工程大学孟国哲教授做相关方面的解读。孟国哲,哈尔滨工程大学教授,博士生导师。中国腐蚀与防护学会常务理事,国际期刊Global Journal of Physical Chemistry、中国腐蚀与防护学报编委。长期从事海洋环境下材料的腐蚀与防护研究工作,作为项目负责人承担国家级科研课题多项。

  

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    海洋是国家战略资源的重要基地,提高海洋资源发展能力,对于实施海洋强国战略,促进经济持续健康发展具有重要意义。然而在海洋服役环境中的基础设施和重要工业设施腐蚀问题严重,腐蚀已经成为影响船舶、近海工程、远洋设施服役安全、寿命、可靠性的最重要因素,倍受世界各国政府和工业界的高度重视。随着“一带一路”规划的起航,“海洋强国”战略的确立,海洋资源的开发逐步迈向超过 300 米的海域,对于在深海的严酷服役环境下的材料有了新的要求,因此,大力发展海洋防腐新材料和新技术,保障海洋设施安全与可靠性、延长海洋工程装备的使用寿命刻不容缓。为了科普海洋材料腐蚀防护相关知识,推动海洋防腐新材料和新技术的发展,记者特邀请到哈尔滨工程大学孟国哲教授做相关方面的解读。

 

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孟国哲教授

    孟国哲,哈尔滨工程大学教授,博士生导师。中国腐蚀与防护学会常务理事,国际期刊 Global Journal of PhysicalChemistry、中国腐蚀与防护学报编委。长期从事海洋环境下材料的腐蚀与防护研究工作,作为项目负责人承担国家级科研课题多项。


   
 记者:随着“一带一路”规划的起航, “海洋强国”战略的确立,海洋资源拓展项目成为目前海洋发展的重中之重,海洋资源的开发逐步朝着超过 300 米的深海。然而腐蚀问题成为海洋发展绊脚石,请您谈谈深海环境腐蚀的现状及建议?


    孟教授:从上个世纪 60 年代,美国国家海军工程实验室(Naval CivilEngineering Laboratory) 就 开 展 了 为 期10 年的深海环境对材料服役行为影响的研究,通过分析 169 种合金在实际深海环境中浸泡 1 年的腐蚀行为,发现大部分材料的腐蚀速率与海水中的含氧量密切相关,随着海水含氧量的增加而增大。对腐蚀行为与表面钝化膜或表面腐蚀产物膜相关的合金(如不锈钢、铝合金、镍合金等)而言,其腐蚀速度随含氧量的变化出现了较为奇怪的变化,认为阴极过程中氧的主导地位在下降,阴极析氢的作用在加强。印度国家海洋技术研究所用实海挂片方法研究了碳钢在 印 度 洋 中 500m、1200m、3500m 和5100m 深度的腐蚀行为,表明深海环境中氧浓度仍然是影响均匀腐蚀过程的主要因素,中碳钢在深海中的腐蚀速度随海水氧浓度降低而减小。Melchers 综述了中碳钢在不同地域不同深度海水中的腐蚀数据,认为海水含氧量和温度是影响腐蚀失重的重要参数,腐蚀失重随浸泡时间延长而不断变化,似乎与海水深度无关。此外,世界各国的研究者还进行了实验室模拟研究,详细探讨深海诸多影响因素中某一因素的影响规律,这些研究主要集中于模拟深海环境巨大的静水压力对材料腐蚀行为的影响方面。


    Beccaria 等较为系统地研究了静水压力对不同材料腐蚀行为的影响,发现随着静水压力从 1atm 增加到 300atm,铝合金的腐蚀速度逐渐增大,点蚀敏感性增强,其阳极过程受到促进,阴极过程基本不变,认为其原因是静水压力增加了氧化膜中氯离子、硫酸根离子含量,从而降低了氧化膜的稳定性。他们对不锈钢在静水压力下的腐蚀行为研究表明,高的静水压力使得 Mo 元素增强不锈钢耐点蚀能力的作用发生逆转。


    与浅海环境相比,深海环境存在巨大静水压力, 此外, 溶解氧、 温度、 pH值、盐度、海洋生物等因素与表层海水环境因素也明显不同,因而具有其独特的环境特性。这种服役环境的变化往往使得浅海环境下性能优良的材料在深海环境中发生耐蚀、力学等性能的显著变化。


    在深海环境条件下,这种材料性能恶化导致的失效构件很难进行更换或维修,甚至直接引发严重的工程事故,所以深海环境下对材料结构和功能可靠性的要求远远高于陆地和浅海环境下。对海工材料在深海环境中的腐蚀行为及与之相关的力学性能退化现象进行研究并发展相应的防护技术成为人类进行海洋资源开发过程中必须解决的一个重要课题。


    
记者:随着深海开发的迈进,海洋腐蚀环境更加严酷,请您谈谈在这些环境下对材料和技术有哪些新的要求?

 

    孟教授:相比较而言,我国在浅海环境方面的研究已较为深入,尤其是国家材料环境腐蚀平台,通过众多海洋大气、水环境站点多年的辛勤努力,积累了大量工程材料在海洋大气、浅海环境中长期腐蚀的丰富数据,这些数据已经在我国海洋经济的建设发展中发挥着中要的指导作用。


    在深海环境方面,我国这方面的发展还较为滞后。自 2005 年开始,国内中船重工 725 所、北京科技大学、中国科学院金属研究所和哈尔滨工程大学相继开展了实海及实验室模拟深海环境下材料腐蚀行为的研究,开始关注深海静水压力对材料腐蚀行为的影响,发现随着静水压力的增大,这些材料的腐蚀性能发生了不同程度的恶化,认为其原因是静水压力造成了表面腐蚀产物膜的不稳定。因此,需要对工程材料在深海环境下腐蚀适应性进行大量细致的研究和实海挂样长期腐蚀数据的积累,针对深海腐蚀特点积极研发耐深海腐蚀的新的海洋工程材料高强钢是制造深海装备的主要结构材料之一,高强钢在工作载荷下服役时,会遭受深海环境介质的腐蚀。


    深海环境因素的变化会导致其腐蚀行为发生变化:随着海水深度的增加,海水含氧量会显著下降(尤其 700 米左右),这时腐蚀过程的阴极过程会发生一系列的变化,浅海环境下可以忽略的氢还原反应会逐渐成为主要的阴极反应,加之微生物代谢造成的局部酸化或阴极保护,会产生大量氢原子。而高强钢对氢原子很敏感,这些氢原子进入钢基体,会造成高强钢力学性能的显著下降。因此,开展高强钢在深海条件下氢损伤行为的研究就成为保障高强钢安全服役的前提,在此基础上研发适合深海环境的高强钢。


    对浅海腐蚀防护手段而言,海洋重防护涂层和阴极保护(牺牲阳极或外加电流阴极保护)的联合应用是常用的最有效的保护技术,但这一技术在深海环境下效果如何?深海静水压力、低含氧量对牺牲阳极的放电效率影响如何?深海静水压力对涂层渗透性的影响如何(已经发现在深海 / 浅海交变环境中涂层极其容易发生剥落)?这些都需要详尽细致的研究来澄清和大量的实海数据来证明。因此,发展完善深海电化学防护技术成为我国海洋经济发展所面临的一个重要课题。


    海洋生物腐蚀一直是材料腐蚀研究的一个重要课题,附着在工程材料表面海洋生物的新陈代谢产物会改变材料表面局部的环境介质,甚至对材料表面涂层造成一定的破坏。目前,对浅海环境中生物腐蚀的认识已经较为深入,但对深海环境下海洋生物的种类及对材料腐蚀行为影响方面的研究还鲜见报道。因此,开展深海环境下材料生物腐蚀行为的研究及防护技术研究也成为深海装备安全服役的必要前提。


   
 记者:作为业界专家,您多次完成国家重大的科研项目,请回忆一下您工作中印象深刻的一些案例?

 

    孟教授:海洋环境日益复杂,对材料腐蚀行为的影响也必然是多方面的,这就要求我们在解决实际腐蚀工程问题时要用多层次多角度的视野进行分析考虑,有时还需要打破常规思维习惯。比如,我们曾经遇到过某一船舶动力系统冷却水出口处船体的腐蚀问题。乍一接触,感觉是冷却水造成的局部温差电偶腐蚀。但经详细调查,发现腐蚀部位是排水口周围的船体(应该为阴极),而不是温度较高的排水口(应为阳极),且排水口周围船体部分安装了锌牺牲阳极。进一步发现,锌牺牲阳极经过一段时间服役几乎没有发生腐蚀溶解。后经过模拟排水口处环境(温度最高时可达60 多摄氏度),开展实验室研究,发现锌在 60 多摄氏度的海水中的腐蚀电位要高于船体钢, 这是船体钢反而成了 “牺牲阳极”,这与常温海水条件下的情况正好相反。“症结”已经找到,寻找防止措施就比较容易了,建议冷却水的流速加快,从而使排水口的水温低于 60摄氏度。

 

    记者:请您谈谈海洋新材料的未来发展趋势?


    孟教授:在海洋服役环境中使用的耐腐蚀材料包括耐海水腐蚀钢、耐腐蚀钢筋、双相不锈钢、钛合金、铜合金、复合材料、高分子材料、高性能混凝土。


    其中,金属和钢筋混凝土的使用量最大。


    耐腐蚀金属材料是通过调整金属材料中的化学元素成分、微观结构、腐蚀产物膜的性质,实现降低电化学腐蚀的反应速率,从而可以显著改善金属材料的耐腐蚀性。


    海洋新材料的发展趋势必定是在满足力学性能的前提下围绕着“长寿命”
这一课题来进行。材料在海洋环境下的延寿可以从两个方面来进行,一是发展完善新环境下材料的防护技术,二是发展新的耐蚀材料,但这些都是以洞悉材料在不同海洋环境下的腐蚀规律和机理为前提的。因此,谈到海洋新材料的未来发展趋势可以归为以下几点:(1) 发展海洋长寿命重防腐涂料,尤其是适应深海环境条件的重防腐涂料。(2) 研发适合深海环境应用的牺牲阳极材料。(3)研发适合深海环境应用的高强钢,该类钢应该具备很高的抗渗氢性、抗应力腐蚀断裂及较高的腐蚀疲劳性能。(4) 研发耐高速海水溅射、冲刷腐蚀的工程材料及防护技术。(5) 研发防深海微生物腐蚀的涂层材料及防护技术。

 

    后记:


    随着“一带一路”的起航,海洋材料须延寿,如何“延”?孟教授已给出详细解答。当务之急,大家应携手共进,为实现“海洋强国梦”,为祖国的美好明天努力拼搏吧!相信在不久的明天我们伟大的祖国会再向世界递交一张闪亮的名片!

 

    人物简介

 

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    孟国哲,男,1974年10月生,博士,哈尔滨工程大学教授,博士生导师。中国腐蚀与防护学会常务理事,国际期刊Global Journal of Physical Chemistry、中国腐蚀与防护学报编委。长期从事海洋环境下材料的腐蚀与防护研究工作,作为项目负责人承担国家级科研课题多项。目前在Corrosion Science、Electrochimica Acta、Scripta Materialia、Journal of The Electrochemical Society、中国科学、中国腐蚀与防护学报等国内外知名刊物发表论文60余篇。目前感兴趣的研究领域有:表面改性对金属材料腐蚀行为的影响;深海环境对常用海洋结构钢腐蚀行为的影响;环境-力交互作用对材料腐蚀行为的影响。

标签: 孟国哲, 海洋环境腐蚀, 金属腐蚀

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