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创新案例

海洋腐蚀及防腐蚀技术研究结出硕果

  
 
 
 
    侯保荣  海洋化学家、中国工程院院士。1942年1月生于山东省曹县。1968年毕业于复旦大学,1993年获日本东京大学工学博士学位。现任中国科学院海洋研究所研究员、博士生导师,中日海洋腐蚀环境共同研究中心主任。多年来他瞄准海洋开发过程中涉及的腐蚀现象,以减少腐蚀破坏所造成损失为目标,完成了多项国家、省(部委)、大型企业攻关任务,在海洋腐蚀环境理论研究和国民经济建设上做出了重要贡献。发表论文400多篇,出版专著6部、论文集3部。获国家专利授权47项,其中发明专利2项。获国家科技进步奖二等奖1项、中国科学院重大科技成果奖二等奖1项、中国科学院科技进步奖二等奖1项。
 
    腐蚀问题首先是一个经济问题。腐蚀是一种悄悄进行的破坏,但它的破坏力比地震、火灾、水灾、台风等自然灾害所造成损失更为严重。世界各国对腐蚀工作都非常重视。据统计,每年因腐蚀所造成的经济损失约占国民经济生产总值的2%-4%。1969年英国因腐蚀而造成的损失为13.65亿英磅;美国2001年的腐蚀直接损失为国民生产总值的3.1%,约合2760亿美元。这一调查结果当时震惊了全世界。据最新报道,我国在能源、交通、建筑、机械、化工、基础建设、水利和军事设施等典型的行业和企业,每年由于腐蚀所造成的损失可达5000亿元以上,约占GDP的5%。腐蚀所造成的经济损失除直接损失外还包括停工停产、设备维修、产品降级、效率降低等一系列间接损失。
    与此相比,海洋腐蚀尤为严重。我国有18000(?)公里的海岸线,有相当于我国陆地国土面积1/3的海洋区域。海洋的开发利用在国民经济中占的比重越来越大。目前已有100余座开采石油的钢桩平台屹立在海上,同时大量船舶及海底输油管线为海上开采石油服务。目前已经探明,中国海上石油资源量占全国石油总产量的1/4,仅渤海油田目前探明的总储量就超过45亿吨,而且我国在未来5年内,将投资500多亿元在渤海建设50个采油平台,1100口生产井。由于钢铁材料韧性大、强度高、价格便宜,目前这些构筑物大都用钢铁材料所制成,其严重腐蚀性必然直接威胁着这些钢铁设施的安全,并将造成严重的经济损失,是一个必须十分重视的研究课题。
    海洋环境腐蚀与防护主要是研究钢铁材料在海洋环境中发生的一系列化学和电化学反应而劣化的自然现象,其目的就是有效地防止腐蚀,降低腐蚀损失,提高钢铁设施的使用效能。基于对腐蚀所造成的危害及损失的分析,侯保荣课题组将研究目标锁定在海洋环境腐蚀与防护研究上,并取得了一系列研究成果。他们认为:如果防护措施到位,至少每年可以避免25-30%的损失,也就是说每年至少可以减少损失1300亿元。
    海洋环境是一个特定的极为复杂的腐蚀环境,海洋腐蚀环境纵向可分为海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区、海底沉积物区五个不同腐蚀区带,贯穿这些腐蚀区带的海上钢铁构造物在不同的腐蚀区带具有不同的腐蚀特征,不同钢材在不同海洋环境中的腐蚀规律不同,即使是同一种材料在海洋不同区带的腐蚀也存在着较大差异。研究海水-海气界面交换区和海水-海泥交换界面区的腐蚀行为、腐蚀过程、锈层在腐蚀中的作用、金属元素的影响等对研究金属腐蚀与海洋环境的相关性有着重要的意义。
    侯保荣课题组结合海洋工程实践,针对海洋腐蚀的分区特点做了海洋平台导管架钢桩实物试验和海水管道的工程应用,通过室内和外海试验,电化学测试等腐蚀筛选试验,并对腐蚀机理进行探索研究,最后从工艺、材料(合金线材)及现场应用和工程项目考核(如船舶,钻井平台等),得出在海上各种区域环境条件下的金属与有机复合覆盖层的最佳方案,并广泛应用于海上工程,为海洋钢铁设施防护开辟一条新路径。该技术综合了有机涂层和阴极保护两种防腐措施的优点,大大延长了海洋钢铁构造物的服役寿命,是一种新型的海洋防腐技术,研究总体上达到了国际先进水平。
    牺牲阳极可以非常有效地防止处于海水中的钢铁构筑物(如船舶、浮标、钢桩码头、石油平台)遭受腐蚀。它具有使用简单,不需要外界电源及设备,不需要日常的管理和经常性的维护等优点,已越来越多广泛地被采用。以前我国船舶上主要采用锌阳极,近年来国内也相继开发了铝阳极。与锌阳极相比,铝阳极具有重量轻、单位重量放电量大(约为Zn的3倍)、阳极电位负、资源丰富、价格便宜等优点,因此用铝阳极取代锌阳极,具有很大的经济效益。
    自1975年以来,他们开展了铝阳极的研究工作,曾研制了Al-Zn-In-Cd系阳极。考虑到Cd的毒性及对环境造成污染的问题,又进行了不含Cd的其他新型阳极的研究。研制的“PM-1型和PM-2型腐蚀状态自动跟踪扫描系统”,为阴极保护的参数设计提供了重要的依据,作为一种新型的海洋腐蚀监测技术,已被广泛地应用在船舶、浮标、钢桩码头、石油平台的腐蚀防护。目前已在胜利油田CB11B平台井组和CB251B井组现场应用,并正在向该海域其它平台推广。
    针对沿海城市许多工厂的热交换器大多采用海水冷却,冷凝塔腐蚀严重的现状,他们在国内首次采用了牺牲阳极和牺牲阴极保护技术对海上浮标、钢浮筏、海水管道进行了成功的保护,并对牺牲阳极输出电流公式进行了修正。外加电流混合阴极保护技术,使保护率达90%以上,大大延长了冷凝塔的服役寿命。
    随着海洋经济的飞速发展,我国渤海、黄海、南海及胜利油田先后建造了大量的石油、天然气开发平台,渤海在未来5年内原油产量将突破2000万吨。这些平台,大部分是用钢铁作为主要材料制作的。但由于钢铁材料在海洋环境中极易被腐蚀,使用寿命受到严重影响,从而造成资源、材料和能源的巨大浪费,不但成为灾害性事故的隐患,还有可能因为管线设备的破裂,造成更为严重的海洋环境污染,甚至造成人身伤亡和更大的经济损失。因此,海上石油、油气田等的石油平台、输送管线等海洋钢铁设施的腐蚀及其检测问题已经成为科学界和石油界关注的热点。
    为了解决我国海洋石油开发中的腐蚀问题,他们应中国海洋石油总公司湛江分公司、胜利石油管理局等单位对海上石油开发区内的各种作业平台和海底管线进行腐蚀监测的要求,把争取为企业解决更多的生产难题作为首要任务,将处于科技发展前沿的信息技术与腐蚀工程控制技术有机地融合起来,“海洋钢铁设施腐蚀状态自动跟踪扫描系统”、“钢铁设施在海洋环境中的腐蚀及其防腐蚀技术”,广泛应用于海洋钢铁设施的腐蚀监测。这些科研成果,为我国海洋工程结构的合理选材和设计提供了科学依据,取得了显著的经济效益和社会效益。
(撰稿人:邢桂方)
 
 
    点 评:
    侯保荣先生将自己的研究目标始终锁定在海洋环境腐蚀规律和钢铁构筑物相关防腐技术的研究上,通过不断的探索和不懈的努力,取得了一大批重大的创新性科技成果,既有理论上的突破,又创造了一系列在不同海洋环境下延缓钢结构材料腐蚀的具体而又行之有效的控制方法。这些科研成果的应用,为我国海洋工程结构的合理选材和设计提供了科学依据,延长了海洋钢铁构造物的使用寿命,取得了显著的经济效益和社会效益,为海洋钢铁设施防腐开辟了新路径。