材料腐蚀防护领域代代人接力相传的故事
2020-06-12 15:49:27 作者:本网发布 来源:中国腐蚀与防护网 分享至:

2014年,腐蚀造成的损失,均摊到每个中国人身上约为1555元,但其中1/3以后或能避免。而这,是两代人努力的结果。


1951年,法国的拉克气田因设备发生了应力腐蚀开裂得不到解决,不得不推迟到1957年才全面开发。


1998年6月3日,由慕尼黑开往汉堡的德国ICE884次高速列车在运行至距汉诺威东北方向附近的小镇埃舍德时,发生了第二次世界大战后德国最为惨重的列车脱轨行车事故。


2013年11月22日,山东青岛中石化东黄输油管道泄漏,引发爆 炸。


2014年8月1日凌晨,中国台湾高雄市前镇区多条街道陆续发生可燃气体外泄,并引发多次爆 炸。


上述国内外事故除了给当地造成重大损失外,还有一个共同的特点:几乎年年发生,均是由材料腐蚀直接或间接引发。至今,这些“著名”的事故都被当作材料腐蚀领域的反面案例。


“重大基建工程设施的腐蚀问题可能严重威胁到社会稳定和人员安全,因而防腐蚀技术与安全生产两者的关系极为紧密。”北京科技大学教授、博导,国家材料腐蚀与防护科学数据中心主任、CSTM金属材料腐蚀与防护领域委员会主任委员李晓刚对《大国之材》表示,材料腐蚀是威胁装备安全运转的最主要的原因之一。

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2018年7月,李晓刚,程学群和刘智勇教授在马尔代夫大桥防腐施工现场检查施工质量


因而,从业者需要从“事故”中获得“教训”。不断研究、总结出一套减少事故,提高使用可靠性、安全性、延长材料使用寿命的理论、标准来。


01 代代人接力:基础研究夺第一


2015年11月26日,李晓刚团队的研究论文“share corrosion data”在《Nature》上发表。这是我国腐蚀学科,也是世界华人腐蚀研究者首次在《Nature》上发表研究论文,标志着我国在腐蚀数据积累和研究上达到国际领先水平。


同一年,中国腐蚀防护学科在国际上的地位发生转变,在高水平杂志上发表的腐蚀防护类论文数量超过美国,达到世界第一的水平。“此后至今,我国一直保持了论文数量第一的水平。这意味着我国材料腐蚀与防护的基础研究水平上了一个新台阶,表明我国腐蚀与防护基础理论研究是世界上最活跃的地区之一,但是总体仍然是跟踪研究为主,原创性成果很少。”李晓刚表示。


中国腐蚀防护学科经历了从上世纪80年代的弱小角色到“领头羊”的转变,成为国际上最活跃的一支队伍。在李晓刚看来,这与几代研究者、从业者的不懈努力密不可分。


“不论是国内的学者,还是国外团队里面的华人学者,都付出了很多努力,特别是张文奇、肖纪美、师昌绪、左景伊等老一代腐蚀防护工作者,还是现在的资深专家曹楚南、柯伟、李铁藩、侯保荣等,他们奠定了良好基础。”李晓刚告诉《大国之材》。


“他们根据当时国家建设的急需,尤其是在耐蚀材料上的巨大需求,建立了原中科院腐蚀研究所、联合国北京腐蚀与防护培训咨询中心(包括硕士点和博士点)、中国腐蚀与防护学会和中国腐蚀与防护学报,奠定了中国材料腐蚀与防护学科的基础”。


据李晓刚介绍,我国腐蚀学科的中坚力量——国家材料环境腐蚀平台的前身则是国家自然科学基金会等“全国材料环境腐蚀站网”,而这个网站则是由师昌绪院士等老一辈学者从上世纪50年代起组建的。20世纪50年代末,国家科学技术委员会建立了“全国大气、海水、土壤腐蚀试验站网”,开始了我国材料自然环境腐蚀试验工作。


1961年,国家科学技术委员会成立腐蚀科学学科组,将材料环境自然腐蚀试验研究工作列入国家重要科技任务,后又列入1963—1972年国家科技发展规划。


2000年,在王光雍教授的推荐下,李晓刚来到全国材料环境腐蚀网站办公室工作,从事材料环境腐蚀野外台站建设和数据积累方面的工作。


五年后,科技部将国家材料腐蚀试验站网作为国家科技基础条件平台建设项目给予大力支持,于2006年将国家材料腐蚀试验站网纳入了国家野外试验基础条件平台,启动了“国家材料自然环境腐蚀实验台网建设”项目。2009年,该项目通过了科技部的验收,并正式命名为“国家材料环境腐蚀野外科学观测研究平台”。


2013年,国家材料环境腐蚀野外科学观测研究平台正式更名为“国家材料环境腐蚀平台”。2019年,成为20个国家野外观测研究站和1个国家科学数据中心。


“从老一辈学者到现在的青年学者,上千人参与到材料腐蚀防护的工作中来,现在取得的成绩是几辈人共同努力的结果。”李晓刚说。


02 朝阳行业:“高精尖”仍卡脖子


2014年,我国国内生产总值(GDP)超过63万亿元。根据工程院的统计,腐蚀造成的损失占到GDP的4%左右,即约2.5万亿元,平均到每个中国人身上折合人民币1555元损失。


而在这2.5万亿的大盘子中,有三分之一的损失是可以通过预防避免的。“也就是说我国腐蚀防护市场的容量有8千亿元。”李晓刚分析,在这个大盘子中,不锈钢和耐蚀材料大致占一半,以涂料为主的其他防腐蚀技术占一半。


从不锈钢、耐蚀材料、涂料三块分别来看,不锈钢行业原来依赖进口的状况已经彻底发生改变。目前,我国不锈钢的生产不仅能基本满足国内需求,还有部分出口。耐蚀材料产业近几年经历了快速发展,但在涂料产业方面,情况仍不乐观,进口国产各占一半,高档产品仍然是进口品牌为主。


“对中国来讲,材料腐蚀防护行业是一个朝阳行业,上升空间十分巨大。”李晓刚说。


但是,短板也是非常明显的:世界上的阴极保护材料中85%都是由中国生产的,但是涉及“高精尖”的产品、技术却没有多少是与中国挂钩的。以涂料为例,高品质的涂料基本都是由欧洲国家、美国、日本等国家生产,中低端涂料产品基本都是国产。


“再比如深海的耐蚀材料与技术、一些与阴保相关的软件还是依赖进口。尤其是在海洋开发、‘一带一路’国家建设过程中遇到的材料腐蚀问题,说明我国大型装备耐久性问题还是一项卡脖子工程。”李晓刚认为,一些重要工程中对高水平、长寿命的耐蚀材料的需求是非常迫切的,但这仍然是一个卡脖子问题。其原因是基础研究仍然是跟踪研究。


在李晓刚看来,材料设计人员的错误观念是导致材料在设计研发过程中耐蚀性被忽略的最主要原因。“搞材料设计的人一开始就认为材料的耐蚀性只是一个辅助性能,只要保证材料强韧性他的任务就完成了。正是由于认识上的差异与经济上的限制,导致了很大的浪费。以旧金山大桥为例,它的维护费是建设费的5倍,如果设计不当,后续需要不断维护,这是一笔很大的投入。”


总体来说,在基础研究方面,我国与欧洲国家、美国、日本等发达国家处于并跑与跟跑的状态。在产业方面,“高精尖”产品、技术仍然处于追赶状态,差距较大。


值得欣慰的是,我国腐蚀防护领域人才的培养机制已经建立起来。但高级工程人才欠缺仍然是一个目前需要面对的一个问题。


“还是要加大高层次实用性人才的培养,这样我们就可以在产学研用方面取得更大的进展。材料防护事业需要代代相传下去,这是不能有任何闪失的问题”李晓刚说。


03 标准体系建设:贯彻至生产中


基础研究的使命就是为产业发展服务的。


在材料腐蚀防护科学家们将“实验室结果”转向“产线”的过程中,他们发现掣肘该领域发展的一个重要原因——标准建设滞后。


发现问题所在后,以王海舟院士为代表的老一代学者开始着手标准体系的建设。于是,中国材料与试验标准平台(CSTM)应运而生,致力国产材料从设计、生产、制造全流程的成套标准体系制定,目的是建设中国特色的材料生产使用的系列化标准。基于此前在材料环境腐蚀平台的建设中积累的大量数据,国家材料环境腐蚀平台成为CSTM的一员。


“一开始我们梳理了644项材料腐蚀方面的国标,1312项行标。数量还是比较多的,但这里边最大的问题是不成套。”李晓刚一口气提到了六了需要改进的问题:一是需要制定体系化的标准。二是完善标准内容。三是注重标准时效性,加速标准更新速度。四是注重标准的先进性。五是加强标准的可操作性。六是提高标准的统一性。


李晓刚表示,加入CSTM后,国家材料环境腐蚀平台的重点工作放在8大体系的建设上:腐蚀实验测试和分析标准的建设;材料环境腐蚀分类分析标准的基础建设;耐蚀材料标准的建设;标准的体系建设;涂镀层和涂装标准建设;缓释剂的标准建设;电化学保护的标准建设;有关材料腐蚀防护使用的一些管理的标准建设。


通过去年的工作,国家材料环境腐蚀平台颁布了47项标准,其中有19项涉及低合金耐蚀钢的标准。另外28项是涉及大气、土壤、海水材料进行野外腐蚀实验的标准。


“这些标准体系建设完了以后,我们并不是把它们束之高阁,而是联合产业界实实在在贯彻执行。”李晓刚透露,目前,国家材料环境腐蚀平台已与南京钢铁组建团队,对制定的标准进行全产业链条的贯彻执行。“实际上,我们和南京钢铁已经生产了上百种耐蚀钢新品种和巨大的经济效益,和首钢、鞍钢的合作也在进行中,我们希望把标准理念贯彻到耐蚀钢的生产过程中来。”


04 材料腐蚀基因组:大数据共享的魅力


在工作20多年以后,李晓刚才意识到,其一直从事的数据积累研究工作其实就是材料腐蚀基因组工程的基础性工作。


在多年工作的基础上,李晓刚团队提出了腐蚀大数据原创性概念。同时,结合多年数据积累与数据库建设、建模、模拟仿真、共享和工程应用系列化的工作,提出利用腐蚀信息学或腐蚀基因组工程建立基于物联网的腐蚀学科新模式。


李晓刚认为,进入大数据时代,在防腐技术上必须构建大数据平台,且不应只有中国腐蚀与防护网一家。应该以此为范本,囊括学科类型的平台,如设备服役平台以及应用类型平台如管线工业、石油石化企业的安全设备部门。军队、造船、航空航天、水利等各部门都应积极行动起来,按照统一构架打造腐蚀网络数据库,每个行业或部门各成为一片腐蚀数据云,最终集成形成云数据。


值得一提的是,目前,国家材料环境腐蚀平台整合建成了由31个国内试验站、20个国外试验站点和材料腐蚀平台中心构成的国家材料环境腐蚀试验研究基地,构建了国家材料环境腐蚀数据共享服务平台,体现了大数据在防腐技术方面的充分应用,是材料基因组工程获得成功应用的一个重要示范和案例。


“我们希望近一两年把腐蚀大数据的采集和腐蚀基因组的建模的标准,也纳入到标准系列中来,和我们前面的47项标准进行配套,源源不断的大数据,会大大提升我们制定标准的速度和质量。”李晓刚说。


此外,李晓刚告诉《大国之材》,以需求为动力,有所为、有所不为,探索材料腐蚀起源原子量级的原因,研发更高品质耐蚀钢材,是他的下一个工作目标。

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