科技新进展

科技新进展:钢铁耐蚀性调控新理论与长寿命海工结构钢及应用

发布时间:2024/06/03

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一、研究的背景与问题

材料腐蚀造成的灾难性海洋事故频发,严重制约了海洋工程装备服役安全和海洋蓝色经济的发展,其主要原因在于对我国海洋腐蚀规律缺乏系统认知,高性能耐蚀海工钢调控理论和技术研究补助,防护技术体系落后。海工钢腐蚀机理和耐蚀调控微观理论研究不足以及高性能耐蚀钢制备与应用关键技术缺乏,导致我国低合金钢耐蚀性差、品种少,是制约自主品牌研发应用和“走出去”战略的难题。从2010年开始,项目针对以上难题,探索创建数智双驱的海洋腐蚀机理与规律研究和新型海工钢研发新模式,建立了海工钢耐蚀性设计与调控智慧化新方法,通过研发系列自主海工钢新品种,及其配套焊接与涂装技术等关键技术,促进了高品质耐蚀钢材并实现了产业化,建立了服役过程中钢铁耐蚀性智慧化监控关键技术突破。提升了我国海洋工程材料的竞争力,保障了我国重大长寿命海工装备实现“完全自主品牌”和“走出去”战略的设施。

近年来,在高纯净细晶化理论指导下,我国低合金钢铁的强韧性得到大幅度提升,但其耐蚀性差及其配套技术缺乏成为各类装备制造的关键共性技术难题,我国传统耐蚀钢的研发依然参照美国1995年提出的I指数,仅考虑了Cu、P、Cr和Ni元素对材料耐蚀性的影响,忽略了钢中夹杂物类型、微观组织结构变化和环境因素波动对材料耐蚀性的影响,导致耐蚀钢的环境适应性较差,维护成本较高,无法满足严酷海洋环境工程建设的需求,原因在于:(1)环境对材料耐蚀性的协同作用机制与耦合交互作用研究的缺失;(2)高品质耐蚀钢铁冶金调控理论与技术的缺乏;(3)缺少高通量智慧化钢材耐蚀性评价方法,导致研发周期长;(4)钢材焊接、涂装和电化学保护等配套技术体系的不成熟;(5)钢材服役过程环境与腐蚀过程耦合交互作用监控技术的缺乏等等,成为我国高品质耐蚀钢研发与升级换代的最大障碍。

针对以上问题,由北京科技大学、鞍钢股份有限公司、首钢集团有限公司、南京钢铁股份有限公司和新兴铸管股份有限公司组成的项目组在首创腐蚀大数据理论基础上,发明了由材料腐蚀过程多源异构数据高通量原位采集、多维关联智能数据库、数智双驱腐蚀建模仿真、数字孪生共享应用等集成的腐蚀大数据新技术,构成了耐蚀钢数智化制备的核心技术,建成世界最大的动态腐蚀数据库,建立了高品质钢铁耐蚀性调控数智化新理论,变革了耐蚀钢铁传统试错设计方法,研制了系列品种及焊接、涂装配套综合综合新技术,实现了我国长寿命海工用低合金钢铁耐蚀性能大幅度提升和耐蚀钢铁升级换代、重大工程示范和产业化。

二、解决问题的思路与技术方案

海工用钢耐蚀性调控极其复杂,涉及冶金-制造-服役全链条。解决海洋环境下我国钢铁耐蚀性差、配套焊接-涂装技术缺乏的关键共性技术难题,在于理清材料本征因素与环境耦合交互作用,以及建立创新领先的耐蚀钢研发理论和焊接-涂装配套技术。本项目研究思路为:首先是构建坚实腐蚀数智化研究理论基石,建成了我国首个材料海洋腐蚀数据库和海洋腐蚀数据-知识深度学习融合智算平台,创建了“大数据”和“人工智能”的数智双驱的海洋腐蚀机理与规律研究和新型海工钢研发新模式;其次是建立了数智驱动钢铁耐蚀性设计理论和钢铁耐蚀性数智化调控新技术及其焊接-涂装配套技术,解析了材料内在因素及海洋环境因素对海工钢耐蚀性的内秉关系,发明了海工钢合金成分、组织结构和表面氧化皮状态等因素复合调控的耐蚀钢设计成套新技术,解决了海工钢焊缝耐蚀性调控技术缺乏的重大难题,发明了耐蚀钢-防腐涂层高通量组合芯片技术,实现涂层体系精细定量匹配设计,研发了环境响应-锈蚀抑制力强的智能涂料体系;最后发明了服役过程中钢铁耐蚀性智慧化监控关键技术并进行了重大工程示范,研发了系列化高性能耐蚀钢铁新品种,实现新产品耐蚀性能和综合性能的显著提升,建立了我国乃至全球范围首个系统全面的海底管道材料腐蚀数据库与智能监控平台,应用于海上风电、石油平台、跨海大桥、船舶、岛礁建设、沿海钢铁厂和沿海电网等工程,实现了以上海洋装备服役寿命精准预测,产生了重大的经济效益。

 

图1 海工钢耐蚀性调控数智化理论框架图

这种建立在“腐蚀大数据”和“人工智能”基础上的数智双驱耐蚀设计理论和耐蚀性数智化调控成套新技术,是发展新一代长寿命海工用耐蚀钢铁及其冶金新技术、配套焊接与涂装关键应用技术的创新与突破,提升了我国先进钢铁材料和重大装备的国际竞争力。

三、主要创新性成果

1、利用传统挂样方法和国际首创的腐蚀大数据技术,建成了我国首个材料海洋腐蚀数据库和海洋腐蚀数据-知识深度学习融合智算平台,创建了“大数据”和“人工智能”的数智双驱的海洋腐蚀机理与规律研究,以及新型海工钢研发新模式,系统获得了我国海洋环境下钢铁腐蚀特征与规律,奠定了我国长寿命海工钢研发的科学数据基础。

(1)发明了全球首款芯片级高通量叉指电极结构的瞬态腐蚀电流传感器,获得了世界首例材料腐蚀大数据流,为耐蚀钢设计由“经验法”转为“数智驱动”方法奠定了坚实的基础;

(2)首创了智慧化腐蚀模型和智能数据库技术,形成了一套利用灰关联分析、主成分分析、Pearson相关性、因子分析等多种线性或非线性分析方法,是国际首创的腐蚀大数据专用核心算法,创建了“大数据”和“人工智能”的数智双驱的海洋腐蚀机理与规律研究和新型海工钢研发新模式;

(3)建立了我国首个材料海洋腐蚀数据库和海洋腐蚀数据-知识深度学习融合智算平台,完成了国内最全面最系统的实海投样,首次系统充实了在我国南海的实海腐蚀数据积累及数据库建设;构建了海洋腐蚀数据-知识深度学习融合智算平台,解析了海洋腐蚀因素与材料腐蚀过程的内秉关系,理清了我国海洋腐蚀规律特征。

图2  (a)腐蚀大数据专用传感器,(b)腐蚀大数据评价系列方法,(c~d)大数据核心智慧化腐蚀模型

以上成果为钢铁耐蚀性数智化设计理论和调控技术的建立奠定坚实的理论与技术基础,实现了钢材服役适应性理论与技术突破,推动了耐蚀合金设计由“经验法”向“数智驱动”方法的转变,属于国际首创

2、创建了数智双驱的钢铁耐蚀性设计新理论,由此建立了海工钢耐蚀性-成分-组织结构-表面氧化皮-海洋环境因素动态跨尺度动力学演化模型,发明了海工钢合金成分、组织结构和表面氧化皮状态等因素复合调控的耐蚀钢设计成套新技术,解决了传统耐蚀钢单靠合金元素调控耐蚀性的不足,建立了海工钢耐蚀性设计与调控智慧化新方法。

(1)建立了主合金元素、微合金元素、环境参数和腐蚀产物的人工智能分析模型,解析了各类因素对材料耐蚀性的内秉关系、明确了各因素影响比重。

 

图3 (a)钢铁耐蚀性数智化组织结构调控模型,(b)Ca、Sb调控钢材表面锈层表征结果及耐蚀性提升示意图

(2)建立了原奥氏体晶粒度、铁素体相比例、贝氏体板条尺寸、夹杂物等主控组织因素与主控环境因素之间的多维参数对应关系,创建了海工钢微观组织结构数智化调控技术;揭示了马氏体、贝氏体、珠光体和铁素体之间电偶腐蚀微观电化学机制,及其与夹杂物在腐蚀萌生过程中的竞争机制。

 

图4(a)夹杂物诱发局部腐蚀三类机理与机制图,(b)晶粒度对材料耐蚀性影响规律的数智化分析结果

(3)提出了钢铁表面锈层物化性能和环境参数对锈层保护性的数智双驱融合预测模型和评价方法,创建了海工钢氧化皮数智化调控技术。项目组联合鞍钢、南钢、首钢和新兴铸管等企业开发出高止裂性裂钢板、大厚度液货舱用高性能钢、高强系列低合金成分体系的油船货油舱用耐腐蚀钢、极地船舶专用钢、极地凝析油轮和极地甲板运输船、高性能耐蚀螺纹钢等。

3、建立了焊接组织和成分、应力、海洋环境等多因素机器学习融合模型,发明了海工钢焊缝耐蚀性智慧调控新技术,解决了海工钢焊缝耐蚀性调控技术缺乏的重大难题;发明了耐蚀钢-防腐涂层高通量组合芯片技术,精确揭示了钢成分-涂层配方-环境-耐蚀性内禀关系,实现涂层体系精细定量匹配设计;研发了环境响应-锈蚀抑制力强的智能涂料体系,成为我国深远海装备的关键技术。

(1)建立了包含焊接组织和成分、应力、环境等多因素机器学习融合模型;发明了新型低合金耐蚀钢为主体、防护涂层和电化学保护匹配性能优异的智慧防腐综合成套新技术;建立了耐氢-耐腐蚀高性能工程用钢二元法设计原理,获得了不同体系下耐氢-耐腐蚀综合属性兼优的高性能耐蚀钢成分设计有效元素及其合理配比。

 

图5 焊缝耐蚀性主控因素数智建模分析及其结果

(2)建立了复杂极端环境大型钢结构智慧化综合防腐蚀设计和运维新技术,解决了极端环境下重防腐技术中钢材耐蚀性、涂层和电化学保护相互精确匹配的关键技术难题,实现了极端环境下重大装备与设施智慧化防腐蚀设计和运维。基于以上成果,发展了12种微合金化E690海工钢及其配套涂层和阴保体系,在正常阴极保护电位及强析氢电位下,应力腐蚀敏感性降低25%以上,实现了新品种成分设计、涂层和阴保等三种保护技术的最佳配合。

 

图6 典型海洋环境新型重防腐涂层智能开发路线及涂层种类

(3)发明了基于液滴微阵列打印的耐蚀钢-防腐涂层高通量材料组合芯片技术,建立了面向环境特征的定制化耐蚀钢-防腐涂层设计方法,建立了多种具有环境响应能力、锈蚀抑制-转化能力强的智能防腐涂料体系,提升了涂层对“六高”严酷环境下腐蚀萌生发展的响应能力和对mm级大尺寸涂层破损处钢基底锈蚀扩展的抑制作用,延长了耐蚀钢-涂层协同防护效应的有效作用时间2-3倍。成果先后4次获得美国、欧洲涂料协会专题技术亮点报道指出,液滴微阵列缓蚀成分高通量筛选复配技术有力推动了防腐涂层高效筛选设计技术创新。

4、研发了服役过程中海工钢耐蚀性智慧化监控关键技术,建立了我国乃至全球首个系统全面的海洋材料腐蚀数据库与智能监控平台,应用于海上风电、石油平台、跨海大桥、船舶、岛礁建设、沿海钢铁厂、沿海核电和沿海电网等工程,实现了以上海洋装备服役寿命精准预测,避免了恶性事故的发生,产生了源源不断的腐蚀大数据,应用以上长寿命海工钢及其配套技术的优化与升级换代,产生了重大的经济效益。

(1)首次阐明了大气污染和高温高湿高盐环境分别是我国北方近海与热带海洋大气环境应力腐蚀的主控因素,系统获得了高强低合金钢海水环境腐蚀疲劳微观机理及主控因素;

(2)确定了海洋环境SCC的微观环境因素、微元电化学过程、冶金因素(如晶界、夹杂物、M-A相等)的影响机制与作用因子;开发了系列耐海洋环境腐蚀断裂高性能材料。

 

图7 深海管线和海洋平台用钢等典型海洋工程材料结构腐蚀规律研究成果举例,其中(a)E690海工钢及其焊缝组织在浅表海水环境中的腐蚀开裂规律,(b)X70钢在0~3000米海水中的腐蚀规律,(c)为不同水深典型海工材料腐蚀规律汇总

(3)发明了设施装备自然环境腐蚀数字孪生地图系统,基于21国150个典型自然环境的空天地联网观测数据,构建了可充分反映8大类22种耐蚀钢铁及其焊缝和6种典型配套涂层体系腐蚀时空分布特征的全要素、高精度材料自然环境腐蚀数字孪生地图,实现了不同地域和时域装备腐蚀寿命预测,准确率达90%,成功应用于“六高”环境下的高铁、电网、管道、建筑物、桥隧等13个行业装备设施的智慧化运维管理,产生了重大经济和社会效益。

 

图8 沿海地区电力设施耐蚀性数智调控关键技术应用情况

四、应用情况与效果

近年来,北京科技大学先进耐蚀钢铁项目组与鞍钢、宝钢、首钢、南钢、沙钢、涟钢、湘钢、新型铸管、兴澄特钢、建龙等大型钢企签订合同125项,并担任了中国钢铁协会“耐蚀钢联盟”的重要成员,与首钢、南钢、鞍钢等大型钢企开展协同创新,致力于低合金耐蚀钢基础理论研究、新品种开发和关键技术攻关,开展了本项目成果的广泛工程应用和产业化推广,成效显著。所有钢企耐蚀钢研发或钢铁耐蚀性改性无一不用到由北京科技大学主导建设的腐蚀野外试验平台技术及其室内评价技术与标准。其中,本项目建设的腐蚀大数据理论与技术正在发挥着日益重要的作用,为我国耐蚀钢的建设和发展奠定了坚实的基础。

鞍钢近年来与北京科技大学合作,建立了联合腐蚀实验室,对鞍钢研究院的腐蚀装备进行了腐蚀大数据改造和升级。为发展系列化长寿命海工钢和其他品种的耐蚀钢铁奠定了坚实的基础,不仅开发了20多种耐蚀钢铁新品种,而且传统钢铁耐蚀性整体得到了明显提升。

首钢近年来与北京科技大学合作,建立了联合腐蚀实验室,协同进行耐蚀钢及其配套新技术研究,发展了系列化高品质耐蚀钢铁及其配套技术,开发了10多种耐蚀钢铁新品种及其配套技术,包括免涂装耐候钢配套技术和高温高湿高盐海洋重防腐配套技术。

南钢近年来与北京科技大学合作,建立了联合腐蚀实验室,不仅对研究院的腐蚀装备进行了腐蚀大数据改造和升级,而且建立了野外腐蚀观测站。开发了耐蚀钢铁新品种40多种,特别是免涂装耐蚀钢、桥梁钢铁耐蚀性得到了整体提升,各类钢铁耐蚀性形成了重要的市场知名度,市场占有率名列前茅。

新兴铸管近年来与北京科技大学合作,建立了腐蚀大数据分中心,对研究院的腐蚀装备进行了腐蚀大数据改造和升级,建设了完整的数据库平台和野外站观测技术,开发了48个新品种,包括耐蚀钢筋32种和紧固件用钢16种,钢铁耐蚀性得到了整体提升,产品已经用于川藏铁路建设工程。

相关成果已发表包括Nature在内的SCI论文128篇,被超过40个国家/地区的1200余个研究机构、超过360个期刊及会议所引用和评述11836次。其中,“Share corrosion data ”单篇论文被SCI引用达到544次。项目主要完成人李晓刚被国际材料腐蚀学科顶级期刊“Corrosion Science”聘为首席顾问编委和Nature旗下期刊“npj Materials Degradation”主编,并先后获得国际腐蚀工程师协会最高技术奖(2017年)和最高研究奖(2019年),当选国际腐蚀工程师协会会士和欧洲腐蚀联合会会士。牵头组织成立了由全球25个国家和地区的超过60余名腐蚀与防护领域科学家及行业精英参加的国际腐蚀降解学会,凸显出我国在材料腐蚀与防护领域国际学术引领作用。


信息来源:北京科技大学