編者按
深海通常是指水深超過(guò)一定界限的海域，較為普遍的說(shuō)法是指水深超過(guò)200米的海域，也有認(rèn)為是水深超過(guò)1000米的海域。深海開(kāi)發(fā)是當(dāng)前海洋科技領(lǐng)域的重要方向，涉及深海資源勘探、深海科研、深海基地建設(shè)等。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和資源的日益緊張，深海開(kāi)發(fā)現(xiàn)已成為各國(guó)海洋戰(zhàn)略的重要組成部分。
深海開(kāi)發(fā)對(duì)所需材料的要求極高，不僅需要具備高強(qiáng)度、耐腐蝕等特性，還需要適應(yīng)深海復(fù)雜的環(huán)境條件，尤其是深海導(dǎo)航定位、深海信息獲取與處理、深海基地建設(shè)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)均需要高性能材料的支持。而鋼結(jié)構(gòu)作為一種輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕的材料，在深海領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本期特推出鋼結(jié)構(gòu)在深海發(fā)展應(yīng)用的前瞻報(bào)道，邀請(qǐng)讀者共同思考鋼結(jié)構(gòu)在深海開(kāi)發(fā)上的無(wú)限可能，歡迎留言。
近日，中國(guó)批準(zhǔn)在南海水下2000米處建設(shè)一個(gè)名為“冷泉”的生態(tài)系統(tǒng)研究設(shè)施的消息一經(jīng)傳出，便受到了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。
“冷泉”生態(tài)系統(tǒng)研究設(shè)施是目前國(guó)際首個(gè)坐底式深海載人駐留實(shí)驗(yàn)室、國(guó)際最大尺度的深海化能生態(tài)系統(tǒng)與深海甲烷物態(tài)演化模擬重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，預(yù)計(jì)在2030年前后投入使用。投用后，該設(shè)施將成為人類(lèi)歷史上首個(gè)真正意義上的深海研究設(shè)施。
根據(jù)已公開(kāi)材料，世界上最早的水下研究實(shí)驗(yàn)室于1962年在法國(guó)馬賽海岸10米深處建立。該項(xiàng)目建造了世界上第一個(gè)水下棲息地Conshelf I，由大概5米高、直徑2.5米的水密性不銹鋼圓柱體鋼結(jié)構(gòu)組成，容納了兩名海洋學(xué)家進(jìn)行為期一周的實(shí)驗(yàn)。
可以預(yù)見(jiàn)，隨著人類(lèi)對(duì)海洋資源探索和開(kāi)發(fā)的不斷深入，深海鋼結(jié)構(gòu)作為海洋工程的重要支撐，其發(fā)展?jié)摿θ找嫱癸@。本文將從深海鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)挑戰(zhàn)、發(fā)展趨勢(shì)及潛力等方面進(jìn)行探討。
鋼結(jié)構(gòu)在深海的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
鋼結(jié)構(gòu)在深海領(lǐng)域應(yīng)用的探索由來(lái)已久。20世紀(jì)70年代，美國(guó)開(kāi)始研制具備深海隱蔽探測(cè)、試驗(yàn)與作業(yè)能力的NR-1號(hào)核動(dòng)力工作站，其耐壓結(jié)構(gòu)由HY-80鋼制成。21世紀(jì)初，美國(guó)就千噸級(jí)NR-2項(xiàng)目展開(kāi)論證，包括了海洋物理學(xué)、海洋生物學(xué)和海洋考古學(xué)等民用任務(wù)需求，形成了多種建造方案，其中在900米級(jí)和1500米級(jí)這2個(gè)設(shè)計(jì)深度等級(jí)對(duì)應(yīng)的耐壓殼體材料為HY-130鋼和HY-100鋼。
根據(jù)已公開(kāi)資料，鋼結(jié)構(gòu)有著高強(qiáng)度、耐腐蝕、可焊接等優(yōu)良性能，在深海資源勘探、基地建設(shè)等高壓及復(fù)雜海洋環(huán)境下有著應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。具體來(lái)看，一是鋼結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度和優(yōu)異的韌性，能夠承受深海高壓和復(fù)雜海洋環(huán)境的挑戰(zhàn)。二是通過(guò)特殊的防腐處理，鋼結(jié)構(gòu)能夠抵御深海環(huán)境的腐蝕，延長(zhǎng)使用壽命。三是鋼結(jié)構(gòu)是一種可回收材料，符合環(huán)保要求，有利于深海開(kāi)發(fā)的可持續(xù)發(fā)展。四是鋼結(jié)構(gòu)可以在工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)安裝，大大縮短了施工周期，提高了深海開(kāi)發(fā)的效率。
從應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，鋼結(jié)構(gòu)目前在深海導(dǎo)管架平臺(tái)、深海采礦設(shè)備、深海科研與觀測(cè)平臺(tái)等方面均有應(yīng)用。如中國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的亞洲第一深水導(dǎo)管架——“海基二號(hào)”。該平臺(tái)導(dǎo)管架總高338.5米，總重達(dá)3.7萬(wàn)噸，作業(yè)海域平均水深約為324米，大量使用了由國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼制造的鋼結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)管架、樁腿和上部模塊等。又如，深海采礦車(chē)、深海采礦機(jī)器人等設(shè)備需要在極端環(huán)境下作業(yè)，可在巨大水壓和腐蝕環(huán)境下服役的鋼結(jié)構(gòu)便成為其主體結(jié)構(gòu)材料的首選。
鋼結(jié)構(gòu)在深海應(yīng)用面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
受深海特殊作業(yè)環(huán)境的影響，鋼結(jié)構(gòu)在性能、工藝等方面均面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，發(fā)展空間較大。
一是材料性能挑戰(zhàn)。在高強(qiáng)度與輕量化需求上，深海鋼結(jié)構(gòu)需要具備高強(qiáng)度以承受深海的高壓環(huán)境和極端氣候條件，同時(shí)輕量化以降低建造成本和提高運(yùn)輸效率。這一需求推動(dòng)了高性能鋼材的研發(fā)，如420兆帕級(jí)甚至更高強(qiáng)度的鋼材，但這類(lèi)鋼材的生產(chǎn)技術(shù)難度大，且需要確保其在深海環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐腐蝕性。在耐腐蝕性的高要求上，鋼結(jié)構(gòu)在深海環(huán)境中會(huì)長(zhǎng)時(shí)間暴露在鹽霧、潮濕和海水等腐蝕性介質(zhì)中，這要求鋼材必須具備良好的耐腐蝕性。傳統(tǒng)的防腐措施可能無(wú)法滿足深海環(huán)境的長(zhǎng)期需求，因此需要開(kāi)發(fā)新型防腐材料和防腐技術(shù)。
二是設(shè)計(jì)與施工技術(shù)挑戰(zhàn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，深海鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮多種因素，包括深海的水壓、溫度、海流等環(huán)境因素，以及結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，這對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是連接方式提出極高要求。在施工技術(shù)上，深海環(huán)境下的施工難度極大，需要面對(duì)深海高壓、低溫、黑暗等惡劣條件。這要求水下機(jī)器人具備高超的技術(shù)水平，并需要配備先進(jìn)的施工設(shè)備和工藝，以確保施工質(zhì)量和安全。
三是檢測(cè)與維護(hù)技術(shù)挑戰(zhàn)。在檢測(cè)技術(shù)上，深海鋼結(jié)構(gòu)的檢測(cè)需要采用先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，如超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)等，以確保結(jié)構(gòu)的完整性和安全性。在維護(hù)技術(shù)上，深海鋼結(jié)構(gòu)的維護(hù)需要采用特殊的設(shè)備和工藝，以確保維護(hù)的質(zhì)量和效率，且深海環(huán)境下的維護(hù)成本高昂，需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性。
深海鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展?jié)摿薮?/b>
根據(jù)已公開(kāi)的資料，鋼結(jié)構(gòu)在深海領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｒ皇巧詈ＹY源開(kāi)發(fā)。隨著深海采礦、深海油氣開(kāi)發(fā)等活動(dòng)的不斷增加，對(duì)深海鋼結(jié)構(gòu)的需求將持續(xù)增長(zhǎng)。二是深海科研。深海科研需要依賴深海探測(cè)器、深海潛艇等設(shè)備進(jìn)行深入探索和研究。這些設(shè)備需要用到鋼結(jié)構(gòu)這類(lèi)材料來(lái)保證其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。三是國(guó)防建設(shè)。鋼結(jié)構(gòu)這類(lèi)材料在國(guó)防建設(shè)領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用價(jià)值，如深海潛艇、水下導(dǎo)彈發(fā)射裝置等都需要依賴鋼結(jié)構(gòu)來(lái)保證其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，深海鋼結(jié)構(gòu)性能要求將進(jìn)一步提升。
一是向更高強(qiáng)度、更高韌性方向發(fā)展。隨著深海資源的開(kāi)發(fā)向更深、更遠(yuǎn)的海域推進(jìn)，對(duì)深海鋼結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度和韌性要求也越來(lái)越高。
二是提升耐腐蝕性能。為了解決深海環(huán)境下的腐蝕問(wèn)題，深海鋼結(jié)構(gòu)材料將采用更加先進(jìn)的防腐技術(shù)，如涂層防腐、合金化防腐等，以提高其耐腐蝕性能。
三是優(yōu)化焊接工藝。深海鋼結(jié)構(gòu)的焊接工藝對(duì)其性能有著重要影響，且涉及后期維護(hù)。未來(lái)，將更加注重焊接工藝的優(yōu)化和創(chuàng)新，以提高深海鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量和性能。
四是加速數(shù)字化、智能化。隨著數(shù)字化、智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，深海鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造、安裝和監(jiān)測(cè)等過(guò)程將更加智能化和自動(dòng)化，以提高其生產(chǎn)效率和安全性。
對(duì)深海鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的建議
為了推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)在深海領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，建議從以下幾方面發(fā)力。
一是加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)。針對(duì)深海環(huán)境的特點(diǎn)，加大對(duì)深海用鋼材料的研發(fā)力度，提高材料的強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性等性能，滿足深海開(kāi)發(fā)對(duì)材料性能的更高要求。
二是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)深海開(kāi)發(fā)的具體需求，優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，降低建造成本。
三是完善標(biāo)準(zhǔn)體系。同步建立健全深海用鋼結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范材料的選擇、設(shè)計(jì)、制造、安裝等各環(huán)節(jié)，提高材料的安全性和可靠性，并加強(qiáng)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的接軌和互認(rèn)，推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)在全球深海開(kāi)發(fā)市場(chǎng)的應(yīng)用。
四是完善產(chǎn)業(yè)鏈與供應(yīng)鏈。構(gòu)建完善的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈體系，提高材料的生產(chǎn)效率和供應(yīng)穩(wěn)定性。同時(shí)，加強(qiáng)上下游企業(yè)的合作與協(xié)同，推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)在深海領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
五是加強(qiáng)人才培養(yǎng)與引進(jìn)。加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)與引進(jìn)工作，提高從業(yè)人員的專(zhuān)業(yè)技能和綜合素質(zhì)；通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作等方式，培養(yǎng)一批具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的鋼結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)人才。
六是加強(qiáng)國(guó)際合作。加強(qiáng)與國(guó)際先進(jìn)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的合作與交流，借鑒先進(jìn)技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)在深海領(lǐng)域的國(guó)際化發(fā)展。
我們期待，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)能在深海開(kāi)發(fā)上做出重要貢獻(xiàn)，助力我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)。（謝高）
