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[人物] 侯保荣院士:为海洋腐蚀与防护事业奋斗终身

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文章作者:王元 转自中国腐蚀与防护网

“春江潮水连海平,海上明月共潮生”、“海上涛头一线来,楼前指顾雪成堆”、“东临碣石,以观沧海”……自古以来,文人墨客留下了许多讴歌大海的美丽诗篇。然而,随着人类的发展,大海却渐渐地失去了她往日的容光。君不见,浮油片片惊碧潮,龙宫上下共一哭;君不见,巨浪飞起千堆雪,海上设施皆失谐。潮起潮落,浪花飞溅,确实是一道美丽的风景线。但对于海洋工程来说,飞溅的浪花却是“吃金属的老虎”,众多海洋设施如港口码头、石油平台、钢桩、桥梁等,在海洋环境下遭受着严重的腐蚀破坏和生物污损,造成巨大的经济损失。


有这样一位科研人员,发誓一辈子都要做海洋的捍卫者,终身与“海洋腐蚀”对抗,他就是中国工程院院士、中国科学院海洋研究所研究员侯保荣。一直以来,海洋防腐蚀被看作是一个“冷门”学科,侯院士却对此情有独钟,在这个领域深耕了50年,做了许多开拓性的工作,为我国海洋腐蚀环境研究与保护做出了重要贡献。

下面让我们一起走进侯院士的科研世界。


侯保荣院士

攻坚克难,投身于海洋腐蚀与防护事业

腐蚀就像身体的“慢性病”,在生产和设备处于“亚健康”时,人们容易忽视防腐蚀问题,但是当腐蚀影响到安全生产、设备寿命时,必然要付出更大的代价。美国学者曾经提出“在结构新建时,如果节省了1美元的腐蚀防护费用,在腐蚀刚发生时进行维护会花掉5美元,在发生轻度腐蚀时进行修复需要25美元,如果腐蚀严重威胁安全时,修复就需要125美元。”侯保荣在不同场合反反复复强调防腐蚀的重要性,他希望用毕生所学,为国家的基础设施和重大装备都穿上一件有效的防腐蚀“外衣”。



1942年,侯保荣出生于山东曹县的一个小乡村,自幼失去父亲,与母亲相依为命。看着母亲省吃俭用供他读书,懂事的他明白,要撑起整个家,只能靠自己了。天道酬勤,1962年夏天,还在农田里干活的他收到了复旦大学化学系的录取通知书,迎来了人生的第一个转折。一个月后,侯保荣带着亲戚帮他拼凑的26元钱,怀揣着对未来的无限憧憬,踏上了求学之路。



“这辈子就是专心干海洋腐蚀与防护这一件事。”侯保荣说。在海洋腐蚀与防护领域,中国起步比较晚,参与科研的人也比较少。1967年,大学毕业后,他进入中国科学院海洋研究所海洋化学室工作,据回忆,当时整个海洋所也只有5-6个人从事该项工作,条件非常艰苦。刚到海洋所,他们面临的研究问题就是“钢桩打到海里,哪一部分的腐蚀情况最严重”。当时,海洋环境划分为大气区、潮差区和海水区三个腐蚀区带。根据想象,潮差区潮水忽高忽低,加上风吹日晒,大家认为这部分的腐蚀肯定最严重。但实际上却不是这样,由于当时的研究处于较为落后的状态,连哪一部分海水腐蚀最严重都难以搞清楚。



1970年,刚参加工作没多久的侯保荣在上海陈山码头做防腐试验。当时,我国要新建上海金山石油化工总厂,油从大庆运到上海,码头全是钢结构的,防腐蚀是整个工程的重要内容,中科院海洋所和上航三海局、南京水利科学院便合作承接了陈山码头的阴极保护 (注:一种防腐蚀的电化学保护技术)工作。也就是从这次工作任务开始,侯保荣和同事们潜心研究、科研攻关,研制成功了铝牺牲阳极,获得了中科院科技进步二等奖。



更重要的是,侯保荣还利用在陈山码头做阴极保护的机会,开展了海洋钢构筑物腐蚀“重点区”的研究。他们在海边临时构建了一个水池子,在海水里放置了许多金属样板,以观测这些样板自上而下,在海洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥土区等不同区域的受腐蚀程度。“那个年代,我们的工作环境条件特别差,吃饭只能在露天,苍蝇嗡嗡地围着人转,一挥手‘呼’地赶走一大群。”他回忆道。相对于简陋的生活条件,工作条件更加艰辛。现场试验结束后,需要取样,侯保荣要从试验现场把那些金属样板背到中科院冶金研究所做检测分析,先要坐火车赶到市区,再徒步行走大约一两公里的路程。他一个人背不动总重达五六十公斤的样板,只能把样板分成几份,背一部分走上一段路,然后放下负重,再匆忙折回头去背剩下的样板。



“我刚进入海洋腐蚀这一行时,大家一直认为,潮差区腐蚀最严重。”侯保荣说,每次他在课堂上提出这个问题,学生的回答通常也是如此“理直气壮”。但是,经过查找国外文献,根据当年在上海陈山码头启动的试验,以及此后又在北海、舟山、青岛分别进行的现场实验反复证实,浪花飞溅区才是钢结构遭遇海洋腐蚀最严重的区域。



据他介绍,海水环境分为海洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥土区五个不同的腐蚀区带。其中,浪花飞溅区是海洋腐蚀最为严重的区域。这是因为在这一区域,钢表面由于受到海水的周期性润湿,经常处于干湿交替状态,且氧供应充分,加上阳光、风吹和海水环境等的协同作用导致发生最严重的腐蚀。同一种钢,在浪花飞溅区的腐蚀速度可比海水全浸区中高出3-5倍。

海洋环境不同区带下钢铁设施腐蚀速率规律图

“事实上,国外早有研究表明,浪花飞溅区是海洋腐蚀最严重的区域,此前国内的研究方向是有偏差的,存在认知误区。我当时刚刚开始学习日语,也是翻看国外资料时发现的。而当时国内证实潮差区腐蚀最严重也是因为间断性的挂片方式,忽略了钢桩的连续性。”侯保荣解释说。

        凭借日语的语言优势,1985年,侯保荣获得了一次公费留学的机会,赴日本东京工业大学做了三年访问学者。这三年当中,侯保荣关于浪花飞溅区腐蚀严重的理论得到了进一步的深入研究。三年期满,日方曾以优厚的待遇一再挽留他,但侯保荣却回来了。归国两年后,已经48岁的侯保荣,深刻认识到自己掌握的知识、技术还不足以改变中国在海洋腐蚀防护领域落后的局面,又再赴日本东京工业大学攻读博士学位。1999年,侯保荣独立完成的日文专著被日本专家认为是“奠定了海洋腐蚀环境研究的理论基础,提供了不可多得的一本教科书和指导手册”。

   回国后,侯保荣院士一直积极推进与日本等国的防腐科技交流和合作。中日双方实验室合作交流十分密切,与东京工业大学联合成立了中日海洋腐蚀环境共同研究中心,与日本DNT涂料有限公司成立了中日海洋防腐涂料研究发展中心,同时也共同承担了日本文部省和中国科学院国际合作项目。自2000年以来,中日双方每两年举办一次“海洋腐蚀与控制国际会议(ISMCC)”,至今已经成功举办了9届。在侯保荣院士的支持下,他带头成立的海洋所腐蚀实验室先后有50余人次赴日本进行合作研究和学术交流。

天道酬勤,捂热海洋防腐冷门学科

腐蚀是材料和环境发生化学或电化学反应而导致的材料破坏现象。腐蚀会造成设施装备结构损伤、使役寿命缩短,严重的腐蚀还可能引发突发性灾难事故、污染环境,危及人们的生命财产安全,甚至影响国家安全。其中,海洋环境是腐蚀性最为严酷的自然环境,腐蚀最为严重。然而,我国的腐蚀防护研究起步较晚,海洋防腐更是一个冷门的学科。



50多年来,侯保荣院士一直坚守在腐蚀和防护工作的第一线,中国漫长的海岸线上,中国一大半的海港城市里,都留下过他和团队的足迹。



乘风破浪会有时,直挂云帆济沧海。侯保荣院士从事腐蚀和防护研究,科学地提出“海洋腐蚀环境”的概念,指出海洋腐蚀过程不仅是一种自然现象,而且是一种环境特性;建立了海洋腐蚀环境的理论体系;发现了钢铁锈层的自氧化作用是造成浪花飞溅区钢铁腐蚀峰形成的根本原因;发现了海水/海泥界面的电偶效应和极性逆转现象;提出了不同海洋腐蚀区带合金元素对低合金钢耐蚀性能影响的回归方程式;发现了硫酸盐还原细菌在海泥和海水中的加速腐蚀新机理,微生物加速腐蚀的原因是铁能够作为电子供体而发生腐蚀。

2009年,侯保荣院士获得山东省科学技术最高奖,让海洋防腐这一原本冷门的学科开始热起来。因此,有媒体把他称为“防腐蚀教父”。问及此事,他连连摆手说:“当然算不上‘教父’,我不过是一个普通的科技工作者。”

   但这位自称为“普通科技工作者”的院士绝不普通。他是我国海洋腐蚀环境研究和海洋腐蚀与防护的学科带头人之一,也是海洋腐蚀界领军人物。他首创了“电连接模拟海洋环境腐蚀实验装置与方法”;开发了新型环保型铝基牺牲阳极的制造技术;开发了适用于海洋环境中钢铁设施的锌铝合金与有机涂层结合的复合防腐新技术;引进、消化吸收并发明建立了浪花飞溅区海洋钢结构包覆防腐蚀修复成套技术;研制了海洋环境腐蚀状态自动跟踪扫描系统,实现了腐蚀状态的实时监测、腐蚀状态评定及报警;与国外合作开发并发明了适合大气环境钢结构异型部位的氧化聚合性包覆防腐蚀技术。2015年,他获得了中国腐蚀与防护最高工程成就奖,2019年度还获得美国国际腐蚀工程师协会(NACE)颁发的科技成就奖(Technical Achievement Award )。



   在多年研究基础上,他和团队成员一起出版有《海洋腐食环境と防食の科学》(日文版)《海洋腐蚀与防护》《海洋腐蚀环境理论及其应用》《腐蚀研究与防护技术》《海洋工程结构浪花飞溅区腐蚀与控制研究》《海洋钢筋混凝土腐蚀修复与补强技术》等专著,起草制定了《钢结构氧化聚合型包覆防腐蚀技术》《海洋钢铁构筑物复层矿脂包覆防护技术》《矿脂防蚀带低温可操作性检测方法》《矿脂防蚀带耐高温流动性实验方法》等四项国家标准且已颁布实施,主编了海洋腐蚀研究与防护技术系列论文集8本,发表论文400余篇。

开创先河,完成我国全面腐蚀成本调查
我国的腐蚀调查工作起步较晚,一直没有充分意识到腐蚀给经济发展带来的损害,近些年来,国内许多单位都先后做过腐蚀调查工作,取得了很好的成绩。美国自1949年就开始做全球腐蚀调查,已经全面系统地做了7次。日本也做过两次,而且由于腐蚀预防措施做得比较到位,日本腐蚀损失大约不到其GDP的2%。


“主动防腐比被动防腐更重要,‘黄岛11•22’事故的直接原因,就是输油管道与排水暗渠交汇处管道因腐蚀减薄造成管道破裂,最终经济损失达7.5亿多元,应该引起人们的反思了。”侯保荣一再强调,腐蚀具有隐蔽性、突发性特点,不仅消耗资源、污染环境,还容易引发各种事故灾害。这次调查的腐蚀成本数据仅占了全部工作的20%,怎么预防、减少腐蚀,才是接下来的工作重点。


2014年,侯保荣作为首席科学家,带领专家学者们在全国启动了“中国腐蚀状况及控制战略研究”项目,研究领域涉及公路桥梁、港口码头、水利工程、海洋平台、化工等5大领域30多个行业。2016年,该项目成果发布会在北京召开,侯保荣向全国通报了一组触目惊心的调查数据:2014年我国腐蚀总成本(包括腐蚀带来的损失和防腐蚀投入)约占当年GDP的3.34%,总额超过2.1万亿元,相当于每个中国人当年要承担大约1555元的腐蚀成本。


该项目最重大的意义在于,专家们围绕基础设施、交通运输、能源、水环境、生产制造及公共事业等领域腐蚀状况开展的调查研究,能够揭示我国腐蚀控制领域存在的问题及制约其发展的主要因素,提出解决问题的战略建议和对策。


据了解,我国启动的这次全面腐蚀调查实际上是全球调查的一部分。中国于2014年加入了全球腐蚀成本调研项目,该项目启动后,全球在同一时间采用统一的方法和标准展开工作,研究成果向社会公布,并在全球范围内免费共享。

矢志不渝,为国研发新型防腐技术

据统计,腐蚀造成的损失大约25-40%是可以避免的,如何减少腐蚀损失是我们的重要任务。重大海洋工程设施通常设计有50年甚至上百年的服役寿命,但实际上,我国部分海港码头设施在建成十几年到20年已出现钢筋锈蚀。据估计,钢筋混凝土年腐蚀损失大于1000亿元。
为解决海洋中的腐蚀问题,侯保荣院士积极研究和开发海洋工程设施防腐蚀方法和监测技术,目前已经成功研发复层矿脂包覆防腐蚀技术、氧化聚合包覆防腐蚀技术、钢筋混凝土表面涂层技术、杂散电流腐蚀和防护技术、阴极保护监测与检测技术、海洋仿生防腐蚀新材料技术等腐蚀和防护技术。其中,多项技术已经成功应用于重大海洋工程设施。比如,他开发的浪花飞溅区包覆修复技术已在中石化胜利油田采油平台、青岛港液体化工码头、日照港煤码头等成功进行了工程示范。
此外,作为青岛海洋科学与技术国家实验室学术委员会的一员,侯保荣院士和他的团队还积极承担建设海洋国家实验室海洋多功能材料平台,设立海洋腐蚀与防护开放工作室,开展海洋多功能材料研究工作,力争建成海洋环境腐蚀与生物污损领域研究、测试、评价和技术服务公共平台,为各类海洋工程设施的腐蚀和污损领域的重大科学和工程技术问题提供技术支撑和解决方案。
侯保荣院士说:“未来,我们希望国家能把基础设施和重大装备腐蚀防护安全纳入国家战略,从国家层面上重视海洋腐蚀与防护,推动我国海洋防腐蚀产业发展。”

高瞻远瞩,指出我国未来海洋防腐关键


随着“一带一路”建设推进,发展海洋经济和海洋科技已经被我国提升到前所未有的战略高度,海岸工程、海洋开采、水下工程等战略性新兴海洋产业正在迅速兴起,发展和建造各类新型高水平深海钻井设备、舰艇、深潜器和海洋空间站等设施是海洋资源开发和维护国防安全的根本物质保障。另外,我国海岸线长,随着近年来经济高速发展,海岸工程、码头、跨海桥梁建设体量迅猛扩张,使用了大量各类结构材料。我国正在开展包括环渤海经济区、黄三角经济区、山东半岛蓝色经济区、江苏沿海经济区、长三角经济区、珠三角经济区、海峡西岸经济区、粤港澳大湾区的链式经济区带的建设。在开展近海海洋工程建设的同时,海上设施也不断在向远海和深海拓展,目前,我国在海洋油气田开发、港口建设、跨海大桥、海底管线、船舶工程和深海勘探等领域已建和在建大量的各种海洋钢结构及钢筋混凝土结构设施。这些海上设施广泛分布在我国沿海一线和南海、东海等重点海域,贯穿海洋大气区、浪花飞溅区、海洋潮差区、海水全浸区和海底泥土区等不同的海洋腐蚀环境,遭受十分严重的腐蚀破坏。海洋腐蚀及生物污损严重威胁着这些重大工程设施安全运行。然而,目前多数海洋工程结构处于裸露或欠保护状态,海洋工程结构安全堪忧,腐蚀损失巨大。保证各种海洋工程设施的耐久性和安全性,降低重大灾害性事故发生,延长这些重大工程设施使用寿命,是我国经济发展中需要迫切解决的关键性问题和共性问题。


不同水位区域的海洋腐蚀状况比对图

侯保荣院士指出,在国际海洋资源处于激烈竞争状态的今天,有必要针对我国海洋工程设施腐蚀污损防护重大需求,开展海洋腐蚀与生物腐蚀机理及防护技术的开发研究,解决海洋工程腐蚀防护的共性及关键性问题,同时将我国海洋工程设施腐蚀防护纳入国家战略,提高海洋腐蚀防护的重视程度,从国家层面上推动我国海洋防腐蚀产业发展。我们须做好以下几个方面:


    (1)在不同海洋环境因子对腐蚀作用的过程和机理研究方面。有必要围绕海洋环境腐蚀影响因子对常用工程材料腐蚀过程的作用机制进行研究。研究干湿交替、合金元素、防护涂层、光照、腐蚀产物结构等因素对于钢结构和钢筋混凝土结构腐蚀机理的影响因素。揭示海洋环境5个腐蚀区带(海洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥土区)诱发腐蚀机理,掌握腐蚀防护核心要素,为海洋采油平台、海底管线等的设计和防腐提供科学依据和对策。


    (2)在海洋污损生物腐蚀的关键过程、机理和防护技术研究方面。有必要针对海洋环境中微生物腐蚀与生物污损问题,开展不同海域微生物腐蚀机理研究。重点分析材料表面生物膜组成与结构演化过程与机制,提出腐蚀微生物诱发典型海洋工程金属材料腐蚀机制;分析海洋阴极保护下钢结构表面生成的钙质沉积层与污损生物群落的相互促进和抑制的过程,揭示微生物活动对金属材料局部腐蚀的作用机制,并在分子水平阐明材料类型、表面物理化学性质、生物活性分子对生物附着过程的影响机理,实现对生物附着过程的调控。基于上述理论研究,开发基于材料表面物理化学性质、表面微观结构、光催化性质等的海洋生物腐蚀及污损防护技术。


    (3)在海洋腐蚀防护与监检测技术开发及应用方面。有必要针对海洋腐蚀防护的需求,开发包含钢结构浪花飞溅区腐蚀防护技术、海洋钢筋混凝土结构腐蚀防护与修复补强技术、海洋腐蚀监测技术、腐蚀探测预警技术在内的集成化海洋环境腐蚀防护技术。制定防腐技术性能检测规范、现场施工质量规范、现场质量检测规范,形成一套先进的防腐设计规范和质量管理体系。并以此为基础,建立近海腐蚀监测实验站和腐蚀防护技术示范基地,加速成果推广与转化。


    (4)在海洋腐蚀防护标准与防护意识方面。在海洋防腐防污技术研究基础上,有必要加快建立海洋腐蚀防护技术企业、地方及国家标准,引导腐蚀产业健康发展,保障海洋工程设施安全运行,减低经济损失。同时加强海洋腐蚀教育以及科普宣传力度,通过强化对相关专业领域技术人员的教育,提升专业人员对海洋腐蚀防护的重视程度;并通过媒体宣传等方式,提高全民腐蚀防护意识。
后记

潮起潮落,大海赋予人类丰富的资源宝藏的同时,也以它特有的自然规律考验着人类的智慧。我们防腐科技工作者肩负着时代艰巨的使命,任重而道远。路漫漫其修远矣,吾将上下而求索,我们起步虽晚,但可以走得更远!大家一起努力,乘风破浪,勇往直前!

人物介绍:

侯保荣,中国工程院院士,中国科学院海洋研究所研究员,中国腐蚀与防护学会荣誉理事长,国家海洋环境腐蚀防护工程技术中心主任,“海洋防腐蚀产业技术战略联盟”理事长。


他主要从事海洋腐蚀与防护技术研究,主持了我国近海腐蚀环境调查与研究,明确提出“海洋腐蚀环境”的概念,建立了海洋腐蚀环境的理论体系,独立撰写日文专著《海洋腐食环境と防食の科学》,可作为教科书使用。致力于海洋浪花飞溅区腐蚀机理与防护技术研究、海洋钢筋混凝土结构腐蚀防护与修复技术的研究,主持了“我国腐蚀状况及控制战略研究”重大项目,调查表明2014年我国腐蚀成本达到21278.2亿人民币,占当年GDP的3.34%,作为总编辑,他完成了《我国腐蚀状况及控制战略研究丛书》,出版了170万字中英文版的《中国腐蚀成本》和32本系列丛书专著。


作为首席科学家承担了“十一五”、“十二五”国家科技部支撑计划项目、973、863等国家重大项目30余项。


他共出版专著10部,主编论文集9部。发表论文640余篇,授权专利70余项。曾获“国家科技进步二等奖”、“山东省科学技术最高奖”、“山东省科学技术发明一等奖”等省部级以上奖项16项。2019年度还获得美国国际腐蚀工程师协会(NACE)颁发的科技成就奖(Technical Achievement Award )。


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