編者按
深海通常是指水深超過一定界限的海域，較為普遍的說法是指水深超過200米的海域，也有認(rèn)為是水深超過1000米的海域。深海開發(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，深海開發(fā)現(xiàn)已成為各國海洋戰(zhàn)略的重要組成部分。
深海開發(fā)對所需材料的要求極高，不僅需要具備高強度、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、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)用的前瞻報道，邀請讀者共同思考鋼結(jié)構(gòu)在深海開發(fā)上的無限可能，歡迎留言。
近日，中國批準(zhǔn)在南海水下2000米處建設(shè)一個名為“冷泉”的生態(tài)系統(tǒng)研究設(shè)施的消息一經(jīng)傳出，便受到了國際社會的廣泛關(guān)注。
“冷泉”生態(tài)系統(tǒng)研究設(shè)施是目前國際首個坐底式深海載人駐留實驗室、國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)計在2030年前后投入使用。投用后，該設(shè)施將成為人類歷史上首個真正意義上的深海研究設(shè)施。
根據(jù)已公開材料，世界上最早的水下研究實驗室于1962年在法國馬賽海岸10米深處建立。該項目建造了世界上第一個水下棲息地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)行為期一周的實驗。
可以預(yù)見，隨著人類對海洋資源探索和開發(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
鋼結(jié)構(gòu)在深海領(lǐng)域應(yīng)用的探索由來已久。20世紀(jì)70年代，美國開始研制具備深海隱蔽探測、試驗與作業(yè)能力的NR-1號核動力工作站，其耐壓結(jié)構(gòu)由HY-80鋼制成。21世紀(jì)初，美國就千噸級NR-2項目展開論證，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米級和1500米級這2個設(shè)計深度等級對應(yīng)的耐壓殼體材料為HY-130鋼和HY-100鋼。
根據(jù)已公開資料，鋼結(jié)構(gòu)有著高強度、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。具體來看，一是鋼結(jié)構(gòu)具有高強度和優(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)場安裝，大大縮短了施工周期，提高了深海開發(fā)的效率。
從應(yīng)用現(xiàn)狀來看，鋼結(jié)構(gòu)目前在深海導(dǎo)管架平臺、深海采礦設(shè)備、深海科研與觀測平臺等方面均有應(yīng)用。如中國自主設(shè)計建造的亞洲第一深水導(dǎo)管架——“海基二號”。該平臺導(dǎo)管架總高338.5米，總重達(dá)3.7萬噸，作業(yè)海域平均水深約為324米，大量使用了由國產(chǎn)高強鋼制造的鋼結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)管架、樁腿和上部模塊等。又如，深海采礦車、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)。在高強度與輕量化需求上，深海鋼結(jié)構(gòu)需要具備高強度以承受深海的高壓環(huán)境和極端氣候條件，同時輕量化以降低建造成本和提高運輸效率。這一需求推動了高性能鋼材的研發(fā)，如420兆帕級甚至更高強度的鋼材，但這類鋼材的生產(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)境中會長時間暴露在鹽霧、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)的防腐措施可能無法滿足深海環(huán)境的長期需求，因此需要開發(fā)新型防腐材料和防腐技術(shù)。
二是設(shè)計與施工技術(shù)挑戰(zhàn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，深海鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計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，這對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，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。
三是檢測與維護(hù)技術(shù)挑戰(zhàn)。在檢測技術(shù)上，深海鋼結(jié)構(gòu)的檢測需要采用先進(jìn)的無損檢測技術(shù)，如超聲波檢測、射線檢測等，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源開發(fā)。隨著深海采礦、深海油氣開發(fā)等活動的不斷增加，對深海鋼結(jié)構(gòu)的需求將持續(xù)增長。二是深海科研。深海科研需要依賴深海探測器、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)這類材料來保證其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。三是國防建設(shè)。鋼結(jié)構(gòu)這類材料在國防建設(shè)領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用價值，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)來保證其結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性。
從發(fā)展趨勢來看，深海鋼結(jié)構(gòu)性能要求將進(jìn)一步提升。
一是向更高強度、更高韌性方向發(fā)展。隨著深海資源的開發(fā)向更深、更遠(yuǎn)的海域推進(jìn)，對深海鋼結(jié)構(gòu)材料的強度和韌性要求也越來越高。
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)的焊接工藝對其性能有著重要影響，且涉及后期維護(hù)。未來，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、制造、安裝和監(jiān)測等過程將更加智能化和自動化，以提高其生產(chǎn)效率和安全性。
對深海鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的建議
為了推動鋼結(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。
一是加強技術(shù)研發(fā)。針對深海環(huán)境的特點，加大對深海用鋼材料的研發(fā)力度，提高材料的強度、韌性、耐腐蝕性等性能，滿足深海開發(fā)對材料性能的更高要求。
二是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對深海開發(fā)的具體需求，優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計，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、制造、安裝等各環(huán)節(jié)，提高材料的安全性和可靠性，并加強與國際標(biāo)準(zhǔn)的接軌和互認(rèn)，推動鋼結(jié)構(gòu)在全球深海開發(fā)市場的應(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，加強上下游企業(yè)的合作與協(xié)同，推動鋼結(jié)構(gòu)在深海領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
五是加強人才培養(yǎng)與引進(jìn)。加強鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)與引進(jìn)工作，提高從業(yè)人員的專業(yè)技能和綜合素質(zhì)；通過產(chǎn)學(xué)研合作等方式，培養(yǎng)一批具有創(chuàng)新精神和實踐能力的鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)人才。
六是加強國際合作。加強與國際先進(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，推動鋼結(jié)構(gòu)在深海領(lǐng)域的國際化發(fā)展。
我們期待，在不遠(yuǎn)的未來，鋼結(jié)構(gòu)能在深海開發(fā)上做出重要貢獻(xiàn)，助力我國海洋強國建設(shè)。（謝高）
