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| 本文作者： 知社學(xué)術(shù)圈 | 2015-12-01 23:17 |
【編者按】在中國的城市里平均每平方公里有30公里的地下管道，形成了包括油氣管道、給水總管和電氣通訊纜線的錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，腐蝕的代價也是十分昂貴的。本文由李曉剛教授撰文介紹，如你也是學(xué)術(shù)圈內(nèi)人士，或者對科學(xué)領(lǐng)域有專研興趣，可進(jìn)入知社學(xué)術(shù)圈公號查看。
【引言】材料腐蝕造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和環(huán)境災(zāi)難。材料腐蝕學(xué)科是嚴(yán)重依賴數(shù)據(jù)的學(xué)科，無論腐蝕機(jī)理與規(guī)律研究、測試方法確定、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定，還是腐蝕事故處理，都嚴(yán)重依賴腐蝕數(shù)據(jù)以及與腐蝕相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)。由于材料腐蝕過程及其與環(huán)境作用的復(fù)雜性，傳統(tǒng)片斷化的腐蝕數(shù)據(jù)已經(jīng)不能適應(yīng)制造業(yè)和社會基礎(chǔ)建設(shè)快速發(fā)展的需要。
在前兩周剛出不久的Nature雜志上，北京科技大學(xué)腐蝕與防護(hù)中心的國家材料環(huán)境腐蝕平臺李曉剛教授團(tuán)隊(duì)提出了“腐蝕大數(shù)據(jù)”的原創(chuàng)概念，并圍繞這一概念，闡述處理“腐蝕大數(shù)據(jù)”理論與技術(shù)層面的關(guān)鍵問題 ，從而建立腐蝕信息學(xué)和腐蝕基因組工程。
2013年11月，青島的一段輸油管道爆炸造成了62人死亡和136人受傷。8個月后，類似的爆炸事件在高雄發(fā)生，造成32人死亡和321人受傷。兩個管道都是用同樣規(guī)格的鋼材制成，并且在相似的環(huán)境下使用20多年后發(fā)生失效。失效的原因是腐蝕——材料在其使用環(huán)境中發(fā)生化學(xué)或者電化學(xué)反應(yīng)而造成的損耗與破壞。
這些災(zāi)難是非常普遍的：在中國的城市里平均每平方公里有30公里的地下管道，形成了包括油氣管道、給水總管和電氣通訊纜線的錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。腐蝕的代價也是十分昂貴的。根據(jù)美國的一項(xiàng)調(diào)查，腐蝕造成的損失可達(dá)到美國國內(nèi)生產(chǎn)總值的6%之多。按照同樣的比例計(jì)算，全球范圍內(nèi)，每年的腐蝕損失總計(jì)超過4萬億美元——相當(dāng)于40個卡特里娜颶風(fēng)造成的損失。其中一半的費(fèi)用直接用于腐蝕預(yù)防與控制，另外的一半來源于腐蝕造成的損害和生產(chǎn)力的喪失。
腐蝕相關(guān)知識的匱乏使我們沒法對腐蝕失效進(jìn)行有效的預(yù)防。
比如，地下管道的腐蝕受到很多因素的影響，包括管道所用材料的成分、組織結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，同時也包括了一系列的環(huán)境因素，比如土壤含氧量、水分、鹽度、pH值、溫度和土壤中的生物體。
包括油氣、海洋和核能在內(nèi)的很多工業(yè)搜集了大量腐蝕數(shù)據(jù)，用于識別腐蝕風(fēng)險，預(yù)測組件服役壽命并控制腐蝕的發(fā)生，然而，這些數(shù)據(jù)大多歸企業(yè)私有，而分析這些數(shù)據(jù)所得到的腐蝕控制最佳實(shí)踐也很少對外公開。原油泄漏、橋梁塌陷以及其它的腐蝕次生災(zāi)害仍在持續(xù)不斷的發(fā)生。
隨著越來越多的先進(jìn)材料應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、生物傳感器、燃料電池、電池、太陽能板和微電子元件中，對相關(guān)腐蝕知識的需求也變得越來越強(qiáng)烈。腐蝕也成為了限制納米科技應(yīng)用的主要因素。
眾多致力于材料數(shù)據(jù)共享的舉措，比如材料基因組計(jì)劃（Materials Genome Initiative，MGI），主要關(guān)注材料的“誕生”過程，而不是材料的“消亡”過程。人們迫切的需要一個共享腐蝕數(shù)據(jù)的在線平臺。研究人員需要獲得大量而且多種多樣的腐蝕信息，從而可以借助于數(shù)據(jù)挖掘和計(jì)算機(jī)建模等工具進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的腐蝕失效預(yù)測和更好的防腐設(shè)計(jì)。
從微觀腐蝕學(xué)的角度看, 材料腐蝕學(xué)是一門依賴于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的學(xué)科，無論是材料腐蝕基礎(chǔ)理論和機(jī)理研究，還是發(fā)展防護(hù)技術(shù)和建立實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法，建立測試與工程標(biāo)準(zhǔn)，都必須不斷積累材料在各種環(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)才是構(gòu)成腐蝕學(xué)科所有理論、技術(shù)、方法和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。材料腐蝕數(shù)據(jù)積累必須采用標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化的方法采集獲得，只有這樣，這些數(shù)據(jù)才具有科學(xué)性與實(shí)用性。從宏觀腐蝕學(xué)的角度看,腐蝕其實(shí)是人類社會中的一切構(gòu)筑物的毀滅過程, 須將腐蝕現(xiàn)象作為系統(tǒng)整體研究，考察它與社會環(huán)境之間的交互作用以及腐蝕學(xué)的社會及經(jīng)濟(jì)效應(yīng),因此,在人類社會步入大數(shù)據(jù)時代的當(dāng)今, 巨量與腐蝕相關(guān)的數(shù)據(jù)已經(jīng)快速產(chǎn)生，這些數(shù)據(jù)如何處理? 如何儲存? 如何挖掘以發(fā)揮最大功能?這些問題已經(jīng)清晰地?cái)[在我們面前，卻又是以往材料腐蝕學(xué)研究內(nèi)容中無法解決的問題。
腐蝕研究中存在的最大挑戰(zhàn)，是對指定環(huán)境中腐蝕如何發(fā)生進(jìn)行精確預(yù)測。這要求全面了解所有相關(guān)影響因素及其相互作用。然而，目前很多腐蝕問題還沒有精準(zhǔn)的機(jī)理模型。在缺乏不同環(huán)境下材料失效歷史數(shù)據(jù)的情況下，預(yù)測這些問題是不可能的。在相關(guān)環(huán)境參數(shù)未知的情況下，也無法通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)來評判現(xiàn)場的服役性能。
腐蝕數(shù)據(jù)來之不易。腐蝕造成的材料損傷可能要經(jīng)過幾年甚至幾十年的累積才會顯現(xiàn)出來，而任何單一研究僅能獲得反映幾個影響因素的部分信息。我們必須將腐蝕數(shù)據(jù)集整合起來。例如，早期的海洋腐蝕研究獲得了一些不可靠的結(jié)果，因?yàn)樗鼈儍H僅考慮了物理化學(xué)因素（包括pH、溶氧量和溫度），但是并未考慮到海水中的生物體的作用。目前，在結(jié)合基因數(shù)據(jù)之后，海洋腐蝕的模型得到了改進(jìn)。
腐蝕的程度還取決于當(dāng)?shù)丨h(huán)境。例如，在中國干燥的內(nèi)陸地區(qū)可以維持幾十年壽命的鋼結(jié)構(gòu)，如果置于潮濕且含鹽量高的東南亞沿海地區(qū)，則可能會在短短數(shù)月內(nèi)失效。一些高分子防腐涂層在緯度較高的地區(qū)能夠服役數(shù)年，而在赤道附近，高溫和強(qiáng)紫外線的作用會使高分子的化學(xué)鍵更迅速地?cái)嚅_，從而導(dǎo)致涂層于幾周內(nèi)老化降解。
推斷一般性的腐蝕規(guī)律——比如濕度、鹽分或空氣污染對某種鋼材料的影響——需要綜合考慮多種環(huán)境下的研究成果。例如，Morcillo等人曾進(jìn)行過一項(xiàng)關(guān)于耐候鋼腐蝕的調(diào)查。這份調(diào)查中采用了來自全球22個國家、108個地點(diǎn)、最長達(dá)22年的現(xiàn)場暴露試驗(yàn)結(jié)果。
隨著全球貿(mào)易的增長，油氣、建筑、汽車、電氣和其他工業(yè)都需要腐蝕數(shù)據(jù)在不同國家間進(jìn)行共享，以保證其產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。由于未能預(yù)知進(jìn)口國潛在的腐蝕問題，近年來世界范圍內(nèi)已有數(shù)百萬輛汽車被召回。2013年我國提出的“一帶一路”戰(zhàn)略，將促進(jìn)連接?xùn)|西方絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶上各國家之間的工業(yè)聯(lián)系，也同時是帶來了史無前例的挑戰(zhàn)。從亞洲到非洲和歐洲，涉及到建筑、運(yùn)輸、能源和通訊等領(lǐng)域的多項(xiàng)數(shù)十億美元的工程項(xiàng)目即將開始，我們需要對這些項(xiàng)目進(jìn)行快速的腐蝕評估和材料選擇設(shè)計(jì)。
先進(jìn)材料也帶來了全新的腐蝕問題。例如，當(dāng)鉑、金等貴金屬的尺寸減小到納米級時，它們的電化學(xué)穩(wěn)定性急劇下降。目前，鉑納米顆粒的腐蝕問題是限制燃料電池鉑基催化劑壽命的關(guān)鍵障礙。
材料學(xué)家已經(jīng)意識到數(shù)據(jù)共享的必要性，與這些同行相比，腐蝕科學(xué)家顯得慢了一些。在MGI的主導(dǎo)下，美國政府機(jī)構(gòu)建立了幾個大型的材料數(shù)據(jù)倉庫，收集共享了材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括物理、化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，但并不包括腐蝕數(shù)據(jù)。然而如果沒有考慮到材料的環(huán)境穩(wěn)定性和持久性的話，任何MGI所承諾的先進(jìn)材料將都將是不切實(shí)際的。
通過共享腐蝕數(shù)據(jù)，每人都可以對腐蝕有更深的理解，并從中獲益。但是，首要的問題就是標(biāo)準(zhǔn)化“腐蝕大數(shù)據(jù)”倉庫的建設(shè)。
不同國家、行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域都應(yīng)該建立開放的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，儲存相關(guān)的腐蝕數(shù)據(jù)。通過使用相同的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式，可以把這些數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，最終形成全球系統(tǒng)，并有可能連接到MGI。
政府應(yīng)該起到主導(dǎo)的作用。例如，自2006年以來，中國政府已經(jīng)投入了近2億人民幣，建立了國家環(huán)境材料腐蝕平臺（www.ecorr.org）。該平臺共享了覆蓋中國不同地區(qū)典型環(huán)境（大氣，土壤和水）30個腐蝕野外測試試驗(yàn)臺站所積累的材料腐蝕基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其他國家、工業(yè)和利益集團(tuán)應(yīng)該建立類似的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，來收集、共享其它地區(qū)或行業(yè)領(lǐng)域的腐蝕數(shù)據(jù)。
我們需要協(xié)調(diào)各方的力量，重點(diǎn)收集那些急迫的或新興行業(yè)領(lǐng)域（例如在新能源或納米科技）相關(guān)的腐蝕數(shù)據(jù)。例如，美國能源部就與MGI合作建立材料數(shù)據(jù)倉庫，以推動清潔新能源領(lǐng)域的發(fā)展。
撥款機(jī)構(gòu)應(yīng)鼓勵先進(jìn)材料和新興科技的腐蝕數(shù)據(jù)共享，例如將其列為科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的資助條件，并對相關(guān)研究成果在開源期刊上發(fā)表提供資金支持。腐蝕科學(xué)團(tuán)體應(yīng)向其他材料科學(xué)團(tuán)體（如Materials Research Society, TheMinerals, Metals & Materials Society and ASM International）學(xué)習(xí)，召集專家學(xué)者指定最佳的數(shù)據(jù)共享方案和導(dǎo)則。
通過和學(xué)術(shù)界合作，可以鼓勵工業(yè)界廣泛參與腐蝕數(shù)據(jù)共享。作為貢獻(xiàn)其腐蝕數(shù)據(jù)的回報(bào)，公司可以相關(guān)節(jié)省研發(fā)經(jīng)費(fèi)。而且因?yàn)楦g主要關(guān)乎維護(hù)與安全，而與行業(yè)競爭關(guān)系不大，所以企業(yè)應(yīng)該樂意共享此類數(shù)據(jù)。就像制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)那樣，企業(yè)間可以形成數(shù)據(jù)聯(lián)盟來提出共同關(guān)注的腐蝕問題進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，并聯(lián)手提出可作為行業(yè)基準(zhǔn)的解決方案。
腐蝕數(shù)據(jù)的獲取、管理、挖掘、模擬和仿真都需要更加強(qiáng)大的工具。將這些元素整合在一起，構(gòu)成了我們所定義的腐蝕大數(shù)據(jù)與信息學(xué)。通過先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)需要“大數(shù)據(jù)”的分析方法。例如，機(jī)器人（俗稱“智能豬”）可攜帶數(shù)百個傳感器，在檢查管壁時可一次收集TB的數(shù)據(jù)。而高度準(zhǔn)確的腐蝕仿真可以部分或完全地取代耗時、污染環(huán)境、復(fù)雜而且昂貴的腐蝕試驗(yàn)研究。例如，量子化學(xué)建模方法已被大量應(yīng)用于評估緩蝕劑的分子結(jié)構(gòu)和電子特性。
“腐蝕大數(shù)據(jù)”的理論建模與挖掘是揭示存在于腐蝕數(shù)據(jù)里的模式及數(shù)據(jù)間的關(guān)系的關(guān)鍵問題，對大量的復(fù)雜腐蝕數(shù)據(jù)集進(jìn)行自動探索性分析是“腐蝕大數(shù)據(jù)”理論的關(guān)鍵。目前“大數(shù)據(jù)”研究中所用的各種先進(jìn)數(shù)學(xué)工具，都可以用來建立腐蝕模型，表征數(shù)據(jù)之間的因果關(guān)系，揭示以往傳統(tǒng)片斷腐蝕數(shù)據(jù)無法闡明的腐蝕機(jī)理與規(guī)律。
“腐蝕大數(shù)據(jù)”的可視化是腐蝕數(shù)據(jù)挖掘中一種重要方法，這種表征腐蝕建模結(jié)果的方法能夠觀察到所期望的建模和仿真的計(jì)算結(jié)果，用多維的形式將腐蝕數(shù)據(jù)的各個屬性值表示出來，這樣可以從不同的維度觀察腐蝕數(shù)據(jù)，從而對腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的觀察和分析。圖1就是利用擴(kuò)散模型，在大量溫度、濕度和硫分布數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得到的山東地區(qū)大氣腐蝕等級圖。圖2是利用有限元計(jì)算方法，得到的應(yīng)力腐蝕裂尖部位電位分布的數(shù)據(jù)圖片。
（圖1 山東地區(qū)大氣腐蝕等級圖 - 紅色的腐蝕等級為C5級，黃色為C4級，綠色為C3級)
(圖2 應(yīng)力腐蝕裂尖部位電位分布的數(shù)據(jù)圖片)
“腐蝕大數(shù)據(jù)”理論層面上最重要的問題是基于“腐蝕大數(shù)據(jù)”的腐蝕過程仿真,這其實(shí)是在以上腐蝕理論建?；A(chǔ)上加上了時間的因素,是腐蝕動力學(xué)過程的建模。這是“腐蝕大數(shù)據(jù)”理論層面的核心問題，可以說是王冠上的明珠。
圖3是利用元胞自動機(jī)模型計(jì)算得到的金屬早期大氣腐蝕形貌和動力學(xué)過程，與邊界條件相同的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果符合得很好。十多年來，包括李曉剛教授團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的國內(nèi)外5~6個研究團(tuán)隊(duì)致力于這方面研究，取得了初步的成果。這項(xiàng)研究實(shí)際是對材料腐蝕復(fù)雜過程的“可視化”的再現(xiàn)，對認(rèn)識腐蝕這一復(fù)雜過程的機(jī)理與規(guī)律具有重要的意義。
（圖3 元胞自動機(jī)模型計(jì)算金屬早期大氣腐蝕形貌和動力學(xué)過程）
【作者介紹】知社學(xué)術(shù)圈（zhishexueshuquan），海歸學(xué)者發(fā)起的公益學(xué)術(shù)交流平臺，旨在分享學(xué)術(shù)信息，整合學(xué)術(shù)資源，加強(qiáng)學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)學(xué)術(shù)進(jìn)步。
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