文丨王长罡
腐蚀实在是太小太小的一门学科了,以至于很多人都质疑这门学科是否有存在的必要。当我开始思考一些腐蚀科学的问题时,发现它触碰到了我内心深处的人生终极问题。
文丨王长罡 中国科学院金属研究所材料环境腐蚀研究中心副研究员
本文来源自微信公众号“格致论道讲坛 ”(ID:SELFtalks),原文首发于2022年9月9日,原标题为《看似不起眼的腐蚀,每年造成的经济损失竟要占我国GDP的5%左右 | 王长罡》,不代表智库观点。
就在此时,腐蚀科学告诉我如何将复杂的模型简单化。虽然我无法说服我自己,但是我可以告诉他,一个金属做的水龙头,它的前世、今生和未来应该是什么样的?
▲金属水龙头
▲赤铁矿
▲加工环节
人们这样做的目的只有一个,就是将晶格中红色的氧原子,从铁矿石中拿出来。之后,再经过必要的加工,就可以得到这种光鲜亮丽的水龙头了,尽管这种光鲜亮丽只是暂时的。
▲晶体结构
回过头来重新审视一个水龙头的前世、今生和未来,你会发现,这种轮回般的宿命和佛教中所讨论的人生状态极为相似,当然在这里面我们要抛弃所有的神秘色彩。
你可能想象不到,这样一个小小的金属腐蚀的宿命,却要我们人类付出极大的代价。这个代价有多大呢?2013年,我国工程院院士柯伟做了这样一件事,他编纂了一部《中国腐蚀调查报告》。这部报告对我国因腐蚀而造成的经济损失进行了系统的统计,相当于给腐蚀损耗算了一笔细账。这笔账涉及各行各业,包括我们身边所有的金属。
其实大家不了解。除了加油之外,汽车其他所有的保养费用其实都花在了腐蚀上。比如,汽车的发动机会因为高温腐蚀、氧化磨损而失效,排气孔会发生露点腐蚀,汽车的底盘和表面喷漆也都是为了防腐蚀。此外,整个车体的老化也是因为腐蚀。所以,一辆汽车每年花在腐蚀上的费用是1260元。
再举一个例子,是关于北京西直门立交桥的腐蚀问题。我国北方经常会下雪,为了除雪,人们常常要往地上撒一些除雪剂。除雪剂的主要成分是氯化钠,其中的氯离子对于腐蚀来说是非常可怕的,因为它可以诱发几乎所有可能的腐蚀。
所以,当氯离子不断透过桥体进入到钢筋的时候,钢筋就会发生腐蚀。长此以往,立交桥的承载能力将大大下降。为了弥补其承载能力的不足,人们要对立交桥进行修复,而修复的费用高达3000万元人民币。
林林总总这些事情统计起来后相加,柯伟院士得到了一个非常重要的结论:我国每年因为腐蚀所造成的经济损失,占国民生产总值的5%左右。
这是什么样的一个数字呢?我们以2008年这一年为例。这一年的国民生产总值是一个很长的数字,以至于我们没法念出来。其中,腐蚀所造成的经济损失,可以用这个数字乘以5%,最终得到的金额是1.6万亿元人民币。虽然这个数字比较简单,但对大部分人来说,还是没什么概念,因为数值太大了。
我再举个例子。同样是在2008年,我国汶川地区发生了5·12大地震,这个地震震惊世界,震级达到了8.0级。地震给我国造成的经济损失高达8000亿元人民币。对比前面的数字,不难发现,我国每年因为腐蚀而造成的经济损失,相当于两个汶川大地震。
当然,汶川大地震给我们国民精神上带来的伤害是远远不能拿经济数字来衡量的,因为地震会摧毁我们的家园,夺走身边的亲人和朋友,甚至我们自己的生命,这种损失是巨大的。
有人可能会觉得,跟地震相比,每年因腐蚀而“烧”掉的这些钱咬咬牙也是可以接受的。但我要用一个血淋淋的例子告诉大家,当灾难真正来临时,腐蚀可一点都不比地震逊色。
这幅图是2013年11月22日的青岛市黄岛区。黄岛区有一个特点,地下有很多长输埋地管线,用来运输石油和天然气。就在11月22日这一天,其中一根管线因为腐蚀,发生了穿孔泄漏,石油源源不断地流入地下,而且鬼使神差地流到了市政管网中去。
▲2013年11月22日的青岛市黄岛区
▲爆炸现场
回过头来,翻开《中国腐蚀调查报告》,我们会发现,这种事故在20世纪并不少见,而且通常发生在石油或者化工企业。其实,还有另外一个行业,也在每时每刻都跟腐蚀进行着博弈。
核能,既可以作为一种清洁、高效的能源,为大家所用,也可以被用来做成世界上最可怕的杀人武器,所以核能时时刻刻在“魔鬼”和“天使”之间变换着自己的身份。如果“天使”碰到了腐蚀,是不是会变成“魔鬼”呢?
此外,反应堆当中的很多部位处于高温、高压的特殊极端环境中,这对腐蚀来说是极其敏感的。由此不难想象,核反应堆中几乎涵盖了所有可能发生的腐蚀形式,并且这些腐蚀会时常骚扰世界各地的核电站。
▲腐蚀对世界各地核电站造成威胁
当然,我讲这些不是为了造成恐慌,而是为了告诉大家,特别是告诉那些对从事腐蚀科学研究的我们表示鄙夷的人,应该重视腐蚀。我们也会站出来,用专业手段将腐蚀扼杀在萌芽当中。
我们的工作和医生是完全相同的。虽然可能工作环境差别很大,但是我们的工作性质很像。医生的医疗对象可能是和蔼可亲的老奶奶,如果运气好的话,还会碰到漂亮的姑娘。但是对于我来说,面对的永远是冷冰冰的机器设备。当然从某种角度来看,这个大家伙还是很有金属美感的,有一种美国大片的感觉。
▲三峡集团水轮机
当时,这个机器“生病”了,我用类似听诊器的设备观察,发现它“身上”有很多小的孔洞。这种孔洞用专业术语来说,叫作局部腐蚀,或者叫作点蚀。
它是一种非常特殊的腐蚀形式,跟我们之前看到的金属整体发生生锈腐蚀不同,是在一个或者几个小点上出现孔洞,而且由于它自身的阴离子聚集以及局部酸化所造成的自催化效应,这个点会逐渐在金属体内快速生长,且难以预测。
▲局部腐蚀(点蚀)
我们还会开具一份材料采购报告,并为其制定一个“健康的生活规律”,比如说一份健康的运行报告。
▲“治疗”腐蚀
此外,我们还会附带其他“治疗”手段,比如说缓蚀剂、阴极保护、涂装等等。如果问题实在太大了,医生一般会建议患者进行手术,我们则会建议企业更换设备。这就是我们如何利用专业手段抑制腐蚀、并将其扼杀在萌芽当中的工作过程。
除了常规诊治,很多大医院的医生也会做基础的科研工作,这些工作也正是我们腐蚀学人的主业,所以我的工作和医生是完全相同的。我们会就某一个腐蚀问题或某一种腐蚀形式进行深入研究,并同时探索如何利用腐蚀做一些对人类有益的事情。
《道德经》里面有这样一句话:“祸兮,福之所倚;福兮,祸之所伏。”也就是说,所有事物都具有两面性,而且这两面是在不断转化的。因而,在某些特殊的情况下,腐蚀并不是一个贬义词,反而会造福人类。
我们来猜一下这些人是什么人,他们在做什么。
▲医生取患者腿骨中的骨钉
手术的过程还是挺可怕的,尽管我们坚信每个医生都有自己的职业操守和专业素养,手术肯定是没问题的。即使是这样,如此粗暴的动作肯定会对患者的身心造成不小的伤害。
如果这个过程消失了该有多好。换句话说,如果骨钉能够消失该多好。
从事结构材料研究的人,对有一种材料是非常讨厌的,那就是特别活泼的镁合金。它活泼到什么程度呢?如果你把镁合金丢到海南去,几个月之后,它连人影都不见了,想要看镁合金生锈的“尸体”都没可能。它就是这么活泼。但这不正是我们现在所需要的吗?
我们可以利用活泼的镁合金,利用它快速的腐蚀速度,制作成可降解的镁合金骨钉,再把它植入到患者的腿骨中去。我们可以针对不同的患者、不同的康复周期,制备不同使用寿命的镁合金骨钉。
当患者的腿骨长好之后,骨钉会自行融化消失,而且在这一过程中释放出的镁离子正好是人体所需要的微量元素。多么完美的一个组合!
▲镁合金骨钉腐蚀过程
经过以上的介绍,大家对腐蚀科学和我们的工作可能已经有了一定的了解。一个水龙头经过百千万亿年的等待,经过百炼成钢的浴火重生,它们所追求的仅仅是几万个小时的稳定服役。
我们腐蚀人也正是致力于此,致力于将每一个金属的短暂生命发挥到极致,造福于人,就像美丽的樱花一样,绚烂而短暂,向死而生。
感谢大家聆听我的演讲,感谢大家关注腐蚀科学。谢谢!
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