钢结构在深海开发中的应用与前景：高性能材料助力深海资源勘探与基地建设

编者按

深海一般指水深超过一定界限的海域，普遍来讲是指水深超过 200 米的海域，也有人认为是水深超过 1000 米的海域。深海开发在当前海洋科技领域处于重要地位，包含深海资源勘探、深海科研以及深海基地建设等方面。随着技术持续进步且资源越发紧张，深海开发如今已成为各国海洋战略的重要部分。

深海开发对所需材料要求极高。这种材料需具备高强度，且要耐腐蚀。同时，还需能适应深海复杂的环境条件。尤其是深海导航定位、深海信息获取与处理以及深海基地建设等关键环节，都需要高性能材料给予支持。而钢结构作为一种材料，它具有轻质、高强且耐腐蚀的特性，在深海领域有着广泛的应用前景。本期特别推出了关于钢结构在深海发展应用的前瞻报道，邀请读者一起去思考钢结构在深海开发方面所具有的无限可能，并且欢迎大家留言。

近日，中国批准在南海水下 2000 米处建设“冷泉”生态系统研究设施。此消息一经传出，就受到了国际社会的广泛关注。

“冷泉”生态系统研究设施是目前国际上首个坐底式深海载人驻留实验室，也是国际最大尺度的深海化能生态系统与深海甲烷物态演化模拟重大科技基础设施，预计在 2030 年前后能够投入使用。投入使用后，此设施将成为人类历史上首个真正意义上的深海研究设施。

世界上最早的水下研究实验室是在 1962 年于法国马赛海岸 10 米深处建成的。这个项目建造了世界上首个水下栖息地 Conshelf I，它由一个水密性不锈钢圆柱体钢结构构成，大概 5 米高，直径 2.5 米，容纳了两名海洋学家进行为期一周的实验。

可以预见，人类对海洋资源的探索和开发会不断深入。深海钢结构是海洋工程的重要支撑，其发展潜力正日益凸显。本文将从深海钢结构的应用现状开始进行探讨，接着探讨技术挑战，再探讨发展趋势，最后探讨其潜力。

钢结构在深海的应用优势

钢结构在深海领域的应用探索有着很久的历史。20 世纪 70 年代，美国开始着手研制一种具有深海隐蔽探测、试验以及作业能力的 NR - 1 号核动力工作站，该工作站的耐压结构是由 HY - 80 钢打造而成的。21 世纪初，美国针对千吨级 NR - 2 项目展开论证。该论证涵盖了海洋物理学、海洋生物学以及海洋考古学等民用任务需求。在此过程中，形成了多种建造方案。其中，在 900 米级设计深度等级时，对应的耐压壳体材料为 HY - 130 钢；在 1500 米级设计深度等级时，对应的耐压壳体材料为 HY - 100 钢。

根据公开资料可知，钢结构具备高强度、耐腐蚀以及可焊接等优良特性。在深海资源勘探和基地建设等处于高压及复杂海洋环境的领域，它具有应用优势。具体而言，其一，钢结构拥有高强度以及优异的韧性，能够应对深海高压和复杂海洋环境所带来的挑战。其二，经过特殊的防腐处理后，钢结构能够抵御深海环境的腐蚀，从而延长其使用寿命。三是钢结构属于可回收材料，这种材料符合环保方面的要求，对深海开发的可持续发展是有利的。四是钢结构能够在工厂进行预制，然后在现场进行安装，这样就极大地缩短了施工的周期，提升了深海开发的效率。

从应用现状而言，钢结构现今在深海导管架平台、深海采矿设备以及深海科研与观测平台等领域都有应用。例如中国自主设计并建造的亚洲首座深水导管架“海基二号”。此平台的导管架总高度为 338.5 米，总重量达 3.7 万吨，其作业海域的平均水深约为 324 米，大量运用了国产高强钢制造的钢结构，涵盖了导管架、桩腿和上部模块等部分。深海采矿车等设备以及深海采矿机器人等设备需要在极端环境中作业，而在巨大水压和腐蚀环境下能够服役的钢结构，就成为了它们主体结构材料的首选。

钢结构在深海应用面临的技术挑战

深海特殊作业环境对钢结构产生了影响，钢结构在性能方面面临技术挑战，钢结构在工艺方面也面临技术挑战，钢结构的发展空间较大。

一是面临材料性能方面的挑战。在高强度与轻量化的需求上，深海钢结构既要具备高强度，从而能够承受深海的高压环境以及极端气候条件；又要具备轻量化，以此来降低建造成本并提高运输效率。这种需求促使了高性能钢材的研发，像 420 兆帕级乃至更高强度的钢材。然而，这类钢材的生产技术难度较大，并且还需要确保其在深海环境下能够长期保持稳定且具备耐腐蚀性。钢结构在深海环境中需长时间暴露于盐雾、潮湿和海水等腐蚀性介质中，对耐腐蚀性有高要求。这意味着钢材必须具备良好的耐腐蚀性。由于传统的防腐措施可能无法满足深海环境的长期需求，所以需要开发新型防腐材料和防腐技术。

二是施工技术方面的挑战。在深海环境下进行施工难度极大，需要应对深海的高压、低温以及黑暗等恶劣条件。这需要水下机器人具备很厉害的技术水平，同时还得配备先进的施工设备以及工艺，目的是要保证施工的质量和安全。

二是维护技术方面的挑战。深海钢结构的维护要采用特殊的设备和工艺，以此来确保维护的质量和效率。同时，深海环境下的维护成本很高，必须综合考量经济性与安全性。

深海钢结构发展潜力巨大

根据公开资料可知，钢结构在深海领域有巨大发展潜力。其一，在深海资源开发方面，随着深海采矿、深海油气开发等活动日益增多，对深海钢结构的需求会持续上升。其二，在深海科研方面，深海科研需依靠深海探测器、深海潜艇等设备进行深入探索与研究，而这些设备需要用到钢结构这类材料以确保其结构的稳定性与安全性。其三，在国防建设方面。钢结构在国防建设领域有重要应用价值。深海潜艇需要依赖钢结构来保证结构强度和稳定性。水下导弹发射装置也需要依赖钢结构来保证结构强度和稳定性。

从发展趋势来看，深海钢结构性能要求将进一步提升。

一是朝着更高强度和更高韧性的方向发展。因为深海资源的开发正朝着更深、更远的海域推进，所以对深海钢结构材料的强度和韧性的要求也就越来越高。

一是提升耐腐蚀性能。深海钢结构材料为解决深海环境下的腐蚀问题，将采用诸如涂层防腐、合金化防腐等更为先进的防腐技术，以此来提高其耐腐蚀性能。

深海钢结构的焊接工艺很重要，会影响其性能，还涉及后期维护。未来会注重焊接工艺的优化与创新，目的是提高深海钢结构的焊接质量和性能。

四是数字化、智能化加快发展。伴随数字化、智能化技术的不断进步，深海钢结构的安装等过程将变得更智能且自动化，进而提升其生产效率与安全水平。

对深海钢结构发展的建议

为促使钢结构在深海领域得到应用和发展，建议从以下几方面去发力。

加强技术研发方面，针对深海环境的特点，要加大对深海用钢材料的研发力度，以此提高材料的强度、韧性以及耐腐蚀性等性能，从而满足深海开发对材料性能的更高要求。

一是针对深海开发的具体需求进行结构设计的优化。二是通过优化钢结构的设计，提升结构的稳定性和安全性。三是利用优化结构设计的方式，降低建造成本。

三是提升材料质量。同步建立并完善深海用钢结构的标准体系，对材料在选择、设计、制造、安装等环节的要求进行明确规定，增强材料的安全性和可靠性，同时加快与国际标准的接轨与互认步伐，进而推动钢结构在全球深海开发市场的应用。

四是推动应用。推动钢结构在深海领域的广泛应用。

加强人才培养与引进方面，要着力于钢结构领域。一方面要做好人才培养工作，提升从业人员的专业技能与综合素质；另一方面通过产学研合作等途径，培养出一批具备创新精神和实践能力的钢结构专业人才。

加强国际合作方面，要与国际先进企业以及研究机构开展合作与交流，将其先进技术和管理经验加以借鉴，以此推动钢结构在深海领域实现国际化发展。

我们期待，在未来不会太遥远的时候，钢结构能够在深海的开发方面发挥重要作用，从而助力我国建设海洋强国。

作者 | 谢高