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。
每个人都有一个人生终极问题。虽然我自觉资质平庸,但是在很小的时候,可能是幼儿园或者是更小的时候,我曾经非常严肃地问过自己和家人:“人为什么活着?”从此以后,我就把问过类似问题的朋友归为了人生知己。慢慢地,我开始接触哲学方面的著作,了解到在古代,有一个外国人也问过类似的问题,这个人就是柏拉图。
当然柏拉图追问的问题和我的问题并不完全相同,他把我的问题分成了三个子问题:我是谁?我从哪里来?我又要到哪里去?自此,我把柏拉图当成了跨时空的人生挚友。但是我发现他并没有这样对我,因为除了这三句话,柏拉图的其他作品,我几乎看不太懂。所以到目前为止,我都无法说服自己:我从哪里来?我要到哪里去?
金属水龙头的前世、今生和未来
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?
我飞快地在脑中搜索材料科学的知识,设想这个金属水龙头的前世应该是这样的:赤铁矿,红褐色,主要成分是三氧化二铁。
当人们发现它以后,会进行开采,并经过选矿、冶炼、浇铸和必要的成型等复杂的、火光四溅的加工环节。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。
为什么呢?因为氧原子虽然被拿了出来,但是它每时每刻都在想方设法重新回到水龙头中去。所以,几年之后,水龙头就变得锈迹斑斑。再过几年,它有可能跑到了垃圾堆里。如果有幸可以回炉,它能够变成新的金属;如果不幸的话,它会重回大地,等待人们再一次开采,而这种概率是极低的。
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。
我只想说一件事情,在座的各位,你身边所有的金属,目前的存在状态都是非常短暂的,并且是不稳定的。腐蚀才是它们唯一的宿命,腐蚀之后的氧化状态才是它们能够永久存在的稳定状态。
腐蚀的代价
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。
这个账是怎么算的呢?我们以一辆汽车的腐蚀损耗为例。据统计,一辆汽车每年平均花费在腐蚀上的费用是1260元。很多朋友会认为自己从未在汽车的腐蚀方面花过钱,这样一个有整有零的数字又是怎么算出来的?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。
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。
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。在市政管网这样一个密闭空间,如果里面出现了油气混合物,就会成为一个巨大的炸弹模型。而且非常不幸的是,这个炸弹确实碰到了明火,所以“嘭”的一声爆炸了,酿成了如下惨案:整条街道被掀翻,周围的汽车全都飞起几米甚至十几米高,四周房屋的玻璃几乎都被震碎。这次事故共造成62人死亡,136人受伤。
当看到这么惨痛的教训发生的时候,我们是不是能够认识到腐蚀其实是很危险的?
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。
1986年切尔诺贝利核电站,因为核泄漏,整个地区变成了无人区;2011年,日本福岛核电站也发生了核泄漏、火灾和爆炸。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?在核电站的核反应堆中,几乎所有的构件都是由金属构成的,而且很多回路中有水化学环境。这意味着当电解质碰到金属后,会形成一个完整的腐蚀体系。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。
扼杀腐蚀
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。
这个大家伙是三峡集团用来发电的一个水轮机。当水流冲刷叶片时,带动水轮机旋转,将动能转换成电能。水轮机很大,直径有20多米长,人站在它的面前显得非常渺小。
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。
面对这种情况,我们要做的就如同医生在医院对患者所做的诊疗一样:先给水轮机开了很多单子,让它做相关检查,并根据检查报告,对其进行“病情”分析,最后针对“病情”,给予适当的“治疗”。
此外,我们还会附带其他“治疗”手段,比如说包覆防腐技术、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。
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。
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