程玉峰

加拿大卡爾加里大學(xué)

1 管道腐蝕防護的重要性

管道是目前油氣運輸最安全、最經(jīng)濟的方式，對于國民經(jīng)濟發(fā)展和造福社會(huì )民生起著(zhù)不可替代的作用。近年來(lái)，管道建設受到了人們普遍關(guān)注，主要原因在于，管道失效常常會(huì )造成環(huán)境和生態(tài)破壞、能源損失，甚至人身傷亡。 2010年7月25日，加拿大Enbridge管道公司的原油管線(xiàn)在美國密歇根州一處濕地發(fā)生泄漏，原油泄漏量約3 193 m3，成為歷史上美國境內最大的原油泄漏事件。該事故導致周邊社區數百人緊急就醫，環(huán)境受到嚴重污染。美國國家運輸安全委員會(huì )（National Transportation Safety Board，NTSB）開(kāi)展了近兩年的詳細調查，確認管道在失效涂層處發(fā)生外腐蝕與應力腐蝕開(kāi)裂，導致管道破裂。據美國運輸部(Department of Transportation，DOT)管道和危險物品安全管理局（Pipeline andHazardous Materials Safety Administration， PHMSA）統計， 2002年至2013年間，在導致管道失效的多種因素中，腐蝕占比為32.1%。加拿大運輸安全委員會(huì )（Transportation Safety Board of Canada）統計也表明，從1990年至2018年，加拿大長(cháng)輸油氣管道發(fā)生的事故中，腐蝕與應力腐蝕開(kāi)裂導致的事故占34%。因此，腐蝕是導致北美地區長(cháng)輸油氣管道失效的最重要原因。

在其它可能引起管道失效的原因中，設計、設備和焊接缺陷等屬于固有因素，第三方損壞、誤操作、環(huán)境因素等是與時(shí)間無(wú)關(guān)的因素，但腐蝕的發(fā)生、發(fā)展與管道服役時(shí)間密切相關(guān)。這意味著(zhù)油氣管道一旦投入運行，便面臨腐蝕問(wèn)題，且腐蝕會(huì )隨著(zhù)運行時(shí)間的增加而加劇。在北美，大規模的管道建設始于第二次世界大戰后，高達70%以上的管道屬于始建于1970年代或以前的“老”管道。在長(cháng)期服役過(guò)程中，管道外防腐涂層的失效、陰極保護電流的屏蔽、土壤環(huán)境導致管線(xiàn)鋼的腐蝕、應力腐蝕裂紋的引發(fā)與擴展、雜散電流干擾、管壁減薄與管線(xiàn)鋼局部缺陷的產(chǎn)生、微生物腐蝕以及沉積物下管道內腐蝕等，都會(huì )降低管道結構完整性，縮短管道的使用壽命，使管道的安全運行面臨較高風(fēng)險。因此，研究管道腐蝕的發(fā)生發(fā)展規律與影響因素，發(fā)展精確可靠的腐蝕預測、防護與檢/監測技術(shù)，對于有效管理管道腐蝕、保障管道安全運行、促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展，以及保護環(huán)境與生態(tài)等，均具有戰略意義。

2 北美地區相關(guān)經(jīng)驗

目前北美地區長(cháng)輸油氣管道外腐蝕防護主要采用外防腐涂層為主、外加電流陰極保護為輔的二元保護系統，目前“老”管道的涂層主要包括瀝青涂層、聚乙烯膠帶以及其他聚乙烯類(lèi)涂層，而1980年代以后新建管道主要采用環(huán)氧粉末涂層。內腐蝕則主要依靠嚴控油/氣質(zhì)量，并定期清管，以消除內腐蝕環(huán)境為主。

美國的長(cháng)輸管道運行管理由國家運輸部 (DOT)負責，加拿大則由國家能源部(National Energy Board，NEB)管理。兩國均實(shí)行在政府宏觀(guān)監管下的管道公 司主體責任制，政府負責制定法律、規章，專(zhuān)業(yè)協(xié)會(huì )發(fā)布行業(yè)標準，管道公司直接負責管道運行、維護、維修、檢/監測、完整性管理、技術(shù)開(kāi)發(fā)等。與長(cháng)輸管道不同，油氣田集輸管道則由當地省(州)政府管理，這是因為兩國的能源資源屬于所在地省份所有。例如，加拿大阿爾伯塔省內所有油氣田管道均由該省能源廳 (Alberta Energy Regulator， AER) 管理。與長(cháng)輸管道相同的是，政府部門(mén)只負責宏觀(guān)規范，很少管理技術(shù)細節。

北美油氣管道的腐蝕防護與管理，通常都遵循專(zhuān)業(yè)協(xié)會(huì )制定的相關(guān)行業(yè)標準進(jìn)行。相關(guān)協(xié)會(huì )主要包括美國腐蝕工程師協(xié)會(huì )(National Associationof Corrosion Engineers， NACE)、美國石油協(xié)會(huì )(American Petroleum Institute， API)、加拿大標準協(xié)會(huì )(Canadian Standards Association， CSA)等。此外，石油與管道公司聯(lián)盟組織也會(huì )根據自身的經(jīng)驗發(fā)布規章與建議，指導管道運行與腐蝕防護，這些組織主要有國際管道研究協(xié)會(huì )(Pipeline Research CouncilInternational， PRCI)、加拿大能源管道協(xié)會(huì )(CanadianEnergy Pipeline Association， CEPA)、加拿大石油生產(chǎn)者協(xié)會(huì )(Canadian Association of Petroleum Producers，CAPP)等。

技術(shù)進(jìn)步與人員培訓是美、加兩國管道公司加強管道安全與完整性管理的重要途徑。以加拿大為例，與油氣管道相關(guān)的研究方向與課題，包括腐蝕研究，通常是由工業(yè)界（即管道公司與管道工業(yè)協(xié)會(huì )）根據自身的實(shí)際需求而確定的，研究課題發(fā)布后，大學(xué)、研究所、設計與服務(wù)公司都可以申請參與，研究項目的進(jìn)展與成果鑒定是由以工程師為主體組成的項目管理委員會(huì )進(jìn)行規范的。這種以工業(yè)需求為導向的工程研究體制，使得加拿大大學(xué)的工科教育與工程研究具有極強的針對性，大學(xué)教授除具有相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識和研究經(jīng)驗外，通常都具備豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗，了解研究背景和現場(chǎng)狀況。因此，在管道工程包括管道腐蝕與防護研究領(lǐng)域，美、加兩國的教授人數雖然比國內少得多，但成果卻極其豐富，并且在工業(yè)界的認可度非常高。

由工業(yè)界主導管道工程研究的狀況也反映在工程教育方面。為提高職員的知識水平，管道公司鼓勵職工利用業(yè)余時(shí)間到大學(xué)進(jìn)修、攻讀學(xué)位(通常是兼職的工程碩士學(xué)位)，學(xué)費一般由公司支付。大學(xué)所開(kāi)設的課程通常是在與公司充分討論后確定的，以保證這些兼職學(xué)生根據實(shí)際需求，選修所學(xué)課程。為培養管道工程技術(shù)人員的綜合素質(zhì)，他們都會(huì )被要求選修經(jīng)濟學(xué)、項目管理、社會(huì )學(xué)等課程。

美、加兩國的管道公司一般不設研究院或研究所。同時(shí)，國外實(shí)行的是工作崗位與學(xué)位相匹配的雇傭制度，因此，公司里具有博士學(xué)位的職員很少，那些具有本科學(xué)歷的工程師的業(yè)務(wù)水平通常都很高，而且他們普遍具有管理能力和團隊精神，這就是由于上述的工程研究與教育體制所決定的。

3 建議

中國的管道工業(yè)在20世紀80年代之后進(jìn)入了蓬勃發(fā)展時(shí)期，管道建設速度居于世界領(lǐng)先地位，取得了舉世矚目的成就。為進(jìn)一步有效控制和管理管道失效，保障油氣安全、可靠運輸，在如下三方面還存在著(zhù)改善空間。

（1）人員。中國石油系統與管道公司均設有數量眾多的研究院、設計院，具有博士學(xué)位的員工數目遠遠超過(guò)國外同類(lèi)型公司，因此，就專(zhuān)業(yè)知識儲備而言，中國管道從業(yè)人員的整體素質(zhì)是比較高的。然而，據觀(guān)察和交流發(fā)現，中國的高學(xué)歷員工與國外同行相比，普遍缺乏引領(lǐng)技術(shù)創(chuàng )新的能力，對實(shí)際工況和存在問(wèn)題的了解以及解決實(shí)際問(wèn)題的能力不足，同時(shí)又基本不進(jìn)行管道工程科學(xué)的基礎研究，從而使得這些人員沒(méi)有發(fā)揮出應有的作用。而大量的具有本科學(xué)歷的工程技術(shù)人員，則普遍存在著(zhù)專(zhuān)業(yè)知識過(guò)于狹窄、片面的問(wèn)題。管道工程是一門(mén)交叉學(xué)科，國外管道公司的工程師與技術(shù)員在大學(xué)里受到的是所謂通識教育，普遍具有大機械工程、大電子工程、大結構工程、大化學(xué)工程等學(xué)科背景，他們在進(jìn)入公司接受半年到一年的輪訓之后，就基本具備了管道工程所涉及到的方方面面的知識，使得他們在把握各種實(shí)際問(wèn)題時(shí)，具有基本的了解和判斷能力，并且能夠迅速制定 解決問(wèn)題的方案。更令人印象深刻的是，這些工程技術(shù)人員在得到管理層批準后，大都能夠領(lǐng)導、組織起一支多方參與的團隊，在工程研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)方面取得相關(guān)成果。因此，努力改善、擴大管道工程技術(shù)人員的知識面，提高他們認識、判斷、解決實(shí)際問(wèn)題的能力以及組織領(lǐng)導力，加強技術(shù)人員與現場(chǎng)實(shí)際的結合，對于中國管道工業(yè)的可持續性發(fā)展至關(guān)重要。

（2）技術(shù)。在過(guò)去數十年間，中國管道工業(yè)發(fā)展迅猛。然而，過(guò)快地發(fā)展使得許多管道項目在工程問(wèn)題得到全面妥善解決之前就匆匆上馬。例如，目前中國高強鋼管道的總里程位居世界第一，但在實(shí)際服役中存在如焊縫區失效、管—土交互作用、應變老化、氫致開(kāi)裂、應力腐蝕開(kāi)裂、缺陷評估與失效預測模型等，是國際性的技術(shù)難題，這些問(wèn)題的存在使得新建高強鋼管道產(chǎn)生巨大的安全隱患。在美、加兩國， 20多年前就倡議建設若干高強鋼油氣管道項目，正是由于上述問(wèn)題沒(méi)有解決，最終都分別換成了低強鋼。另一方面，就技術(shù)創(chuàng )新而言，美加兩國的工業(yè)界主導工程研究方向的機制，非常值得中國高校與研究機構借鑒，這樣不僅可避免研究成果與實(shí)際需求脫節，而且能夠使得大學(xué)研究被工業(yè)界認可從而保障研究的可持續性。而石油管道公司研究院與設計院可以采取企業(yè)自主運行機制，以解決實(shí)際工程問(wèn)題為依托，發(fā)展最符合管道工業(yè)界需求的新技術(shù)，起到引領(lǐng)技術(shù)創(chuàng )新的作用，與大學(xué)的工程基礎研究齊頭并進(jìn)，而又各有分工。

（3）管理。當前，國際管道領(lǐng)域最新的控制、檢測、監測等技術(shù)，中國的管道工業(yè)均已采用；國際通用的行業(yè)標準，國內也已經(jīng)采納運用。這些技術(shù)能否發(fā)揮最大程度的功效，這些標準能否被切實(shí)地執行，很大程度取決于一套成熟的管理制度。以加拿大管道工業(yè)為例，每一個(gè)管道公司都會(huì )根據自己的實(shí)際狀況，發(fā)展出獨特的管道完整性管理系統。對于管道腐蝕而言，從歷史數據和資料的收集、在線(xiàn)檢測、數據分析、安全評估、壽命預測等，每一個(gè)環(huán)節的執行都是建立在上一個(gè)環(huán)節確保完成、可靠無(wú)誤的基礎上的。這種管理制度或許會(huì )顯得“效率低”“辦事慢”，但它能最大程度地確保管道系統的安全與可靠。在加拿大的管道公司里，為了節約時(shí)間而試圖擱置上一環(huán)節直接進(jìn)入下一環(huán)節的行為，是絕對不被容許的。完善的管理制度是確保管道高效、安全運行的決定性基礎。

作者：程玉峰，歐盟科學(xué)院院士、國際腐蝕協(xié)會(huì )會(huì )士、管道工程領(lǐng)域加拿大首席科學(xué)家、教育部長(cháng)江學(xué)者講座教授、卡爾加里大學(xué)終身教授，油氣田及管道腐蝕科學(xué)與安全工程領(lǐng)域國際著(zhù)名科學(xué)家。

1990年本科畢業(yè)于湖南大學(xué)， 1993年碩士畢業(yè)于中國科學(xué)院金屬研究所， 1996年赴加拿大阿爾伯塔大學(xué)留學(xué)，1999年獲博士學(xué)位， 2000～2002年為加拿大自然科學(xué)與工程研究中心博士后。目前主要從事油氣田與管道腐蝕科學(xué)、裝備服役失效、完整性管理與安全工程研究。

出版英文專(zhuān)著(zhù)兩部（其中《管道應力腐蝕開(kāi)裂》一書(shū)獲中國石油科技圖書(shū)專(zhuān)項資助發(fā)行中譯本），發(fā)表學(xué)術(shù)期刊論文210篇，論文引用超過(guò)7 760次， H-因子 57。 2016年1月于Nature發(fā)表關(guān)于管道安全的評論文章。榮獲眾多國際重要獎項和學(xué)術(shù)榮譽(yù)，包括加拿大杰出材料科學(xué)家獎、加拿大重大工程科學(xué)論文獎、加拿大冶金與材料協(xié)會(huì )金屬化學(xué)獎、國際腐蝕協(xié)會(huì )尤利格獎、中國腐蝕與防護學(xué)會(huì )師昌緒獎、中國國家留學(xué)基金委優(yōu)秀海外留學(xué)博士生導師、卡爾加里大學(xué)工程研究成就獎等。

目前擔任加拿大機械工程協(xié)會(huì )董事會(huì )董事兼材料技術(shù)委員會(huì )主席、國際腐蝕協(xié)會(huì )“管道涂層與陰極保護兼容性標準”工作組主席、中國科學(xué)院海外評審專(zhuān)家、《加拿大機械工程協(xié)會(huì )會(huì )刊》副主編等。曾擔任美國科學(xué)院石油管道委員會(huì )委員、國際腐蝕協(xié)會(huì )“年度世界最重要腐蝕案例分析”專(zhuān)家組專(zhuān)家、“世界腐蝕狀況調查”加拿大地區主席、華中科技大學(xué)學(xué)科評審專(zhuān)家、中國科學(xué)院海洋研究所評估診斷專(zhuān)家、加拿大腐蝕基金會(huì )董事、加拿大基金委核能材料腐蝕失效特聘教授評委會(huì )主席、加拿大石油管道規劃委員會(huì )委員等。聯(lián)合國教科文組織“管道工程”百科全書(shū)主編，主持編撰了世界第一部關(guān)于油氣管道的百科全書(shū)，首次將“管道工程”定義為一門(mén)工程學(xué)科，并積極推進(jìn)該學(xué)科在大學(xué)的本科和研究生教育。