程玉峰

加拿大卡爾加里大學(xué)

1 管道腐蝕防護(hù)的重要性

管道是目前油氣運(yùn)輸最安全、最經(jīng)濟(jì)的方式，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和造福社會(huì)民生起著不可替代的作用。近年來(lái)，管道建設(shè)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在美國(guó)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(guó)境內(nèi)最大的原油泄漏事件。該事故導(dǎo)致周邊社區(qū)數(shù)百人緊急就醫(yī)，環(huán)境受到嚴(yán)重污染。美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)（National Transportation Safety Board，NTSB）開(kāi)展了近兩年的詳細(xì)調(diào)查，確認(rèn)管道在失效涂層處發(fā)生外腐蝕與應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，導(dǎo)致管道破裂。據(jù)美國(guó)運(yùn)輸部(Department of Transportation，DOT)管道和危險(xiǎn)物品安全管理局（Pipeline andHazardous Materials Safety Administration， PHMSA）統(tǒng)計(jì)， 2002年至2013年間，在導(dǎo)致管道失效的多種因素中，腐蝕占比為32.1%。加拿大運(yùn)輸安全委員會(huì)（Transportation Safety Board of Canada）統(tǒng)計(jì)也表明，從1990年至2018年，加拿大長(zhǎng)輸油氣管道發(fā)生的事故中，腐蝕與應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂導(dǎo)致的事故占34%。因此，腐蝕是導(dǎo)致北美地區(qū)長(zhǎng)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(shè)計(jì)、設(shè)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)。這意味著油氣管道一旦投入運(yùn)行，便面臨腐蝕問(wèn)題，且腐蝕會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而加劇。在北美，大規(guī)模的管道建設(shè)始于第二次世界大戰(zhàn)后，高達(dá)70%以上的管道屬于始建于1970年代或以前的“老”管道。在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，管道外防腐涂層的失效、陰極保護(hù)電流的屏蔽、土壤環(huán)境導(dǎo)致管線鋼的腐蝕、應(yīng)力腐蝕裂紋的引發(fā)與擴(kuò)展、雜散電流干擾、管壁減薄與管線鋼局部缺陷的產(chǎn)生、微生物腐蝕以及沉積物下管道內(nèi)腐蝕等，都會(huì)降低管道結(jié)構(gòu)完整性，縮短管道的使用壽命，使管道的安全運(yùn)行面臨較高風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究管道腐蝕的發(fā)生發(fā)展規(guī)律與影響因素，發(fā)展精確可靠的腐蝕預(yù)測(cè)、防護(hù)與檢/監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)于有效管理管道腐蝕、保障管道安全運(yùn)行、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以及保護(hù)環(huán)境與生態(tài)等，均具有戰(zhàn)略意義。

2 北美地區(qū)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)

目前北美地區(qū)長(zhǎng)輸油氣管道外腐蝕防護(hù)主要采用外防腐涂層為主、外加電流陰極保護(hù)為輔的二元保護(hù)系統(tǒng)，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涂層，而1980年代以后新建管道主要采用環(huán)氧粉末涂層。內(nèi)腐蝕則主要依靠嚴(yán)控油/氣質(zhì)量，并定期清管，以消除內(nèi)腐蝕環(huán)境為主。

美國(guó)的長(zhǎng)輸管道運(yùn)行管理由國(guó)家運(yùn)輸部 (DOT)負(fù)責(zé)，加拿大則由國(guó)家能源部(National Energy Board，NEB)管理。兩國(guó)均實(shí)行在政府宏觀監(jiān)管下的管道公 司主體責(zé)任制，政府負(fù)責(zé)制定法律、規(guī)章，專業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，管道公司直接負(fù)責(zé)管道運(yùn)行、維護(hù)、維修、檢/監(jiān)測(cè)、完整性管理、技術(shù)開(kāi)發(fā)等。與長(zhǎng)輸管道不同，油氣田集輸管道則由當(dāng)?shù)厥?州)政府管理，這是因?yàn)閮蓢?guó)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(nèi)所有油氣田管道均由該省能源廳 (Alberta Energy Regulator， AER) 管理。與長(zhǎng)輸管道相同的是，政府部門只負(fù)責(zé)宏觀規(guī)范，很少管理技術(shù)細(xì)節(jié)。

北美油氣管道的腐蝕防護(hù)與管理，通常都遵循專業(yè)協(xié)會(huì)制定的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。相關(guān)協(xié)會(huì)主要包括美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)(National Associationof Corrosion Engineers， NACE)、美國(guó)石油協(xié)會(huì)(American Petroleum Institute， API)、加拿大標(biāo)準(zhǔn)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(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)發(fā)布規(guī)章與建議，指導(dǎo)管道運(yùn)行與腐蝕防護(hù)，這些組織主要有國(guó)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(xùn)是美、加兩國(guó)管道公司加強(qiáng)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(jù)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(shè)計(jì)與服務(wù)公司都可以申請(qǐng)參與，研究項(xiàng)目的進(jìn)展與成果鑒定是由以工程師為主體組成的項(xiàng)目管理委員會(huì)進(jìn)行規(guī)范的。這種以工業(yè)需求為導(dǎo)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(qiáng)的針對(duì)性，大學(xué)教授除具有相關(guān)專業(yè)知識(shí)和研究經(jīng)驗(yàn)外，通常都具備豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，了解研究背景和現(xiàn)場(chǎng)狀況。因此，在管道工程包括管道腐蝕與防護(hù)研究領(lǐng)域，美、加兩國(guó)的教授人數(shù)雖然比國(guó)內(nèi)少得多，但成果卻極其豐富，并且在工業(yè)界的認(rèn)可度非常高。

由工業(yè)界主導(dǎo)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(shí)水平，管道公司鼓勵(lì)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(fèi)一般由公司支付。大學(xué)所開(kāi)設(shè)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(jù)實(shí)際需求，選修所學(xué)課程。為培養(yǎng)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(jì)學(xué)、項(xiàng)目管理、社會(huì)學(xué)等課程。

美、加兩國(guó)的管道公司一般不設(shè)研究院或研究所。同時(shí)，國(guó)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(tuán)隊(duì)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(guó)的管道工業(yè)在20世紀(jì)80年代之后進(jìn)入了蓬勃發(fā)展時(shí)期，管道建設(shè)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(yùn)輸，在如下三方面還存在著改善空間。

（1）人員。中國(guó)石油系統(tǒng)與管道公司均設(shè)有數(shù)量眾多的研究院、設(shè)計(jì)院，具有博士學(xué)位的員工數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)外同類型公司，因此，就專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備而言，中國(guó)管道從業(yè)人員的整體素質(zhì)是比較高的。然而，據(jù)觀察和交流發(fā)現(xiàn)，中國(guó)的高學(xué)歷員工與國(guó)外同行相比，普遍缺乏引領(lǐng)技術(shù)創(chuàng)新的能力，對(duì)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(chǔ)研究，從而使得這些人員沒(méi)有發(fā)揮出應(yīng)有的作用。而大量的具有本科學(xué)歷的工程技術(shù)人員，則普遍存在著專業(yè)知識(shí)過(guò)于狹窄、片面的問(wèn)題。管道工程是一門交叉學(xué)科，國(guó)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(shí)教育，普遍具有大機(jī)械工程、大電子工程、大結(jié)構(gòu)工程、大化學(xué)工程等學(xué)科背景，他們?cè)谶M(jìn)入公司接受半年到一年的輪訓(xùn)之后，就基本具備了管道工程所涉及到的方方面面的知識(shí)，使得他們?cè)诎盐崭鞣N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(zhǔn)后，大都能夠領(lǐng)導(dǎo)、組織起一支多方參與的團(tuán)隊(duì)，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(kuò)大管道工程技術(shù)人員的知識(shí)面，提高他們認(rèn)識(shí)、判斷、解決實(shí)際問(wèn)題的能力以及組織領(lǐng)導(dǎo)力，加強(qiáng)技術(shù)人員與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的結(jié)合，對(duì)于中國(guó)管道工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展至關(guān)重要。

（2）技術(shù)。在過(guò)去數(shù)十年間，中國(guó)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(xiàng)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(guó)高強(qiáng)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(qū)失效、管—土交互作用、應(yīng)變老化、氫致開(kāi)裂、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、缺陷評(píng)估與失效預(yù)測(cè)模型等，是國(guó)際性的技術(shù)難題，這些問(wèn)題的存在使得新建高強(qiáng)鋼管道產(chǎn)生巨大的安全隱患。在美、加兩國(guó)， 20多年前就倡議建設(shè)若干高強(qiáng)鋼油氣管道項(xiàng)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(qiáng)鋼。另一方面，就技術(shù)創(chuàng)新而言，美加兩國(guó)的工業(yè)界主導(dǎo)工程研究方向的機(jī)制，非常值得中國(guó)高校與研究機(jī)構(gòu)借鑒，這樣不僅可避免研究成果與實(shí)際需求脫節(jié)，而且能夠使得大學(xué)研究被工業(yè)界認(rèn)可從而保障研究的可持續(xù)性。而石油管道公司研究院與設(shè)計(jì)院可以采取企業(yè)自主運(yùn)行機(jī)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(chǔ)研究齊頭并進(jìn)，而又各有分工。

（3）管理。當(dāng)前，國(guó)際管道領(lǐng)域最新的控制、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)等技術(shù)，中國(guó)的管道工業(yè)均已采用；國(guó)際通用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)采納運(yùn)用。這些技術(shù)能否發(fā)揮最大程度的功效，這些標(biāo)準(zhǔn)能否被切實(shí)地執(zhí)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(jù)自己的實(shí)際狀況，發(fā)展出獨(dú)特的管道完整性管理系統(tǒng)。對(duì)于管道腐蝕而言，從歷史數(shù)據(jù)和資料的收集、在線檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析、安全評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)等，每一個(gè)環(huán)節(jié)的執(zhí)行都是建立在上一個(gè)環(huán)節(jié)確保完成、可靠無(wú)誤的基礎(chǔ)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(tǒng)的安全與可靠。在加拿大的管道公司里，為了節(jié)約時(shí)間而試圖擱置上一環(huán)節(jié)直接進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的行為，是絕對(duì)不被容許的。完善的管理制度是確保管道高效、安全運(yùn)行的決定性基礎(chǔ)。

作者：程玉峰，歐盟科學(xué)院院士、國(guó)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(zhǎng)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(guó)際著名科學(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(guó)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。

出版英文專著兩部（其中《管道應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂》一書獲中國(guó)石油科技圖書專項(xiàng)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(píng)論文章。榮獲眾多國(guó)際重要獎(jiǎng)項(xiàng)和學(xué)術(shù)榮譽(yù)，包括加拿大杰出材料科學(xué)家獎(jiǎng)、加拿大重大工程科學(xué)論文獎(jiǎng)、加拿大冶金與材料協(xié)會(huì)金屬化學(xué)獎(jiǎng)、國(guó)際腐蝕協(xié)會(huì)尤利格獎(jiǎng)、中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)師昌緒獎(jiǎng)、中國(guó)國(guó)家留學(xué)基金委優(yōu)秀海外留學(xué)博士生導(dǎo)師、卡爾加里大學(xué)工程研究成就獎(jiǎng)等。

目前擔(dān)任加拿大機(jī)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(guó)際腐蝕協(xié)會(huì)“管道涂層與陰極保護(hù)兼容性標(biāo)準(zhǔn)”工作組主席、中國(guó)科學(xué)院海外評(píng)審專家、《加拿大機(jī)械工程協(xié)會(huì)會(huì)刊》副主編等。曾擔(dān)任美國(guó)科學(xué)院石油管道委員會(huì)委員、國(guó)際腐蝕協(xié)會(huì)“年度世界最重要腐蝕案例分析”專家組專家、“世界腐蝕狀況調(diào)查”加拿大地區(qū)主席、華中科技大學(xué)學(xué)科評(píng)審專家、中國(guó)科學(xué)院海洋研究所評(píng)估診斷專家、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(píng)委會(huì)主席、加拿大石油管道規(guī)劃委員會(huì)委員等。聯(lián)合國(guó)教科文組織“管道工程”百科全書主編，主持編撰了世界第一部關(guān)于油氣管道的百科全書，首次將“管道工程”定義為一門工程學(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。