程玉峰

加拿大卡爾加里大學

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)展和造福社會民生起著不可替代的作用。近年來，管道建設受到了人們普遍關注，主要原因在于，管道失效常常會造成環(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(nèi)最大的原油泄漏事件。該事故導致周邊社區(qū)數(shù)百人緊急就醫(yī)，環(huán)境受到嚴重污染。美國國家運輸安全委員會（National Transportation Safety Board，NTSB）開展了近兩年的詳細調(diào)查，確認管道在失效涂層處發(fā)生外腐蝕與應力腐蝕開裂，導致管道破裂。據(jù)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(tǒng)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（Transportation Safety Board of Canada）統(tǒng)計也表明，從1990年至2018年，加拿大長輸油氣管道發(fā)生的事故中，腐蝕與應力腐蝕開裂導致的事故占34%。因此，腐蝕是導致北美地區(qū)長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)境因素等是與時間無關的因素，但腐蝕的發(fā)生、發(fā)展與管道服役時間密切相關。這意味著油氣管道一旦投入運行，便面臨腐蝕問題，且腐蝕會隨著運行時間的增加而加劇。在北美，大規(guī)模的管道建設始于第二次世界大戰(zhàn)后，高達70%以上的管道屬于始建于1970年代或以前的“老”管道。在長期服役過程中，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，都會降低管道結(jié)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險。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測、防護與檢/監(jiān)測技術，對于有效管理管道腐蝕、保障管道安全運行、促進經(jīng)濟發(fā)展，以及保護環(huán)境與生態(tài)等，均具有戰(zhàn)略意義。

2 北美地區(qū)相關經(jīng)驗

目前北美地區(qū)長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(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。

美國的長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。兩國均實行在政府宏觀監(jiān)管下的管道公 司主體責任制，政府負責制定法律、規(guī)章，專業(yè)協(xié)會發(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(jiān)測、完整性管理、技術開發(fā)等。與長輸管道不同，油氣田集輸管道則由當?shù)厥?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(nèi)所有油氣田管道均由該省能源廳 (Alberta Energy Regulator， AER) 管理。與長輸管道相同的是，政府部門只負責宏觀規(guī)范，很少管理技術細節(jié)。

北美油氣管道的腐蝕防護與管理，通常都遵循專業(yè)協(xié)會制定的相關行業(yè)標準進行。相關協(xié)會主要包括美國腐蝕工程師協(xié)會(National Associationof Corrosion Engineers， NACE)、美國石油協(xié)會(American Petroleum Institute， API)、加拿大標準協(xié)會(Canadian Standards Association， CSA)等。此外，石油與管道公司聯(lián)盟組織也會根據(jù)自身的經(jīng)驗發(fā)布規(guī)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(Pipeline Research CouncilInternational， PRCI)、加拿大能源管道協(xié)會(CanadianEnergy Pipeline Association， CEPA)、加拿大石油生產(chǎn)者協(xié)會(Canadian Association of Petroleum Producers，CAPP)等。

技術進步與人員培訓是美、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）根據(jù)自身的實際需求而確定的，研究課題發(fā)布后，大學、研究所、設計與服務公司都可以申請參與，研究項目的進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進行規(guī)范的。這種以工業(yè)需求為導向的工程研究體制，使得加拿大大學的工科教育與工程研究具有極強的針對性，大學教授除具有相關專業(yè)知識和研究經(jīng)驗外，通常都具備豐富的工程實踐經(jīng)驗，了解研究背景和現(xiàn)場狀況。因此，在管道工程包括管道腐蝕與防護研究領域，美、加兩國的教授人數(shù)雖然比國內(nèi)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)余時間到大學進修、攻讀學位(通常是兼職的工程碩士學位)，學費一般由公司支付。大學所開設的課程通常是在與公司充分討論后確定的，以保證這些兼職學生根據(jù)實際需求，選修所學課程。為培養(yǎng)管道工程技術人員的綜合素質(zhì)，他們都會被要求選修經(jīng)濟學、項目管理、社會學等課程。

美、加兩國的管道公司一般不設研究院或研究所。同時，國外實行的是工作崗位與學位相匹配的雇傭制度，因此，公司里具有博士學位的職員很少，那些具有本科學歷的工程師的業(yè)務水平通常都很高，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年代之后進入了蓬勃發(fā)展時期，管道建設速度居于世界領先地位，取得了舉世矚目的成就。為進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改善空間。

（1）人員。中國石油系統(tǒng)與管道公司均設有數(shù)量眾多的研究院、設計院，具有博士學位的員工數(shù)目遠遠超過國外同類型公司，因此，就專業(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(jù)觀察和交流發(fā)現(xiàn)，中國的高學歷員工與國外同行相比，普遍缺乏引領技術創(chuàng)新的能力，對實際工況和存在問題的了解以及解決實際問題的能力不足，同時又基本不進行管道工程科學的基礎研究，從而使得這些人員沒有發(fā)揮出應有的作用。而大量的具有本科學歷的工程技術人員，則普遍存在著專業(yè)知識過于狹窄、片面的問題。管道工程是一門交叉學科，國外管道公司的工程師與技術員在大學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(jié)構工程、大化學工程等學科背景，他們在進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際問題時，具有基本的了解和判斷能力，并且能夠迅速制定 解決問題的方案。更令人印象深刻的是，這些工程技術人員在得到管理層批準后，大都能夠領導、組織起一支多方參與的團隊，在工程研究與技術開發(fā)方面取得相關成果。因此，努力改善、擴大管道工程技術人員的知識面，提高他們認識、判斷、解決實際問題的能力以及組織領導力，加強技術人員與現(xiàn)場實際的結(jié)合，對于中國管道工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展至關重要。

（2）技術。在過去數(shù)十年間，中國管道工業(yè)發(fā)展迅猛。然而，過快地發(fā)展使得許多管道項目在工程問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，但在實際服役中存在如焊縫區(qū)失效、管—土交互作用、應變老化、氫致開裂、應力腐蝕開裂、缺陷評估與失效預測模型等，是國際性的技術難題，這些問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，正是由于上述問題沒有解決，最終都分別換成了低強鋼。另一方面，就技術創(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際需求脫節(jié)，而且能夠使得大學研究被工業(yè)界認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計院可以采取企業(yè)自主運行機制，以解決實際工程問題為依托，發(fā)展最符合管道工業(yè)界需求的新技術，起到引領技術創(chuàng)新的作用，與大學的工程基礎研究齊頭并進，而又各有分工。

（3）管理。當前，國際管道領域最新的控制、檢測、監(jiān)測等技術，中國的管道工業(yè)均已采用；國際通用的行業(yè)標準，國內(nèi)也已經(jīng)采納運用。這些技術能否發(fā)揮最大程度的功效，這些標準能否被切實地執(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，每一個管道公司都會根據(jù)自己的實際狀況，發(fā)展出獨特的管道完整性管理系統(tǒng)。對于管道腐蝕而言，從歷史數(shù)據(jù)和資料的收集、在線檢測、數(shù)據(jù)分析、安全評估、壽命預測等，每一個環(huán)節(jié)的執(zhí)行都是建立在上一個環(huán)節(jié)確保完成、可靠無誤的基礎上的。這種管理制度或許會顯得“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)約時間而試圖擱置上一環(huán)節(jié)直接進入下一環(huán)節(jié)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，歐盟科學院院士、國際腐蝕協(xié)會會士、管道工程領域加拿大首席科學家、教育部長江學者講座教授、卡爾加里大學終身教授，油氣田及管道腐蝕科學與安全工程領域國際著名科學家。

1990年本科畢業(yè)于湖南大學， 1993年碩士畢業(yè)于中國科學院金屬研究所， 1996年赴加拿大阿爾伯塔大學留學，1999年獲博士學位， 2000～2002年為加拿大自然科學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、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《管道應力腐蝕開裂》一書獲中國石油科技圖書專項資助發(fā)行中譯本），發(fā)表學術期刊論文210篇，論文引用超過7 760次， H-因子 57。 2016年1月于Nature發(fā)表關于管道安全的評論文章。榮獲眾多國際重要獎項和學術榮譽，包括加拿大杰出材料科學家獎、加拿大重大工程科學論文獎、加拿大冶金與材料協(xié)會金屬化學獎、國際腐蝕協(xié)會尤利格獎、中國腐蝕與防護學會師昌緒獎、中國國家留學基金委優(yōu)秀海外留學博士生導師、卡爾加里大學工程研究成就獎等。

目前擔任加拿大機械工程協(xié)會董事會董事兼材料技術委員會主席、國際腐蝕協(xié)會“管道涂層與陰極保護兼容性標準”工作組主席、中國科學院海外評審專家、《加拿大機械工程協(xié)會會刊》副主編等。曾擔任美國科學院石油管道委員會委員、國際腐蝕協(xié)會“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、華中科技大學學科評審專家、中國科學院海洋研究所評估診斷專家、加拿大腐蝕基金會董事、加拿大基金委核能材料腐蝕失效特聘教授評委會主席、加拿大石油管道規(guī)劃委員會委員等。聯(lián)合國教科文組織“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”定義為一門工程學科，并積極推進該學科在大學的本科和研究生教育。