張圣柱1,2 程玉峰1

1.加拿大卡爾加里大學(xué)機(jī)械工程系； 2.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院危險(xiǎn)化學(xué)品安全技術(shù)研究所

管道是油氣運(yùn)輸最有效、最經(jīng)濟(jì)和最安全的方式。從世界范圍來看，油氣管道的建設(shè)及運(yùn)行已歷經(jīng)一個(gè)世紀(jì)有余。管道工業(yè)對(duì)于國民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)就業(yè)、能源供給等起著至關(guān)重要的作用，這一態(tài)勢在亞太、歐洲、北美等地區(qū)尤其明顯。另一方面，每一次管道失效而導(dǎo)致的油氣泄漏甚至人身傷亡事件，都會(huì)引發(fā)社會(huì)大眾對(duì)管道影響環(huán)境、生態(tài)、氣候與社區(qū)安全的疑慮，關(guān)于油氣管道發(fā)展可持續(xù)性的討論從未間斷。

管道發(fā)展的可持續(xù)性問題涵蓋的內(nèi)容十分廣泛，除了管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)、檢/監(jiān)測、安全評(píng)估、失效預(yù)測、應(yīng)急響應(yīng)、后果分析等主題外，還涉及到經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境與生態(tài)保護(hù)、社會(huì)影響等多個(gè)方面，本文力圖從這些方面入手，分析、探討管道工業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性。

1 管道經(jīng)濟(jì)學(xué)

分析表明，相同距離通過管道運(yùn)輸1桶石油的平均運(yùn)費(fèi)為5美元，而用火車和公路貨運(yùn)的方式分別為10～15美元和20美元。換個(gè)角度來看，當(dāng)花費(fèi)1美元輸送1噸原油時(shí)，公路貨車只能運(yùn)送30公里，火車與輪船分別可以運(yùn)送72公里和322公里，而管道則能輸送383公里。此外，管道能夠不間斷地將石油、天然氣及石化產(chǎn)品從油氣田或煉化工廠送達(dá)消費(fèi)者；具有最低的單位容積失效率（例如，加拿大2017年石油與天然氣的泄漏量分別僅占總輸送量的0.000 004 % 和0.000 049 %）；運(yùn)送的油氣以及相關(guān)產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中不會(huì)受到污染而影響其質(zhì)量；管道運(yùn)輸不受氣候、路況等外部條件的影響。在加拿大，每天有超過380萬桶原油和440萬立方米天然氣通過管道運(yùn)往各地，如果這些資源不使用管道運(yùn)輸而改用貨運(yùn)，大量車輛每天行駛在高速公路上，勢必造成公共安全、路況、噪音以及氣體排放等多方面負(fù)面影響。由此可見管道運(yùn)輸優(yōu)勢。

同時(shí)，管道工業(yè)本身對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，加拿大管道工業(yè)直接雇傭的全職專業(yè)工作人員超過34 000名，每年凈收入約30億加元。2015―2016年美國管道建設(shè)及運(yùn)行為國民生產(chǎn)總值（GDP）貢獻(xiàn)了470億美元。管道數(shù)量的不足以及由此導(dǎo)致的油氣運(yùn)輸能力的限制也會(huì)顯著影響國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。近十年來，加拿大的管道建設(shè)由于種種原因進(jìn)展緩慢，數(shù)條關(guān)乎國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的管道項(xiàng)目或被推遲、或被否決。在2013―2017年間，由于管道運(yùn)輸能力不足而導(dǎo)致加拿大油氣工業(yè)（不包括管道工業(yè)）207億加元的收入損失（扣除運(yùn)輸成本之后）。據(jù)估計(jì)，由于管道運(yùn)輸能力的限制，加拿大油氣工業(yè)2018年的總收入減少158億加元，許多專業(yè)人員還因此失業(yè)。

2 管道與環(huán)境

管道建設(shè)與運(yùn)行對(duì)環(huán)境的影響程度取決于多種因素，包括運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)、運(yùn)行壓力、管道路徑選擇、管道周圍環(huán)境（如河流、水源、植被）等。一般來說，液體物質(zhì)（例如原油、成品油等）泄漏對(duì)環(huán)境的危害比天然氣的泄漏更加嚴(yán)重，石油中的有害、有毒組分能夠長期污染環(huán)境。微小泄漏的危害也不容輕視，由于微小泄漏不會(huì)產(chǎn)生明顯的壓力與流量變化，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)這些泄漏時(shí)，可能已經(jīng)有相當(dāng)容量的石油進(jìn)入到環(huán)境中了。據(jù)加拿大能源部分析， 1992―2011年間， 長輸管道由于微小泄漏而流失到土壤、河水中的石油體積超過3 000立方米。有些管道毗鄰或穿過環(huán)境保護(hù)區(qū)，即使發(fā)生小容量的石油泄漏也將造成嚴(yán)重后果，環(huán)境恢復(fù)將非常緩慢。

（1）土壤。當(dāng)石油泄漏進(jìn)入土壤時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)與顆粒的分散性將受到破壞，使得土壤的水滲透性降低。石油中的基團(tuán)與土壤中無機(jī)氮、磷等反應(yīng)，使得土壤中的氮、磷含量降低，土壤氮化能力被破壞。石油中的多環(huán)芳烴的危害性更大，他們?cè)谕ㄟ^食物鏈被動(dòng)物、植物吸收后會(huì)導(dǎo)致癌變，甚至基因突變。

（2）水體。石油泄漏進(jìn)入水體后造成的環(huán)境損害比土壤污染更為嚴(yán)重。石油在水的表面形成一層厚度不一的油膜，降低水中的溶解氧含量，從而影響水體的自凈化能力，使得水質(zhì)變差，有異味產(chǎn)生。油膜或油滴也能夠附著在水中的固體顆�；蛩�生物表面，迅速在水面擴(kuò)展，或者滲透到水體深處。隨著污染范圍的擴(kuò)大，水體的生態(tài)環(huán)境遭到破壞。水污染能夠直接導(dǎo)致水生動(dòng)物死亡，漁業(yè)減產(chǎn)。另一方面，水中的石油污染物可通過水生動(dòng)物的呼吸、飼養(yǎng)過程進(jìn)入體內(nèi)，一旦人類吃了受到石油污染的水產(chǎn)品后，人體的健康與生命安全將受到極大威脅。

（3）空氣。管道泄漏發(fā)生后，天然氣或石油產(chǎn)品產(chǎn)生的氣體揮發(fā)物會(huì)擴(kuò)散到周圍空氣中，這些有害氣體在太陽的紫外線輻射下發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，一旦燃燒還會(huì)產(chǎn)生含有化學(xué)組分的煙霧或致癌物質(zhì)，引起溫室效應(yīng)，破壞臭氧層。甲烷是天然氣的主要成分，其導(dǎo)致的溫室效應(yīng)比二氧化碳大的多，是一種更強(qiáng)的溫室氣體。除了管道泄漏，油氣燃燒用來驅(qū)動(dòng)泵站產(chǎn)生排放，其中二氧化碳和甲烷是溫室氣體，氮氧化合物和二氧化硫能夠?qū)е滤嵊辏�多環(huán)芳烴和有機(jī)碳化物可以參與空氣的光化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致鹽霧和霧霾。

3 管道與生態(tài)

（1）地表擾動(dòng)。當(dāng)管道建設(shè)時(shí)，植被清理以及施工過程中的設(shè)備存儲(chǔ)空間與道路建設(shè)等都會(huì)造成地表擾動(dòng)。車輛行駛會(huì)破壞植被，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)改變（被壓實(shí)）。一塊土地恢復(fù)到其先前狀態(tài)所需的時(shí)間長短取決于多種因素，包括土地?cái)_動(dòng)方式、設(shè)備運(yùn)輸方法、道路修筑時(shí)間以及土壤性質(zhì)等。有時(shí)，管道設(shè)施可能會(huì)在使用數(shù)十年后才開始實(shí)施土地恢復(fù)措施；有時(shí)，在特定區(qū)域進(jìn)行的勘探和建設(shè)活動(dòng)會(huì)反復(fù)進(jìn)行，從而使得土地遭受累積性影響，這樣造成的地面擾動(dòng)效應(yīng)特別大，而完全恢復(fù)到初始狀態(tài)的難度相應(yīng)增大，所需時(shí)間也顯著增加。

（2）野生生物。管道的建設(shè)和運(yùn)行會(huì)影響野生生物的活動(dòng)，導(dǎo)致施工區(qū)域及其周邊生物物種減少。泵站發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行和管道排污操作產(chǎn)生的噪音會(huì)干擾野生生物，道路建設(shè)可能破壞野生動(dòng)物棲息地。此外，油氣管道的泄漏會(huì)導(dǎo)致生物種群的減少。對(duì)于海洋或河流穿越油氣管道而言，近海施工（如挖溝）會(huì)破壞水生環(huán)境，導(dǎo)致沉積物向下游流動(dòng)而造成進(jìn)一步的沉積現(xiàn)象。在溪流或河床的底部挖溝時(shí)，魚類的棲息地也將受到影響。

（3）植被。油氣管道建設(shè)勢必會(huì)破壞周邊區(qū)域的植被與地貌。由于土地所有權(quán)歸屬、環(huán)境與生態(tài)保護(hù)、能源運(yùn)輸效率以及施工便利等情況，油氣管道與高壓電網(wǎng)往往會(huì)共用一條所謂的“能源通道”，在通道建設(shè)時(shí)，地表植被均被移除，而且，根部很深的樹木在周圍較大的區(qū)域不能生長（樹木根部會(huì)干擾管道，引起安全隱患）。植被生長、恢復(fù)的速度受到許多因素的影響，通常是一個(gè)相當(dāng)漫長的過程。

（4）土壤流失。在管道建設(shè)區(qū)域的地表植被被移除后，土壤直接暴露于空氣環(huán)境，在雨水、冰雪以及大風(fēng)影響下，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的土壤流失。流失的土壤往往會(huì)在河流、湖泊與小溪處沉積下來，導(dǎo)致淤積，大面積的植被移除區(qū)域還可能會(huì)發(fā)生泥石流。另外，管道建設(shè)將會(huì)使土壤的密度增加，氧和水在土壤中的擴(kuò)散更加困難，降低土壤深層的氧濃度和濕度。

4 管道與社區(qū)

當(dāng)管道經(jīng)過城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)時(shí)，社區(qū)居民通常都會(huì)產(chǎn)生安全方面的顧慮。因?yàn)橛蜌夤艿酪坏┦�效，除了造成上述�?jīng)濟(jì)損失、環(huán)境與生態(tài)破壞以外，對(duì)社區(qū)居民的影響也是非常嚴(yán)重的。 2010年9月9日，美國一條跨州天然氣管道在加州San Bruno市一個(gè)社區(qū)附近發(fā)生開裂，釋放出135萬立方米天然氣，而后遇火發(fā)生燃 爆，導(dǎo)致8人死亡， 58人受傷，并摧毀38間、損壞70間房屋，造成整個(gè)社區(qū)大疏散。同年7月25日，一條原油管道在密歇根州Marshall市失效， 320萬升原油泄漏，成為美國歷史上最嚴(yán)重的陸地管道泄漏事件。漏出的原油浸泡了周圍的濕地公園，流進(jìn)了Talmadge溪和Kalamazoo 河， 56公里長的Kalamazoo 河全部被封閉， 50戶居民被疏散，數(shù)百人長時(shí)間不能使用當(dāng)?shù)厮�源。較重的瀝青和蠟質(zhì)化合物沉入河床，使得清理工作變得極其困難，全部清理工作花了五年時(shí)間才結(jié)束。

5 管道發(fā)展的可持續(xù)性

在過去二十年中，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化和環(huán)境保護(hù)的需要，以風(fēng)能、核能、水力和再生能源為代表的“綠能”的使用逐年增加。然而，多方機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)均表明，全世界每年石油、天然氣和燃煤等化石燃料的使用占比都在85 %左右。在可預(yù)見的未來，化石能源（尤其是天然氣），仍將主導(dǎo)全球能源使用市場。因此，管道在能源運(yùn)輸和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用將越來越重要。

管道建設(shè)與運(yùn)行本身會(huì)對(duì)環(huán)境、生態(tài)產(chǎn)生影響，這種影響存在于管道運(yùn)行全生命周期的每一個(gè)階段。同時(shí)，管道在服役過程中由于多種因素會(huì)發(fā)生失效，因此，建立完善的油氣管道全生命周期管理系統(tǒng)與完整性管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二者的融合協(xié)調(diào)作業(yè)，將為管道的安全可持續(xù)性發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。由于管道完整性管理已在國內(nèi)外得到廣泛研究與應(yīng)用，本文重點(diǎn)介紹管道全生命周期管理系統(tǒng)。

油氣管道的全生命周期包括計(jì)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行和廢棄五個(gè)階段。

（1）計(jì)劃。是管道全生命周期的第一階段，主要進(jìn)行路徑選擇。從環(huán)境和生態(tài)保護(hù)的角度看，必須對(duì)管道經(jīng)過或鄰近的地區(qū)進(jìn)行充分了解。在不可能繞道的情況下，需要在計(jì)劃階段就制定如何恢復(fù)由于管道建設(shè)而受到影響的環(huán)境和生態(tài)，施工程序遵守相關(guān)法令和規(guī)定，利用已經(jīng)存在的能源通道鋪設(shè)新的管道，將管道建設(shè)給環(huán)境、生態(tài)、社區(qū)帶來的風(fēng)險(xiǎn)列為路徑選擇設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮的因素，盡量避免穿過甚至接近敏感、被保護(hù)的地區(qū)。

（2）設(shè)計(jì)。這一階段所有影響環(huán)境、生態(tài)、社區(qū)安全以及管道完整性的因素都需要充分考慮。所選擇的管線鋼材料以及防腐技術(shù)必須與管道運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境條件相適應(yīng)，管道系統(tǒng)采用的泵、壓縮機(jī)、閥門等設(shè)備必須符合管線運(yùn)行的要求，在地質(zhì)活躍地區(qū)采取降低土壤運(yùn)動(dòng)對(duì)管道影響的措施，設(shè)置有利于野生動(dòng)物活動(dòng)和遷移的通道和護(hù)欄，采用最新的自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)進(jìn)行工藝狀況參數(shù)在線采集和泄漏監(jiān)測等。

（3）建造。管道施工對(duì)環(huán)境和生態(tài)影響最為嚴(yán)重，應(yīng)該盡量采用破壞性小、影響低的施工技術(shù)。可以沿用已有的公路或臨時(shí)路徑，或修建臨時(shí)公路，但避免建成永久性公路。在穿越河流時(shí)，非開挖的水平定向穿越技術(shù)可以有效降低環(huán)境影響。在野生動(dòng)物出沒的地區(qū)，修建有利于動(dòng)物活動(dòng)與遷移的設(shè)施。在管道建成之后，應(yīng)該盡快將地貌和環(huán)境恢復(fù)原狀。國外（例如加拿大）推薦的一些施工經(jīng)驗(yàn)包括：盡量在冬季施工，此時(shí)路面冰凍，不需要修路；盡可能減小管道施工活動(dòng)的面積和影響的范圍；避免在野生動(dòng)物遷移和繁殖期進(jìn)行施工等。

（4）運(yùn)行。是管道全生命周期中最長的階段，通常會(huì)持續(xù)幾十年。各種在線監(jiān)測技術(shù)不僅提供管道服役狀況信息，而且有利于確定管道對(duì)環(huán)境和生態(tài)的影響，包括周期性在線內(nèi)檢測、自動(dòng)控制系統(tǒng)、泄漏檢測系統(tǒng)、應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)等。此外，人工并結(jié)合直升機(jī)與無人機(jī)巡航，能夠有效發(fā)現(xiàn)并防止第三方損壞與偷竊行為。在地質(zhì)不穩(wěn)定地區(qū)（如山區(qū)、近北極地區(qū)等）建立土壤運(yùn)動(dòng)檢測系統(tǒng)和氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)，防止自然災(zāi)害對(duì)管道的影響。

（5）廢棄。管道廢棄是保障環(huán)境和生態(tài)完整性的重要階段。在管道服役期結(jié)束時(shí)，管道內(nèi)必須得到充分清洗，為防止廢棄管道塌陷，有些用混凝土進(jìn)行填充。目前，加拿大管道工業(yè)界正與卡爾加里大學(xué)合作，開展廢棄管道的研發(fā)，如研究長期腐蝕生長速率定量預(yù)測模型；建立廢棄管道在土壤應(yīng)力、地表載荷與腐蝕的協(xié)同作用下，管道結(jié)構(gòu)完整性破壞預(yù)測模型；廢棄管道在局部或大面積坍塌情況下土壤沉降預(yù)測模型等，提供可靠的廢棄管道所導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測技術(shù)。

作者：張圣柱，中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院高級(jí)工程師，加拿大卡爾加里大學(xué)訪問學(xué)者。主要從事油氣管道失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、后果分析與管道安全區(qū)域界定等方面研究。程玉峰，歐盟科學(xué)院院士，管道工程領(lǐng)域加拿大首席科學(xué)家，加拿大杰出材料科學(xué)家，卡爾加里大學(xué)終身教授。主要從事油氣田與管道腐蝕防護(hù)，油氣管道安全評(píng)估、失效預(yù)測與完整性管理研究。