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从北美地区相关经验教训看中国管道工业未来改善空间

来源:《管道保护》杂志 作者:程玉峰 时间:2019-7-12 阅读:

程玉峰

加拿大卡尔加里大学


1 管道腐蚀防护的重要性

管道是目前油气运输最安全、最经济的方式,对于国民经济发展和造福社会民生起着不可替代的作用。近年来,管道建设受到了人们普遍关注,主要原因在于,管道失效常常会造成环境和生态破坏、能源损失,甚至人身伤亡。 2010年7月25日,加拿大Enbridge管道公司的原油管线在美国密歇根州一处湿地发生泄漏,原油泄漏量约3 193 m3,成为历史上美国境内最大的原油泄漏事件。该事故导致周边社区数百人紧急就医,环境受到严重污染。美国国家运输安全委员会(National Transportation Safety Board,NTSB)开展了近两年的详细调查,确认管道在失效涂层处发生外腐蚀与应力腐蚀开裂,导致管道破裂。据美国运输部(Department of Transportation,DOT)管道和危险物品安全管理局(Pipeline andHazardous Materials Safety Administration, PHMSA)统计, 2002年至2013年间,在导致管道失效的多种因素中,腐蚀占比为32.1%。加拿大运输安全委员会(Transportation Safety Board of Canada)统计也表明,从1990年至2018年,加拿大长输油气管道发生的事故中,腐蚀与应力腐蚀开裂导致的事故占34%。因此,腐蚀是导致北美地区长输油气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,设计、设备和焊接缺陷等属于固有因素,第三方损坏、误操作、环境因素等是与时间无关的因素,但腐蚀的发生、发展与管道服役时间密切相关。这意味着油气管道一旦投入运行,便面临腐蚀问题,且腐蚀会随着运行时间的增加而加剧。在北美,大规模的管道建设始于第二次世界大战后,高达70%以上的管道属于始建于1970年代或以前的“老”管道。在长期服役过程中,管道外防腐涂层的失效、阴极保护电流的屏蔽、土壤环境导致管线钢的腐蚀、应力腐蚀裂纹的引发与扩展、杂散电流干扰、管壁减薄与管线钢局部缺陷的产生、微生物腐蚀以及沉积物下管道内腐蚀等,都会降低管道结构完整性,缩短管道的使用寿命,使管道的安全运行面临较高风险。因此,研究管道腐蚀的发生发展规律与影响因素,发展精确可靠的腐蚀预测、防护与检/监测技术,对于有效管理管道腐蚀、保障管道安全运行、促进经济发展,以及保护环境与生态等,均具有战略意义。


2 北美地区相关经验

目前北美地区长输油气管道外腐蚀防护主要采用外防腐涂层为主、外加电流阴极保护为辅的二元保护系统,目前“老”管道的涂层主要包括沥青涂层、聚乙烯胶带以及其他聚乙烯类涂层,而1980年代以后新建管道主要采用环氧粉末涂层。内腐蚀则主要依靠严控油/气质量,并定期清管,以消除内腐蚀环境为主。

美国的长输管道运行管理由国家运输部 (DOT)负责,加拿大则由国家能源部(National Energy Board,NEB)管理。两国均实行在政府宏观监管下的管道公 司主体责任制,政府负责制定法律、规章,专业协会发布行业标准,管道公司直接负责管道运行、维护、维修、检/监测、完整性管理、技术开发等。与长输管道不同,油气田集输管道则由当地省(州)政府管理,这是因为两国的能源资源属于所在地省份所有。例如,加拿大阿尔伯塔省内所有油气田管道均由该省能源厅 (Alberta Energy Regulator, AER) 管理。与长输管道相同的是,政府部门只负责宏观规范,很少管理技术细节。

北美油气管道的腐蚀防护与管理,通常都遵循专业协会制定的相关行业标准进行。相关协会主要包括美国腐蚀工程师协会(National Associationof Corrosion Engineers, NACE)、美国石油协会(American Petroleum Institute, API)、加拿大标准协会(Canadian Standards Association, CSA)等。此外,石油与管道公司联盟组织也会根据自身的经验发布规章与建议,指导管道运行与腐蚀防护,这些组织主要有国际管道研究协会(Pipeline Research CouncilInternational, PRCI)、加拿大能源管道协会(CanadianEnergy Pipeline Association, CEPA)、加拿大石油生产者协会(Canadian Association of Petroleum Producers,CAPP)等。

技术进步与人员培训是美、加两国管道公司加强管道安全与完整性管理的重要途径。以加拿大为例,与油气管道相关的研究方向与课题,包括腐蚀研究,通常是由工业界(即管道公司与管道工业协会)根据自身的实际需求而确定的,研究课题发布后,大学、研究所、设计与服务公司都可以申请参与,研究项目的进展与成果鉴定是由以工程师为主体组成的项目管理委员会进行规范的。这种以工业需求为导向的工程研究体制,使得加拿大大学的工科教育与工程研究具有极强的针对性,大学教授除具有相关专业知识和研究经验外,通常都具备丰富的工程实践经验,了解研究背景和现场状况。因此,在管道工程包括管道腐蚀与防护研究领域,美、加两国的教授人数虽然比国内少得多,但成果却极其丰富,并且在工业界的认可度非常高。

由工业界主导管道工程研究的状况也反映在工程教育方面。为提高职员的知识水平,管道公司鼓励职工利用业余时间到大学进修、攻读学位(通常是兼职的工程硕士学位),学费一般由公司支付。大学所开设的课程通常是在与公司充分讨论后确定的,以保证这些兼职学生根据实际需求,选修所学课程。为培养管道工程技术人员的综合素质,他们都会被要求选修经济学、项目管理、社会学等课程。

美、加两国的管道公司一般不设研究院或研究所。同时,国外实行的是工作岗位与学位相匹配的雇佣制度,因此,公司里具有博士学位的职员很少,那些具有本科学历的工程师的业务水平通常都很高,而且他们普遍具有管理能力和团队精神,这就是由于上述的工程研究与教育体制所决定的。

3 建议

中国的管道工业在20世纪80年代之后进入了蓬勃发展时期,管道建设速度居于世界领先地位,取得了举世瞩目的成就。为进一步有效控制和管理管道失效,保障油气安全、可靠运输,在如下三方面还存在着改善空间。

(1)人员。中国石油系统与管道公司均设有数量众多的研究院、设计院,具有博士学位的员工数目远远超过国外同类型公司,因此,就专业知识储备而言,中国管道从业人员的整体素质是比较高的。然而,据观察和交流发现,中国的高学历员工与国外同行相比,普遍缺乏引领技术创新的能力,对实际工况和存在问题的了解以及解决实际问题的能力不足,同时又基本不进行管道工程科学的基础研究,从而使得这些人员没有发挥出应有的作用。而大量的具有本科学历的工程技术人员,则普遍存在着专业知识过于狭窄、片面的问题。管道工程是一门交叉学科,国外管道公司的工程师与技术员在大学里受到的是所谓通识教育,普遍具有大机械工程、大电子工程、大结构工程、大化学工程等学科背景,他们在进入公司接受半年到一年的轮训之后,就基本具备了管道工程所涉及到的方方面面的知识,使得他们在把握各种实际问题时,具有基本的了解和判断能力,并且能够迅速制定 解决问题的方案。更令人印象深刻的是,这些工程技术人员在得到管理层批准后,大都能够领导、组织起一支多方参与的团队,在工程研究与技术开发方面取得相关成果。因此,努力改善、扩大管道工程技术人员的知识面,提高他们认识、判断、解决实际问题的能力以及组织领导力,加强技术人员与现场实际的结合,对于中国管道工业的可持续性发展至关重要。

(2)技术。在过去数十年间,中国管道工业发展迅猛。然而,过快地发展使得许多管道项目在工程问题得到全面妥善解决之前就匆匆上马。例如,目前中国高强钢管道的总里程位居世界第一,但在实际服役中存在如焊缝区失效、管—土交互作用、应变老化、氢致开裂、应力腐蚀开裂、缺陷评估与失效预测模型等,是国际性的技术难题,这些问题的存在使得新建高强钢管道产生巨大的安全隐患。在美、加两国, 20多年前就倡议建设若干高强钢油气管道项目,正是由于上述问题没有解决,最终都分别换成了低强钢。另一方面,就技术创新而言,美加两国的工业界主导工程研究方向的机制,非常值得中国高校与研究机构借鉴,这样不仅可避免研究成果与实际需求脱节,而且能够使得大学研究被工业界认可从而保障研究的可持续性。而石油管道公司研究院与设计院可以采取企业自主运行机制,以解决实际工程问题为依托,发展最符合管道工业界需求的新技术,起到引领技术创新的作用,与大学的工程基础研究齐头并进,而又各有分工。

(3)管理。当前,国际管道领域最新的控制、检测、监测等技术,中国的管道工业均已采用;国际通用的行业标准,国内也已经采纳运用。这些技术能否发挥最大程度的功效,这些标准能否被切实地执行,很大程度取决于一套成熟的管理制度。以加拿大管道工业为例,每一个管道公司都会根据自己的实际状况,发展出独特的管道完整性管理系统。对于管道腐蚀而言,从历史数据和资料的收集、在线检测、数据分析、安全评估、寿命预测等,每一个环节的执行都是建立在上一个环节确保完成、可靠无误的基础上的。这种管理制度或许会显得“效率低”“办事慢”,但它能最大程度地确保管道系统的安全与可靠。在加拿大的管道公司里,为了节约时间而试图搁置上一环节直接进入下一环节的行为,是绝对不被容许的。完善的管理制度是确保管道高效、安全运行的决定性基础。

 

作者:程玉峰,欧盟科学院院士、国际腐蚀协会会士、管道工程领域加拿大首席科学家、教育部长江学者讲座教授、卡尔加里大学终身教授,油气田及管道腐蚀科学与安全工程领域国际著名科学家。

1990年本科毕业于湖南大学, 1993年硕士毕业于中国科学院金属研究所, 1996年赴加拿大阿尔伯塔大学留学,1999年获博士学位, 2000~2002年为加拿大自然科学与工程研究中心博士后。目前主要从事油气田与管道腐蚀科学、装备服役失效、完整性管理与安全工程研究。

出版英文专著两部(其中《管道应力腐蚀开裂》一书获中国石油科技图书专项资助发行中译本),发表学术期刊论文210篇,论文引用超过7 760次, H-因子 57。 2016年1月于Nature发表关于管道安全的评论文章。荣获众多国际重要奖项和学术荣誉,包括加拿大杰出材料科学家奖、加拿大重大工程科学论文奖、加拿大冶金与材料协会金属化学奖、国际腐蚀协会尤利格奖、中国腐蚀与防护学会师昌绪奖、中国国家留学基金委优秀海外留学博士生导师、卡尔加里大学工程研究成就奖等。

目前担任加拿大机械工程协会董事会董事兼材料技术委员会主席、国际腐蚀协会“管道涂层与阴极保护兼容性标准”工作组主席、中国科学院海外评审专家、《加拿大机械工程协会会刊》副主编等。曾担任美国科学院石油管道委员会委员、国际腐蚀协会“年度世界最重要腐蚀案例分析”专家组专家、“世界腐蚀状况调查”加拿大地区主席、华中科技大学学科评审专家、中国科学院海洋研究所评估诊断专家、加拿大腐蚀基金会董事、加拿大基金委核能材料腐蚀失效特聘教授评委会主席、加拿大石油管道规划委员会委员等。联合国教科文组织“管道工程”百科全书主编,主持编撰了世界第一部关于油气管道的百科全书,首次将“管道工程”定义为一门工程学科,并积极推进该学科在大学的本科和研究生教育。

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