张圣柱1,2 程玉峰1

1.加拿大卡尔加里大学机械工程系； 2.中国安全生产科学研究院危险化学品安全技术研究所

管道是油气运输最有效、最经济和最安全的方式。从世界范围来看，油气管道的建设及运行已历经一个世纪有余。管道工业对于国民经济、社会就业、能源供给等起着至关重要的作用，这一态势在亚太、欧洲、北美等地区尤其明显。另一方面，每一次管道失效而导致的油气泄漏甚至人身伤亡事件，都会引发社会大众对管道影响环境、生态、气候与社区安全的疑虑，关于油气管道发展可持续性的讨论从未间断。

管道发展的可持续性问题涵盖的内容十分广泛，除了管道设计、施工、运行、维护、检/监测、安全评估、失效预测、应急响应、后果分析等主题外，还涉及到经济发展、环境与生态保护、社会影响等多个方面，本文力图从这些方面入手，分析、探讨管道工业发展的可持续性。

1 管道经济学

分析表明，相同距离通过管道运输1桶石油的平均运费为5美元，而用火车和公路货运的方式分别为10～15美元和20美元。换个角度来看，当花费1美元输送1吨原油时，公路货车只能运送30公里，火车与轮船分别可以运送72公里和322公里，而管道则能输送383公里。此外，管道能够不间断地将石油、天然气及石化产品从油气田或炼化工厂送达消费者；具有最低的单位容积失效率（例如，加拿大2017年石油与天然气的泄漏量分别仅占总输送量的0.000 004 % 和0.000 049 %）；运送的油气以及相关产品在运输过程中不会受到污染而影响其质量；管道运输不受气候、路况等外部条件的影响。在加拿大，每天有超过380万桶原油和440万立方米天然气通过管道运往各地，如果这些资源不使用管道运输而改用货运，大量车辆每天行驶在高速公路上，势必造成公共安全、路况、噪音以及气体排放等多方面负面影响。由此可见管道运输优势。

同时，管道工业本身对国民经济的发展做出了重要贡献。据统计，加拿大管道工业直接雇佣的全职专业工作人员超过34 000名，每年净收入约30亿加元。2015―2016年美国管道建设及运行为国民生产总值（GDP）贡献了470亿美元。管道数量的不足以及由此导致的油气运输能力的限制也会显著影响国家的经济发展。近十年来，加拿大的管道建设由于种种原因进展缓慢，数条关乎国民经济发展的管道项目或被推迟、或被否决。在2013―2017年间，由于管道运输能力不足而导致加拿大油气工业（不包括管道工业）207亿加元的收入损失（扣除运输成本之后）。据估计，由于管道运输能力的限制，加拿大油气工业2018年的总收入减少158亿加元，许多专业人员还因此失业。

2 管道与环境

管道建设与运行对环境的影响程度取决于多种因素，包括运输的介质、运行压力、管道路径选择、管道周围环境（如河流、水源、植被）等。一般来说，液体物质（例如原油、成品油等）泄漏对环境的危害比天然气的泄漏更加严重，石油中的有害、有毒组分能够长期污染环境。微小泄漏的危害也不容轻视，由于微小泄漏不会产生明显的压力与流量变化，当人们发现这些泄漏时，可能已经有相当容量的石油进入到环境中了。据加拿大能源部分析， 1992―2011年间， 长输管道由于微小泄漏而流失到土壤、河水中的石油体积超过3 000立方米。有些管道毗邻或穿过环境保护区，即使发生小容量的石油泄漏也将造成严重后果，环境恢复将非常缓慢。

（1）土壤。当石油泄漏进入土壤时，土壤结构与颗粒的分散性将受到破坏，使得土壤的水渗透性降低。石油中的基团与土壤中无机氮、磷等反应，使得土壤中的氮、磷含量降低，土壤氮化能力被破坏。石油中的多环芳烃的危害性更大，他们在通过食物链被动物、植物吸收后会导致癌变，甚至基因突变。

（2）水体。石油泄漏进入水体后造成的环境损害比土壤污染更为严重。石油在水的表面形成一层厚度不一的油膜，降低水中的溶解氧含量，从而影响水体的自净化能力，使得水质变差，有异味产生。油膜或油滴也能够附着在水中的固体颗粒或水生物表面，迅速在水面扩展，或者渗透到水体深处。随着污染范围的扩大，水体的生态环境遭到破坏。水污染能够直接导致水生动物死亡，渔业减产。另一方面，水中的石油污染物可通过水生动物的呼吸、饲养过程进入体内，一旦人类吃了受到石油污染的水产品后，人体的健康与生命安全将受到极大威胁。

（3）空气。管道泄漏发生后，天然气或石油产品产生的气体挥发物会扩散到周围空气中，这些有害气体在太阳的紫外线辐射下发生物理或化学反应，一旦燃烧还会产生含有化学组分的烟雾或致癌物质，引起温室效应，破坏臭氧层。甲烷是天然气的主要成分，其导致的温室效应比二氧化碳大的多，是一种更强的温室气体。除了管道泄漏，油气燃烧用来驱动泵站产生排放，其中二氧化碳和甲烷是温室气体，氮氧化合物和二氧化硫能够导致酸雨，多环芳烃和有机碳化物可以参与空气的光化学反应而导致盐雾和雾霾。

3 管道与生态

（1）地表扰动。当管道建设时，植被清理以及施工过程中的设备存储空间与道路建设等都会造成地表扰动。车辆行驶会破坏植被，导致土壤结构改变（被压实）。一块土地恢复到其先前状态所需的时间长短取决于多种因素，包括土地扰动方式、设备运输方法、道路修筑时间以及土壤性质等。有时，管道设施可能会在使用数十年后才开始实施土地恢复措施；有时，在特定区域进行的勘探和建设活动会反复进行，从而使得土地遭受累积性影响，这样造成的地面扰动效应特别大，而完全恢复到初始状态的难度相应增大，所需时间也显著增加。

（2）野生生物。管道的建设和运行会影响野生生物的活动，导致施工区域及其周边生物物种减少。泵站发动机的运行和管道排污操作产生的噪音会干扰野生生物，道路建设可能破坏野生动物栖息地。此外，油气管道的泄漏会导致生物种群的减少。对于海洋或河流穿越油气管道而言，近海施工（如挖沟）会破坏水生环境，导致沉积物向下游流动而造成进一步的沉积现象。在溪流或河床的底部挖沟时，鱼类的栖息地也将受到影响。

（3）植被。油气管道建设势必会破坏周边区域的植被与地貌。由于土地所有权归属、环境与生态保护、能源运输效率以及施工便利等情况，油气管道与高压电网往往会共用一条所谓的“能源通道”，在通道建设时，地表植被均被移除，而且，根部很深的树木在周围较大的区域不能生长（树木根部会干扰管道，引起安全隐患）。植被生长、恢复的速度受到许多因素的影响，通常是一个相当漫长的过程。

（4）土壤流失。在管道建设区域的地表植被被移除后，土壤直接暴露于空气环境，在雨水、冰雪以及大风影响下，会发生严重的土壤流失。流失的土壤往往会在河流、湖泊与小溪处沉积下来，导致淤积，大面积的植被移除区域还可能会发生泥石流。另外，管道建设将会使土壤的密度增加，氧和水在土壤中的扩散更加困难，降低土壤深层的氧浓度和湿度。

4 管道与社区

当管道经过城市、乡镇时，社区居民通常都会产生安全方面的顾虑。因为油气管道一旦失效，除了造成上述经济损失、环境与生态破坏以外，对社区居民的影响也是非常严重的。 2010年9月9日，美国一条跨州天然气管道在加州San Bruno市一个社区附近发生开裂，释放出135万立方米天然气，而后遇火发生燃 爆，导致8人死亡， 58人受伤，并摧毁38间、损坏70间房屋，造成整个社区大疏散。同年7月25日，一条原油管道在密歇根州Marshall市失效， 320万升原油泄漏，成为美国历史上最严重的陆地管道泄漏事件。漏出的原油浸泡了周围的湿地公园，流进了Talmadge溪和Kalamazoo 河， 56公里长的Kalamazoo 河全部被封闭， 50户居民被疏散，数百人长时间不能使用当地水源。较重的沥青和蜡质化合物沉入河床，使得清理工作变得极其困难，全部清理工作花了五年时间才结束。

5 管道发展的可持续性

在过去二十年中，为应对全球气候变化和环境保护的需要，以风能、核能、水力和再生能源为代表的“绿能”的使用逐年增加。然而，多方机构的统计均表明，全世界每年石油、天然气和燃煤等化石燃料的使用占比都在85 %左右。在可预见的未来，化石能源（尤其是天然气），仍将主导全球能源使用市场。因此，管道在能源运输和经济发展中的作用将越来越重要。

管道建设与运行本身会对环境、生态产生影响，这种影响存在于管道运行全生命周期的每一个阶段。同时，管道在服役过程中由于多种因素会发生失效，因此，建立完善的油气管道全生命周期管理系统与完整性管理系统，实现二者的融合协调作业，将为管道的安全可持续性发展奠定坚实基础。由于管道完整性管理已在国内外得到广泛研究与应用，本文重点介绍管道全生命周期管理系统。

油气管道的全生命周期包括计划、设计、建造、运行和废弃五个阶段。

（1）计划。是管道全生命周期的第一阶段，主要进行路径选择。从环境和生态保护的角度看，必须对管道经过或邻近的地区进行充分了解。在不可能绕道的情况下，需要在计划阶段就制定如何恢复由于管道建设而受到影响的环境和生态，施工程序遵守相关法令和规定，利用已经存在的能源通道铺设新的管道，将管道建设给环境、生态、社区带来的风险列为路径选择设计时优先考虑的因素，尽量避免穿过甚至接近敏感、被保护的地区。

（2）设计。这一阶段所有影响环境、生态、社区安全以及管道完整性的因素都需要充分考虑。所选择的管线钢材料以及防腐技术必须与管道运行参数和环境条件相适应，管道系统采用的泵、压缩机、阀门等设备必须符合管线运行的要求，在地质活跃地区采取降低土壤运动对管道影响的措施，设置有利于野生动物活动和迁移的通道和护栏，采用最新的自动运行控制系统进行工艺状况参数在线采集和泄漏监测等。

（3）建造。管道施工对环境和生态影响最为严重，应该尽量采用破坏性小、影响低的施工技术。可以沿用已有的公路或临时路径，或修建临时公路，但避免建成永久性公路。在穿越河流时，非开挖的水平定向穿越技术可以有效降低环境影响。在野生动物出没的地区，修建有利于动物活动与迁移的设施。在管道建成之后，应该尽快将地貌和环境恢复原状。国外（例如加拿大）推荐的一些施工经验包括：尽量在冬季施工，此时路面冰冻，不需要修路；尽可能减小管道施工活动的面积和影响的范围；避免在野生动物迁移和繁殖期进行施工等。

（4）运行。是管道全生命周期中最长的阶段，通常会持续几十年。各种在线监测技术不仅提供管道服役状况信息，而且有利于确定管道对环境和生态的影响，包括周期性在线内检测、自动控制系统、泄漏检测系统、应急响应系统等。此外，人工并结合直升机与无人机巡航，能够有效发现并防止第三方损坏与偷窃行为。在地质不稳定地区（如山区、近北极地区等）建立土壤运动检测系统和气候预报系统，防止自然灾害对管道的影响。

（5）废弃。管道废弃是保障环境和生态完整性的重要阶段。在管道服役期结束时，管道内必须得到充分清洗，为防止废弃管道塌陷，有些用混凝土进行填充。目前，加拿大管道工业界正与卡尔加里大学合作，开展废弃管道的研发，如研究长期腐蚀生长速率定量预测模型；建立废弃管道在土壤应力、地表载荷与腐蚀的协同作用下，管道结构完整性破坏预测模型；废弃管道在局部或大面积坍塌情况下土壤沉降预测模型等，提供可靠的废弃管道所导致的风险预测技术。

作者：张圣柱，中国安全生产科学研究院高级工程师，加拿大卡尔加里大学访问学者。主要从事油气管道失效风险评估、后果分析与管道安全区域界定等方面研究。程玉峰，欧盟科学院院士，管道工程领域加拿大首席科学家，加拿大杰出材料科学家，卡尔加里大学终身教授。主要从事油气田与管道腐蚀防护，油气管道安全评估、失效预测与完整性管理研究。