張圣柱1,2 程玉峰1

1.加拿大卡爾加里大學機械工程系； 2.中國安全生產科學研究院危險化學品安全技術研究所

管道是油氣運輸最有效、最經濟和最安全的方式。從世界范圍來看，油氣管道的建設及運行已歷經一個世紀有余。管道工業對于國民經濟、社會就業、能源供給等起著至關重要的作用，這一態勢在亞太、歐洲、北美等地區尤其明顯。另一方面，每一次管道失效而導致的油氣泄漏甚至人身傷亡事件，都會引發社會大眾對管道影響環境、生態、氣候與社區安全的疑慮，關于油氣管道發展可持續性的討論從未間斷。

管道發展的可持續性問題涵蓋的內容十分廣泛，除了管道設計、施工、運行、維護、檢/監測、安全評估、失效預測、應急響應、后果分析等主題外，還涉及到經濟發展、環境與生態保護、社會影響等多個方面，本文力圖從這些方面入手，分析、探討管道工業發展的可持續性。

1 管道經濟學

分析表明，相同距離通過管道運輸1桶石油的平均運費為5美元，而用火車和公路貨運的方式分別為10～15美元和20美元。換個角度來看，當花費1美元輸送1噸原油時，公路貨車只能運送30公里，火車與輪船分別可以運送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、天然氣及石化產品從油氣田或煉化工廠送達消費者；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 %）；運送的油氣以及相關產品在運輸過程中不會受到污染而影響其質量；管道運輸不受氣候、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往各地，如果這些資源不使用管道運輸而改用貨運，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面影響。由此可見管道運輸優勢。

同時，管道工業本身對國民經濟的發展做出了重要貢獻。據統計，加拿大管道工業直接雇傭的全職專業工作人員超過34 000名，每年凈收入約30億加元。2015―2016年美國管道建設及運行為國民生產總值（GDP）貢獻了470億美元。管道數量的不足以及由此導致的油氣運輸能力的限制也會顯著影響國家的經濟發展。近十年來，加拿大的管道建設由于種種原因進展緩慢，數條關乎國民經濟發展的管道項目或被推遲、或被否決。在2013―2017年間，由于管道運輸能力不足而導致加拿大油氣工業（不包括管道工業）207億加元的收入損失（扣除運輸成本之后）。據估計，由于管道運輸能力的限制，加拿大油氣工業2018年的總收入減少158億加元，許多專業人員還因此失業。

2 管道與環境

管道建設與運行對環境的影響程度取決于多種因素，包括運輸的介質、運行壓力、管道路徑選擇、管道周圍環境（如河流、水源、植被）等。一般來說，液體物質（例如原油、成品油等）泄漏對環境的危害比天然氣的泄漏更加嚴重，石油中的有害、有毒組分能夠長期污染環境。微小泄漏的危害也不容輕視，由于微小泄漏不會產生明顯的壓力與流量變化，當人們發現這些泄漏時，可能已經有相當容量的石油進入到環境中了。據加拿大能源部分析， 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境保護區，即使發生小容量的石油泄漏也將造成嚴重后果，環境恢復將非常緩慢。

（1）土壤。當石油泄漏進入土壤時，土壤結構與顆粒的分散性將受到破壞，使得土壤的水滲透性降低。石油中的基團與土壤中無機氮、磷等反應，使得土壤中的氮、磷含量降低，土壤氮化能力被破壞。石油中的多環芳烴的危害性更大，他們在通過食物鏈被動物、植物吸收后會導致癌變，甚至基因突變。

（2）水體。石油泄漏進入水體后造成的環境損害比土壤污染更為嚴重。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，使得水質變差，有異味產生。油膜或油滴也能夠附著在水中的固體顆粒或水生物表面，迅速在水面擴展，或者滲透到水體深處。隨著污染范圍的擴大，水體的生態環境遭到破壞。水污染能夠直接導致水生動物死亡，漁業減產。另一方面，水中的石油污染物可通過水生動物的呼吸、飼養過程進入體內，一旦人類吃了受到石油污染的水產品后，人體的健康與生命安全將受到極大威脅。

（3）空氣。管道泄漏發生后，天然氣或石油產品產生的氣體揮發物會擴散到周圍空氣中，這些有害氣體在太陽的紫外線輻射下發生物理或化學反應，一旦燃燒還會產生含有化學組分的煙霧或致癌物質，引起溫室效應，破壞臭氧層。甲烷是天然氣的主要成分，其導致的溫室效應比二氧化碳大的多，是一種更強的溫室氣體。除了管道泄漏，油氣燃燒用來驅動泵站產生排放，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導致酸雨，多環芳烴和有機碳化物可以參與空氣的光化學反應而導致鹽霧和霧霾。

3 管道與生態

（1）地表擾動。當管道建設時，植被清理以及施工過程中的設備存儲空間與道路建設等都會造成地表擾動。車輛行駛會破壞植被，導致土壤結構改變（被壓實）。一塊土地恢復到其先前狀態所需的時間長短取決于多種因素，包括土地擾動方式、設備運輸方法、道路修筑時間以及土壤性質等。有時，管道設施可能會在使用數十年后才開始實施土地恢復措施；有時，在特定區域進行的勘探和建設活動會反復進行，從而使得土地遭受累積性影響，這樣造成的地面擾動效應特別大，而完全恢復到初始狀態的難度相應增大，所需時間也顯著增加。

（2）野生生物。管道的建設和運行會影響野生生物的活動，導致施工區域及其周邊生物物種減少。泵站發動機的運行和管道排污操作產生的噪音會干擾野生生物，道路建設可能破壞野生動物棲息地。此外，油氣管道的泄漏會導致生物種群的減少。對于海洋或河流穿越油氣管道而言，近海施工（如挖溝）會破壞水生環境，導致沉積物向下游流動而造成進一步的沉積現象。在溪流或河床的底部挖溝時，魚類的棲息地也將受到影響。

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

（4）土壤流失。在管道建設區域的地表植被被移除后，土壤直接暴露于空氣環境，在雨水、冰雪以及大風影響下，會發生嚴重的土壤流失。流失的土壤往往會在河流、湖泊與小溪處沉積下來，導致淤積，大面積的植被移除區域還可能會發生泥石流。另外，管道建設將會使土壤的密度增加，氧和水在土壤中的擴散更加困難，降低土壤深層的氧濃度和濕度。

4 管道與社區

當管道經過城市、鄉鎮時，社區居民通常都會產生安全方面的顧慮。因為油氣管道一旦失效，除了造成上述經濟損失、環境與生態破壞以外，對社區居民的影響也是非常嚴重的。 2010年9月9日，美國一條跨州天然氣管道在加州San Bruno市一個社區附近發生開裂，釋放出135萬立方米天然氣，而后遇火發生燃 爆，導致8人死亡， 58人受傷，并摧毀38間、損壞70間房屋，造成整個社區大疏散。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，數百人長時間不能使用當地水源。較重的瀝青和蠟質化合物沉入河床，使得清理工作變得極其困難，全部清理工作花了五年時間才結束。

5 管道發展的可持續性

在過去二十年中，為應對全球氣候變化和環境保護的需要，以風能、核能、水力和再生能源為代表的“綠能”的使用逐年增加。然而，多方機構的統計均表明，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。在可預見的未來，化石能源（尤其是天然氣），仍將主導全球能源使用市場。因此，管道在能源運輸和經濟發展中的作用將越來越重要。

管道建設與運行本身會對環境、生態產生影響，這種影響存在于管道運行全生命周期的每一個階段。同時，管道在服役過程中由于多種因素會發生失效，因此，建立完善的油氣管道全生命周期管理系統與完整性管理系統，實現二者的融合協調作業，將為管道的安全可持續性發展奠定堅實基礎。由于管道完整性管理已在國內外得到廣泛研究與應用，本文重點介紹管道全生命周期管理系統。

油氣管道的全生命周期包括計劃、設計、建造、運行和廢棄五個階段。

（1）計劃。是管道全生命周期的第一階段，主要進行路徑選擇。從環境和生態保護的角度看，必須對管道經過或鄰近的地區進行充分了解。在不可能繞道的情況下，需要在計劃階段就制定如何恢復由于管道建設而受到影響的環境和生態，施工程序遵守相關法令和規定，利用已經存在的能源通道鋪設新的管道，將管道建設給環境、生態、社區帶來的風險列為路徑選擇設計時優先考慮的因素，盡量避免穿過甚至接近敏感、被保護的地區。

（2）設計。這一階段所有影響環境、生態、社區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必須與管道運行參數和環境條件相適應，管道系統采用的泵、壓縮機、閥門等設備必須符合管線運行的要求，在地質活躍地區采取降低土壤運動對管道影響的措施，設置有利于野生動物活動和遷移的通道和護欄，采用最新的自動運行控制系統進行工藝狀況參數在線采集和泄漏監測等。

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

（4）運行。是管道全生命周期中最長的階段，通常會持續幾十年。各種在線監測技術不僅提供管道服役狀況信息，而且有利于確定管道對環境和生態的影響，包括周期性在線內檢測、自動控制系統、泄漏檢測系統、應急響應系統等。此外，人工并結合直升機與無人機巡航，能夠有效發現并防止第三方損壞與偷竊行為。在地質不穩定地區（如山區、近北極地區等）建立土壤運動檢測系統和氣候預報系統，防止自然災害對管道的影響。

（5）廢棄。管道廢棄是保障環境和生態完整性的重要階段。在管道服役期結束時，管道內必須得到充分清洗，為防止廢棄管道塌陷，有些用混凝土進行填充。目前，加拿大管道工業界正與卡爾加里大學合作，開展廢棄管道的研發，如研究長期腐蝕生長速率定量預測模型；建立廢棄管道在土壤應力、地表載荷與腐蝕的協同作用下，管道結構完整性破壞預測模型；廢棄管道在局部或大面積坍塌情況下土壤沉降預測模型等，提供可靠的廢棄管道所導致的風險預測技術。

作者：張圣柱，中國安全生產科學研究院高級工程師，加拿大卡爾加里大學訪問學者。主要從事油氣管道失效風險評估、后果分析與管道安全區域界定等方面研究。程玉峰，歐盟科學院院士，管道工程領域加拿大首席科學家，加拿大杰出材料科學家，卡爾加里大學終身教授。主要從事油氣田與管道腐蝕防護，油氣管道安全評估、失效預測與完整性管理研究。