一、腐蝕過程特征與控制理論的發展

1、腐蝕過程的特征

材料在環境介質中，由于化學、電化學或者物理作用而發生的破壞或者變質，稱之為腐蝕。對于金屬材料而言，則腐蝕是金屬在介質中氧化劑的作用下，生成氧化物的過程。這是與冶金過程相反的逆過程。從熱力學上講，這個過程是一個穩定過程，是一種反應發生、進行的趨勢，具有自發性、不可抗拒的特征。同時，腐蝕是由至少一個化學或者電化學反應與傳質過程耦合的過程。據此，可以采取通過阻斷腐蝕反應物的途徑、或者抑制腐蝕反應等有效措施進行腐蝕過程的控制，從而達到減緩腐蝕的目的。

2、腐蝕控制理論的發展

由于腐蝕是一個熱力學自發性的過程。因此，所謂腐蝕控制，并不是改變熱力學規律，而是利用各種防護措施把腐蝕速率降低，并控制在盡可能小的程度而已。基于這樣的防護理念，在不同歷史階段，人們提出了滿足不同實際需求的腐蝕控制理論。

（1）腐蝕裕度設計理論

金屬在環境介質中的腐蝕，一般采用均勻腐蝕速率，并且均勻腐蝕速率會因不同使用條件、不同材料和結構特點而不同。考慮介質對容器、結構材料的腐蝕而附加的壁厚裕量稱為腐蝕裕度（Corrosion allowance）。腐蝕裕度主要取決于介質對容器、結構材料的均勻腐蝕速率以及容器、結構的設計壽命等因素。比如，對于容器的設計，不僅根據容器的工藝設計條件確定容器壁的厚度，而且還要依據容器材料在其介質中的均勻腐蝕速率和容器壽命，計算附加厚度，以確定容器壁的最終厚度。可見，所謂腐蝕裕量設計理論，是指基于均勻腐蝕理論，在容器、結構的設計階段，設計人員除了考慮容器、結構的強度設計因素外，而且還需考慮腐蝕導致的容器、結構材料的附加厚度。最后，將兩者之和，作為容器、結構的最終厚度設計結果。

然而，腐蝕裕量設計理論只對防止發生均勻腐蝕破壞有意義。對于應力腐蝕、腐蝕疲勞、氫脆和縫隙腐蝕等非均勻腐蝕，用增加腐蝕裕量的辦法來防止腐蝕效果不佳。在這種情況下，首先應著重于選擇耐腐蝕材料或進行適當的防腐蝕處理。其次，應用新的設計理論，進行設計。

（2）腐蝕損傷容限設計理論

損傷容限（damage tolerance）是一種較新的結構設計理論，其概念首先用于飛機結構的疲勞設計。所謂損傷容限是指結構部件在保證給定疲勞損傷、腐蝕損傷、事故損傷和獨立源損傷水準的條件下，使其能夠在一段服役時間內仍然保持期望的剩余強度，以保證正常運行。該理論假設，任何結構材料內部都有來自加工及使用過程的缺陷，比如腐蝕引起的點蝕，而設計者的任務是利用各種損傷理論（如斷裂力學）以及給定的外載荷，確定這些缺陷的擴展速度以及結構的剩余強度。損傷容限設計 （damage tolerancedesign），是為保證含裂紋或可能含裂紋的重要構件的安全，從 20 世紀 70年代開始發展并逐步應用的一種現代疲勞斷裂控制方法。這種方法的思路是 : 假定構件中存在著裂紋 （ 依據無損傷能力、使用經驗等假定其初始尺寸 ），用斷裂力學分析、疲勞裂紋擴展分析和試驗驗證，保證在定期檢查肯定能發現裂紋之前，裂紋不會擴展到足以引起破壞。

腐蝕容限是指在不進行補強修理的情況下，所允許的最大腐蝕損傷程度。所謂腐蝕損傷容限設計，是基于損傷容限理論，根據斷裂力學分析，設計人員完成并確定的缺陷結構件在腐蝕環境中，保證結構件缺陷不足以引起破壞的剩余強度。比如，對于經受變化載荷的結構，如飛機、輪船、車輛等，損傷容限設計要結合無損探傷技術和疲勞理論，提供結構的檢驗期限，以保證結構中存在的裂紋在該期限內不會擴展為臨界裂紋。由于微缺陷是無處不在的，而結構的疲勞破壞往往是從微缺陷開始的。因此，對于飛行器的強度安全性分析已經逐步由靜、動、疲勞強度轉移到損傷容限分析。對于以疲勞破壞為主的其它設備，如動力機械、運載工具、石油化工管道和高壓容器、海洋平臺等，損傷容限分析方法同樣適用。這是提高這類產品可靠性的重要手段之一。

事實上，在損傷容限理論提出之前，人們在結構設計過程中，還提出過安全壽命、失效安全理念。所謂安全壽命，是指在服役壽命期間，評估結構沒有檢測到裂紋之前能夠承受預計的可變幅度的循環載荷。為此，在安全壽命的設計過程中，結構、零部件必須通過分析與實驗室測試，包括全尺寸結構測試，并進行認證。當然，腐蝕也是安全壽命設計考慮的首要原因之一，因為安全壽命分析是基于應力、應變為基礎。安全壽命理念的意義在于已經將涉及結構、零部件的所有潛在威脅都考慮了。對于失效安全，即是在主要結構部件發生失效、或者部分失效時，仍然能夠保持它的殘余強度，使其在為修復的一段時間內繼續使用，以保證正常運行。可見，失效安全設計實際上是安全壽命設計理念的延伸。

由上述可見，損傷容限的根本目的是要求直接檢驗。其成果之處不是依賴于何時檢測，而是還需要知道檢測什么？去哪里檢測？如何檢測？所以，這種設計理念僅是針對結構、零部件個體，并且主要從力學理念出發。比較起來，強調了檢測的重要性。

（3）環境適應性理論

環境適應性（Environmental adaptation）是指裝備、結構在其壽命周期內的貯存、運輸和使用等狀態預期會遇到的各種極端因素的作用下實現其預定的全套功能的能力，即不產生不可逆損壞和能正常工作的能力。環境適應性是武器裝備的一個重要的質量特性，并且通過設計納人裝備、通過試驗和管理得到保證的。環境適應性本身不用定量指標表示，但環境適應性要求可以有定量要求，如裝備必須在 -55℃下正常工作 ; 也可以只有定性要求，如裝備應能耐受沿海鹽霧大氣的侵蝕等。裝備在實際應用過程中，不僅僅要關注其性能指標的高低，更要考慮裝備在全壽命周期下的環境適應性。設計的指標再高，若不能適應預定的環境就無法正常工作，這些指標就無法實現，裝備能力就得不到發揮。

環境適應性有兩個要素，一個是產品（內因），一個是環境（外因），環境適應性是連接二者的“橋梁”。相同的產品在不同的環境下具有不同的環境適應性，不同的產品在相同的環境下也會具有不同的環境適應性。環境適應性是裝備質量特性之一，產品一旦定型，其選用的材料、元器件、結構組成和選用的工藝已經固化，對于既定的環境剖面其環境適應性就是固定的了。所以，環境適應性是產品固有的質量特性，是由設計和制造來決定的，是由試驗和管理來保證的。一般而言，影響產品環境適應性的因素包括 a） 選用材料、元器件的環境適應性。b） 結構設計水平，包括熱設計、抗振、防沖擊、防腐蝕等設計水平。c）制造工藝水平，包括結構件、部件、元器件的工藝水平。可見，環境適應性理念不僅明確考慮外部環境的影響，而且將管理納入并作為保障措施。然而，僅針對產品貯存、運輸和使用過程，并不是產品整個生命周期。

（4）全面腐蝕控制理論

全面腐蝕控制理論是上世紀 80 年代由中國化工防腐蝕技術協會提出的。全面腐蝕控制理論提出從設計、加工制造、儲運安裝、運行操作和維修維護五個方面進行腐蝕控制。同時，要和教育、科研、管理和經濟評價四個環節緊密結合，從而達到對腐蝕的全面控制，才能把防腐工作從消極、被動、治表的局面轉化為主動的治本局面。其核心是首次明確提出，把防腐技術和科學管理緊密結合起來，達到最大程度的控制腐蝕的目標。

（5）完整性管理理論

完整性（Integrity）是指某系統或者裝備始終處于安全可靠的服役狀態，即在物理上和功能上是完整的，處于受控狀態，其使用者或者運行商已經并仍將不斷采取行動防止其事故的發生。對于完整性概念，最為關鍵的工作是把來自操作運行所造成的累積損傷與運行與停止運行過程中環境作用造成的損傷結合起來。所謂完整性管理（Integrity management）是指某組織或者機構根據不斷變化的因素，對某系統或者裝備運營中面臨的風險因素進行識別和技術評價，制定相應的風險控制對策，不斷改善識別到的不利影響因素，從而將系統或者裝備運營的風險水平控制在合理的、可接受的范圍內，通過監測、檢測、檢驗等各種方式，獲取與專業管理相結合的系統或者裝備完整性的信息，對可能使系統或者裝備失效的主要威脅因素進行檢測、檢驗。據此對系統或者裝備的適應性進行評估，最終達到持續改進、減少和預防其事故發生、經濟合理地保證系統或者裝備的安全運行的目的。完整性管理的實質是評價不斷變化的風險因素，并對相應的管理與維護活動做出調整優化。可見，完整性管理理念強調的是全面評估和管理腐蝕，并且危害程度評估是重要的第一步。同時，使用情況與環境特征是非常重要的方面。除此之外，仍然是對結構、裝置在運行、服役階段的腐蝕控制及其危害性評估。

完整性管理理論已經在實際中得到了廣泛的應用。在航空航天領域，美國最早提出了結構完整性管理的要求。在 2001 年，美國石油學會（API）和美國機械工程師學會（ASME）就提出了管道完整性管理概念，并頒發了有關標準與規范。我國在 2015 年也制定了《油氣輸送管道完整性管理規范》（GB 32167-2015）。

二、腐蝕控制工程全生命周期

1、生命周期理論

生命周期 （Life Cycle） 的概念應用很廣泛，特別是在政治、經濟、環境、技術、社會等諸多領域經常出現，其基本涵義可以通俗地理解為“從搖籃到墳墓”（Cradle-to-Grave） 的整個過程。對于某個產品而言，就是從自然中來回到自然中去的全過程，也就是既包括制造產品所需要的原材料的采集、加工等生產過程，也包括產品貯存、運輸等流通過程，還包括產品的使用過程以及產品報廢或處置等廢棄回到自然過程，這個過程構成了一個完整的產品的生命周期。生命周期有廣義和狹義之分。狹義是指本義 -- 生命科學術語，即生物體從出生、成長、成熟、衰退到死亡的全部過程。廣義是本義的延伸和發展，泛指自然界和人類社會各種客觀事物的階段性變化及其規律。

生 命 周 期 理 論 由 卡 曼 （A.K.Karman） 于 1966 年首先提出。生命周期是一種非常有用的工具，標準的生命周期分析認為市場經歷發展、成長、成熟、衰退幾個階段。然而，真實的情況要微妙得多，給那些真正理解這一過程的企業提供了更多的機會，同時也更好地對未來可能發生的危機進行規避。后來，赫塞 （Hersey） 與布蘭查德 （B1anchard），以四分圖理論為基礎，同時吸取了阿吉里斯的不成熟一成熟理論，于 1976 年發展了生命周期理論。

生命周期理論有兩種主要的生命周期方法——一種是傳統的、相當機械的看待市場發展的觀點，比如產品生命周期 / 行業生命周期；另外一種更富有挑戰性，觀察顧客需求是怎樣隨著時間演變而由不同的產品和技術來滿足的，即需求生命周期。

產品 / 行業生命周期是一種非常有用的方法，能夠幫助企業根據行業是否處于成長、成熟、衰退或其他狀態來制定適當的戰略。這種方法假定，企業在生命周期中（發展、成長、成熟、衰退 ） 每一階段中的競爭狀況是不同的。例如：發展-產品/服務由那些“早期采納者”購買。他們對于價格不敏感，因此利潤會很高。而另一方面，需要大量投資用于開發具有更好質量和大眾化價格的產品，這又會侵蝕利潤。在這種方法中，由于假定事情必然會遵循一種即定的生命周期模式，這種方法可能導致可預測的而不是有創意的、革新的戰略。

生命周期概念更有建設性的應用是需求生命周期理論。這個理論假定，顧客（個人、私有或公有企業）有某種特定的需求（娛樂、教育、運輸、社交、交流信息等）希望能夠得到滿足。在不同的時候會有不同的產品來滿足這些需求。技術在不斷發展，人口的統計特征隨著時間而演變，政治環境則在不同的權力集團之間搖擺不定，消費者偏好也會改變。與其為了保衛特定的產品而戰，倒不如為了確保你能夠繼續滿足顧客需求而戰。

全生命周期理論的核心在于開展全生命周期的評價活動。國際標準化組織 1993 年 6 月成立了負責環境管理的技術委員會 TC207，負責制訂生命周期評價標準。繼 1997 年發布了第一個生命周期評價國際標準ISO14040《生命周期評價原則與框架》后，先后發布了 ISO14041《生命周期評價目的與范圍的確定，生命周期清單分析》、ISO14042《生命周期評價生命周期影響評價》、ISO14043《生命周期評價生命周期解釋》、ISO/TR14047《生命周期評價 ISO14042 應用示例》和 ISO/TR14049《生命周期評價 ISO14041 應用示例》。

2、腐蝕控制工程全生命周期理論

目前，全生命周期理論在許多行業都已經得到了非常廣泛應用，比如產品全生命周期的設計與評價，汽車產品全生命周期工程，房地產全生命周期安全管理，船舶與海洋工程全生命周期的防污染控制等。

腐蝕控制工程是指從裝置、結構設施的頂層設計開始，貫穿于裝置、結構設施全生命周期過程各個階段的全面腐蝕控制活動的全過程，以實現裝置、結構設施運行的可靠性、安全性、經濟性、長壽命和環保性總體目標。所謂腐蝕控制工程全生命周期，就是指腐蝕控制工程的全過程，即“從搖籃到墳墓”（Cradle-to-Grave） 的整個過程。也即從基于裝置、結構設施材料及其防護措施的開發，設計，施工，質量檢驗、評估，運行，維修維護和報廢的整個過程。

時至今日，雖然國內外有關組織結構已經頒布、實施了許多的材料腐蝕控制與測試方法標準。但是，腐蝕過程的特性要求從源頭進行有效的控制。基于當今環境保護的需要，隨著綠色制造發展與生態文明社會建設理念的樹立，目前所制定的一些腐蝕控制標準與規范，已經滿足不了當今社會發展的需求，并且存在著缺乏整體性、系統性、相互協調優化性的腐蝕控制工程技術管理標準，以致不能夠實現精準的腐蝕控制，達不到腐蝕控制工程運行的經濟化、安全化和長壽命目標，并且因腐蝕導致的各種不安全事故還時有發生。

值得慶幸的是，2016 年 6 月，國際標準化組織（ISO）正式同意、并批準由中國主導、聯合美國向國際標準化組織 （ISO） 提出成立“腐蝕控制工程全生命周期標準化技術委員會”的提案。作為成立“腐蝕控制工程全生命周期標準化技術委員會”的倡導者和秘書國，我國在國際腐蝕控制工程全壽命周期標準制定方面無疑占據了先機，取得了國際市場的話語權和制高點，在我國腐蝕與防護行業的發展史上具有里程碑意義，這是腐蝕科學界的一個創舉。腐蝕控制工程全生命周期標準化技術委員會的成立，不僅為我國腐蝕科學工作者搭建了一個新型的研究平臺，而且也給全世界的廣大腐蝕科學工作者提出了更高的要求：不但要求廣大腐蝕科學工作者做好技術研究工作，而且也會促使大家開展腐蝕控制工程技術標準化管理研究，從而為世界工業化發展之安全，特別是促進我國制造品牌的世界化，做出積極的貢獻。

3、腐蝕控制工程全生命周期理論的根本要求矛盾

普遍性原理告訴我們，矛盾是普遍存在的，且具有矛盾的特殊性。主要矛盾問題的解決，將有利于一般矛盾的處理。腐蝕控制工程全壽命周期理論提出了腐蝕控制工程頂層設計與決策的要求。為此，開展腐蝕控制工程全壽命周期工作，要求從腐蝕控制工程的全局、大局出發，通過腐蝕控制工程全生命周期各階段所面臨的關鍵技術、管理問題的協調、優化解決，促進腐蝕控制工程的整體性和系統性的實施，實現腐蝕控制工程運行的可靠性、安全性、經濟性、長壽命和環保性總體目標。

腐蝕控制工程全壽命周期理論提出了工程學科與管理學科之間的交叉要求，即在重視與材料學，工程學，化學等學科的相結合時，強調與現代管理學科、運籌學、統計學等多學科的交叉。只有這樣，才能夠滿足當今工業規模化發展、深空深海發展過程中腐蝕控制工程需要；也只有這樣，腐蝕科學與技術才能持續地蓬勃發展。

基于此，開展腐蝕控制工程全壽命周期工作，要求我們在解決腐蝕控制工程各個階段面臨的技術或者技術集成問題的同時，進一步要求我們加強腐蝕控制工程全生命周期過程中的技術管理，比如工程質量管理與運行風險評估等方面的工作。通過實施先進技術與高效管理相結合的原則，實現腐蝕控制工程在全生命周期內運行的可靠性、安全性、經濟性、長壽命和環保性。

腐蝕控制工程全壽命周期理論，有助于腐蝕控制理念的更新與發展。開展腐蝕控制工程全壽命周期工作，要求我們在制定腐蝕控制工程的總體目標時，務必胸懷大局，目標精準；在制定具體措施時，務必抓住主要矛盾，通過協調優化，采取精準措施。這樣，才有利于滿足腐蝕控制工程安全性、經濟性、長壽命和環保性需求。

三、腐蝕控制工程全生命周期理論的科學內涵

1、腐蝕控制工程全生命周期的通用要求

腐蝕控制工程全生命周期不僅包括腐蝕控制工程全生命周期過程中各個階段、環節，而且包含了各個階段、環節中的關鍵要素。在國家標準《腐蝕控制工程生命周期 通用要求》（GB/T33314-2016）中，將腐蝕控制工程全生命周期歸納為腐蝕源、材料、技術、開發、設計、制造、施工與安裝、貯存和運輸、調試、驗收、運行、測試檢驗、維護保養、修復、延壽、資源管理、報廢與綠色環境處理、文件管理、評估等環節，并提出了每個環節中關鍵的通用要求。同時，提出了在實施腐蝕控制工程今生命周期的通用要求過程中，應以各要素為對象，優選、采用相應的具體專業技術標準和規范，使全過程鏈條上的模塊與模塊、環節與環節、節點與節點、要素與要素、局部與全局等在相互交織中達到相互支撐，相互協調，相互優化等實現腐蝕控制工程全生命周期的總目標。

2、腐蝕控制工程全生命周期各階段的劃分

為了探索、研究腐蝕控制工程全生命周期的科學內涵，可以將腐蝕控制工程全生命周期分為下面四個階段 :

①腐蝕控制工程規劃與（頂層）設計階段

在腐蝕控制工程的規劃、設計階段，其核心工作是開展、完成腐蝕控制工程的技術決策工作。具體包括：（1）信息的收集， 即了解腐蝕源及其圍繞著腐蝕源了解包括主體工程在內的腐蝕控制工程的外部腐蝕環境因素和結構、構筑物、裝備材料腐蝕的內部因素；同時，了解腐蝕控制工程的技術要求與圍繞著腐蝕控制工程，其所在地區或者國家的法律要求及其相應的限制規章制度等；（2）開展防腐蝕材料、技術的選擇、比較與優化，包括進行所選擇技術、材料的可靠性、經濟性進行評估；（3）確定腐蝕控制工程頂層設計方案，并進行工程的技術經濟、工程風險、環境影響和社會責任等方面的分析、評估。在此基礎上，開展腐蝕控制工程的工程設計工作。

②腐蝕控制工程的建設與實施階段

在完成腐蝕控制工程的設計之后，則主要工作是腐蝕控制工程的建設與實施，其關鍵在于（1）物質、人力、項目資金等三項資源的調配工作，包括材料采購、裝備制造及其運輸、裝卸與儲運等環節節點的控制等；（2）對腐蝕控制工程的質量進行監督與評估，包括安裝與施工、調試與驗收等工作。

③腐蝕控制工程的運行管理階段

腐蝕控制工程一旦驗收、交付使用，那么腐蝕控制工程則進入運行管理階段。在運行管理過程中，核心工作是開展人機績效的考核與評估。同時，開展腐蝕控制工程運行過程中風險評估及其可持續改進措施的實施，包括參與運行的技術人員、管理人員的培訓考核工作。在此基礎上，進一步完成腐蝕控制工程整體運行管理的評價工作。

④腐蝕控制工程的維修與延壽報廢階段

對任何工程，其設計壽命是有年限的。在日常運行過程中，對腐蝕控制工程進行維護保養是必須的。一旦腐蝕控制工程運行達到設計年限，則需要對其進行評估，即通過維修，腐蝕控制工程是否可以再繼續運行使用？如果通過評估認為，即使增加投入，進行工程維修，但是從經濟性方面，或者從工程運行的安全性、環保性方面，都低于預期，則對腐蝕控制工程進行報廢處置。一旦對其進行報廢處置，則需要進一步評估腐蝕控制工程報廢過程中的安全風險、環境風險和資源化循環利用的可行性與途徑等內容。

3、腐蝕控制工程全生命周期理論的科學技術問題

（1） 涉及的科學問題

當前，技術的發展已經達到相當的水平。腐蝕控制工程全壽命周期理念的提出無疑是將技術與管理相結合，促進腐蝕控制工程品質的提升。

基于腐蝕控制工程全生命周期理念的總體要求、全生命周期過程中各階段的核心要素，結合目前腐蝕控制工程面臨的實際，腐蝕控制工程全生命周期理念涉及下列科學問題有待深入研究：

基于全生命周期理論，全面系統研究腐蝕控制工程全生命周期管理科學問題，比如科學決策理論，科學評估理論等；基于腐蝕控制工程全生命周期理論，研究腐蝕控制工程哲學與倫理（Engineering philosophy & ethics） 問題。

前者主要研究分析腐蝕控制工程全生命周期過程中出現的各種問題，特別是工程決策和戰略的哲學問題，工程科學、工程技術和工程項目的關系和轉化問題，工程建設和產業發展的關系問題，工程活動的制度安排和社會影響問題等等；后者應用于腐蝕控制工程的道德原則系統，是工程技藝的應用倫理。開展工程倫理教育有利于提升工程師倫理素養，加強工程從業者的社會責任 ; 有利于推動可持續發展，實現人與自然、社會的協同進化 ; 有利于協調社會各群體之間的利益關系，促進社會共享、和諧發展。

在研究腐蝕控制工程全生命周期理論中科學問題的同時，進一步加強下列技術問題的解決，將有助于腐蝕控制工程全生命周期理論的完善與發展。

基于腐蝕控制工程全生命周期的科學決策和科學評估理論，開展數學建模，研究腐蝕控制工程技術、工程質量與工程運營管理定量評估的科學技術；

基于腐蝕控制工程全生命周期管理戰略，研究腐蝕控制工程技術、工程質量評估和運營管理標準化技術指標體系問題；

四、結束語

在上世紀 90 年代末，曹楚南院士在接受《中國化工報》記者采訪談到：“腐蝕科學與工程這一領域關系到保護資源，節約能源，節省材料，保護環境，保證正常生產、人身安全和發展新技術等一系列重大的社會和經濟問題，將是支持一個國家的國防工業與經濟處于良好狀態的技術支撐中的一個重要組成部分”。今天，腐蝕控制工程全生命周期的提出是一新鮮事務，亟待解決和梳理的問題還很多。然而，不管如何，隨著腐蝕控制工程全生命周期理念的貫徹與實施，不僅有助于提升我國工程管理水平，而且有助于工程管理理念的更新和管理模式的變革；有助于在工程建設的管理中，充分利用大數據資源，實現腐蝕控制工程管理的精準化，這是工程建設管理模式發展的變革。有關腐蝕控制工程技術決策、工程質量評估及其運營管理標準化技術體系的建立，使得我國腐蝕控制工程的管理符合當今工業 4.0 發展的潮流，有利于我國在工程建設管理方面取得國際市場的話語權和制高點。所以，這在工程建設管理方面無疑是一次革命。