一、腐蚀过程特征与控制理论的发展

1、腐蚀过程的特征

材料在环境介质中，由于化学、电化学或者物理作用而发生的破坏或者变质，称之为腐蚀。对于金属材料而言，则腐蚀是金属在介质中氧化剂的作用下，生成氧化物的过程。这是与冶金过程相反的逆过程。从热力学上讲，这个过程是一个稳定过程，是一种反应发生、进行的趋势，具有自发性、不可抗拒的特征。同时，腐蚀是由至少一个化学或者电化学反应与传质过程耦合的过程。据此，可以采取通过阻断腐蚀反应物的途径、或者抑制腐蚀反应等有效措施进行腐蚀过程的控制，从而达到减缓腐蚀的目的。

2、腐蚀控制理论的发展

由于腐蚀是一个热力学自发性的过程。因此，所谓腐蚀控制，并不是改变热力学规律，而是利用各种防护措施把腐蚀速率降低，并控制在尽可能小的程度而已。基于这样的防护理念，在不同历史阶段，人们提出了满足不同实际需求的腐蚀控制理论。

（1）腐蚀裕度设计理论

金属在环境介质中的腐蚀，一般采用均匀腐蚀速率，并且均匀腐蚀速率会因不同使用条件、不同材料和结构特点而不同。考虑介质对容器、结构材料的腐蚀而附加的壁厚裕量称为腐蚀裕度（Corrosion allowance）。腐蚀裕度主要取决于介质对容器、结构材料的均匀腐蚀速率以及容器、结构的设计寿命等因素。比如，对于容器的设计，不仅根据容器的工艺设计条件确定容器壁的厚度，而且还要依据容器材料在其介质中的均匀腐蚀速率和容器寿命，计算附加厚度，以确定容器壁的最终厚度。可见，所谓腐蚀裕量设计理论，是指基于均匀腐蚀理论，在容器、结构的设计阶段，设计人员除了考虑容器、结构的强度设计因素外，而且还需考虑腐蚀导致的容器、结构材料的附加厚度。最后，将两者之和，作为容器、结构的最终厚度设计结果。

然而，腐蚀裕量设计理论只对防止发生均匀腐蚀破坏有意义。对于应力腐蚀、腐蚀疲劳、氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，用增加腐蚀裕量的办法来防止腐蚀效果不佳。在这种情况下，首先应着重于选择耐腐蚀材料或进行适当的防腐蚀处理。其次，应用新的设计理论，进行设计。

（2）腐蚀损伤容限设计理论

损伤容限（damage tolerance）是一种较新的结构设计理论，其概念首先用于飞机结构的疲劳设计。所谓损伤容限是指结构部件在保证给定疲劳损伤、腐蚀损伤、事故损伤和独立源损伤水准的条件下，使其能够在一段服役时间内仍然保持期望的剩余强度，以保证正常运行。该理论假设，任何结构材料内部都有来自加工及使用过程的缺陷，比如腐蚀引起的点蚀，而设计者的任务是利用各种损伤理论（如断裂力学）以及给定的外载荷，确定这些缺陷的扩展速度以及结构的剩余强度。损伤容限设计 （damage tolerancedesign），是为保证含裂纹或可能含裂纹的重要构件的安全，从 20 世纪 70年代开始发展并逐步应用的一种现代疲劳断裂控制方法。这种方法的思路是 : 假定构件中存在着裂纹 （ 依据无损伤能力、使用经验等假定其初始尺寸 ），用断裂力学分析、疲劳裂纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查肯定能发现裂纹之前，裂纹不会扩展到足以引起破坏。

腐蚀容限是指在不进行补强修理的情况下，所允许的最大腐蚀损伤程度。所谓腐蚀损伤容限设计，是基于损伤容限理论，根据断裂力学分析，设计人员完成并确定的缺陷结构件在腐蚀环境中，保证结构件缺陷不足以引起破坏的剩余强度。比如，对于经受变化载荷的结构，如飞机、轮船、车辆等，损伤容限设计要结合无损探伤技术和疲劳理论，提供结构的检验期限，以保证结构中存在的裂纹在该期限内不会扩展为临界裂纹。由于微缺陷是无处不在的，而结构的疲劳破坏往往是从微缺陷开始的。因此，对于飞行器的强度安全性分析已经逐步由静、动、疲劳强度转移到损伤容限分析。对于以疲劳破坏为主的其它设备，如动力机械、运载工具、石油化工管道和高压容器、海洋平台等，损伤容限分析方法同样适用。这是提高这类产品可靠性的重要手段之一。

事实上，在损伤容限理论提出之前，人们在结构设计过程中，还提出过安全寿命、失效安全理念。所谓安全寿命，是指在服役寿命期间，评估结构没有检测到裂纹之前能够承受预计的可变幅度的循环载荷。为此，在安全寿命的设计过程中，结构、零部件必须通过分析与实验室测试，包括全尺寸结构测试，并进行认证。当然，腐蚀也是安全寿命设计考虑的首要原因之一，因为安全寿命分析是基于应力、应变为基础。安全寿命理念的意义在于已经将涉及结构、零部件的所有潜在威胁都考虑了。对于失效安全，即是在主要结构部件发生失效、或者部分失效时，仍然能够保持它的残余强度，使其在为修复的一段时间内继续使用，以保证正常运行。可见，失效安全设计实际上是安全寿命设计理念的延伸。

由上述可见，损伤容限的根本目的是要求直接检验。其成果之处不是依赖于何时检测，而是还需要知道检测什么？去哪里检测？如何检测？所以，这种设计理念仅是针对结构、零部件个体，并且主要从力学理念出发。比较起来，强调了检测的重要性。

（3）环境适应性理论

环境适应性（Environmental adaptation）是指装备、结构在其寿命周期内的贮存、运输和使用等状态预期会遇到的各种极端因素的作用下实现其预定的全套功能的能力，即不产生不可逆损坏和能正常工作的能力。环境适应性是武器装备的一个重要的质量特性，并且通过设计纳人装备、通过试验和管理得到保证的。环境适应性本身不用定量指标表示，但环境适应性要求可以有定量要求，如装备必须在 -55℃下正常工作 ; 也可以只有定性要求，如装备应能耐受沿海盐雾大气的侵蚀等。装备在实际应用过程中，不仅仅要关注其性能指标的高低，更要考虑装备在全寿命周期下的环境适应性。设计的指标再高，若不能适应预定的环境就无法正常工作，这些指标就无法实现，装备能力就得不到发挥。

环境适应性有两个要素，一个是产品（内因），一个是环境（外因），环境适应性是连接二者的“桥梁”。相同的产品在不同的环境下具有不同的环境适应性，不同的产品在相同的环境下也会具有不同的环境适应性。环境适应性是装备质量特性之一，产品一旦定型，其选用的材料、元器件、结构组成和选用的工艺已经固化，对于既定的环境剖面其环境适应性就是固定的了。所以，环境适应性是产品固有的质量特性，是由设计和制造来决定的，是由试验和管理来保证的。一般而言，影响产品环境适应性的因素包括 a） 选用材料、元器件的环境适应性。b） 结构设计水平，包括热设计、抗振、防冲击、防腐蚀等设计水平。c）制造工艺水平，包括结构件、部件、元器件的工艺水平。可见，环境适应性理念不仅明确考虑外部环境的影响，而且将管理纳入并作为保障措施。然而，仅针对产品贮存、运输和使用过程，并不是产品整个生命周期。

（4）全面腐蚀控制理论

全面腐蚀控制理论是上世纪 80 年代由中国化工防腐蚀技术协会提出的。全面腐蚀控制理论提出从设计、加工制造、储运安装、运行操作和维修维护五个方面进行腐蚀控制。同时，要和教育、科研、管理和经济评价四个环节紧密结合，从而达到对腐蚀的全面控制，才能把防腐工作从消极、被动、治表的局面转化为主动的治本局面。其核心是首次明确提出，把防腐技术和科学管理紧密结合起来，达到最大程度的控制腐蚀的目标。

（5）完整性管理理论

完整性（Integrity）是指某系统或者装备始终处于安全可靠的服役状态，即在物理上和功能上是完整的，处于受控状态，其使用者或者运行商已经并仍将不断采取行动防止其事故的发生。对于完整性概念，最为关键的工作是把来自操作运行所造成的累积损伤与运行与停止运行过程中环境作用造成的损伤结合起来。所谓完整性管理（Integrity management）是指某组织或者机构根据不断变化的因素，对某系统或者装备运营中面临的风险因素进行识别和技术评价，制定相应的风险控制对策，不断改善识别到的不利影响因素，从而将系统或者装备运营的风险水平控制在合理的、可接受的范围内，通过监测、检测、检验等各种方式，获取与专业管理相结合的系统或者装备完整性的信息，对可能使系统或者装备失效的主要威胁因素进行检测、检验。据此对系统或者装备的适应性进行评估，最终达到持续改进、减少和预防其事故发生、经济合理地保证系统或者装备的安全运行的目的。完整性管理的实质是评价不断变化的风险因素，并对相应的管理与维护活动做出调整优化。可见，完整性管理理念强调的是全面评估和管理腐蚀，并且危害程度评估是重要的第一步。同时，使用情况与环境特征是非常重要的方面。除此之外，仍然是对结构、装置在运行、服役阶段的腐蚀控制及其危害性评估。

完整性管理理论已经在实际中得到了广泛的应用。在航空航天领域，美国最早提出了结构完整性管理的要求。在 2001 年，美国石油学会（API）和美国机械工程师学会（ASME）就提出了管道完整性管理概念，并颁发了有关标准与规范。我国在 2015 年也制定了《油气输送管道完整性管理规范》（GB 32167-2015）。

二、腐蚀控制工程全生命周期

1、生命周期理论

生命周期 （Life Cycle） 的概念应用很广泛，特别是在政治、经济、环境、技术、社会等诸多领域经常出现，其基本涵义可以通俗地理解为“从摇篮到坟墓”（Cradle-to-Grave） 的整个过程。对于某个产品而言，就是从自然中来回到自然中去的全过程，也就是既包括制造产品所需要的原材料的采集、加工等生产过程，也包括产品贮存、运输等流通过程，还包括产品的使用过程以及产品报废或处置等废弃回到自然过程，这个过程构成了一个完整的产品的生命周期。生命周期有广义和狭义之分。狭义是指本义 -- 生命科学术语，即生物体从出生、成长、成熟、衰退到死亡的全部过程。广义是本义的延伸和发展，泛指自然界和人类社会各种客观事物的阶段性变化及其规律。

生 命 周 期 理 论 由 卡 曼 （A.K.Karman） 于 1966 年首先提出。生命周期是一种非常有用的工具，标准的生命周期分析认为市场经历发展、成长、成熟、衰退几个阶段。然而，真实的情况要微妙得多，给那些真正理解这一过程的企业提供了更多的机会，同时也更好地对未来可能发生的危机进行规避。后来，赫塞 （Hersey） 与布兰查德 （B1anchard），以四分图理论为基础，同时吸取了阿吉里斯的不成熟一成熟理论，于 1976 年发展了生命周期理论。

生命周期理论有两种主要的生命周期方法——一种是传统的、相当机械的看待市场发展的观点，比如产品生命周期 / 行业生命周期；另外一种更富有挑战性，观察顾客需求是怎样随着时间演变而由不同的产品和技术来满足的，即需求生命周期。

产品 / 行业生命周期是一种非常有用的方法，能够帮助企业根据行业是否处于成长、成熟、衰退或其他状态来制定适当的战略。这种方法假定，企业在生命周期中（发展、成长、成熟、衰退 ） 每一阶段中的竞争状况是不同的。例如：发展-产品/服务由那些“早期采纳者”购买。他们对于价格不敏感，因此利润会很高。而另一方面，需要大量投资用于开发具有更好质量和大众化价格的产品，这又会侵蚀利润。在这种方法中，由于假定事情必然会遵循一种即定的生命周期模式，这种方法可能导致可预测的而不是有创意的、革新的战略。

生命周期概念更有建设性的应用是需求生命周期理论。这个理论假定，顾客（个人、私有或公有企业）有某种特定的需求（娱乐、教育、运输、社交、交流信息等）希望能够得到满足。在不同的时候会有不同的产品来满足这些需求。技术在不断发展，人口的统计特征随着时间而演变，政治环境则在不同的权力集团之间摇摆不定，消费者偏好也会改变。与其为了保卫特定的产品而战，倒不如为了确保你能够继续满足顾客需求而战。

全生命周期理论的核心在于开展全生命周期的评价活动。国际标准化组织 1993 年 6 月成立了负责环境管理的技术委员会 TC207，负责制订生命周期评价标准。继 1997 年发布了第一个生命周期评价国际标准ISO14040《生命周期评价原则与框架》后，先后发布了 ISO14041《生命周期评价目的与范围的确定，生命周期清单分析》、ISO14042《生命周期评价生命周期影响评价》、ISO14043《生命周期评价生命周期解释》、ISO/TR14047《生命周期评价 ISO14042 应用示例》和 ISO/TR14049《生命周期评价 ISO14041 应用示例》。

2、腐蚀控制工程全生命周期理论

目前，全生命周期理论在许多行业都已经得到了非常广泛应用，比如产品全生命周期的设计与评价，汽车产品全生命周期工程，房地产全生命周期安全管理，船舶与海洋工程全生命周期的防污染控制等。

腐蚀控制工程是指从装置、结构设施的顶层设计开始，贯穿于装置、结构设施全生命周期过程各个阶段的全面腐蚀控制活动的全过程，以实现装置、结构设施运行的可靠性、安全性、经济性、长寿命和环保性总体目标。所谓腐蚀控制工程全生命周期，就是指腐蚀控制工程的全过程，即“从摇篮到坟墓”（Cradle-to-Grave） 的整个过程。也即从基于装置、结构设施材料及其防护措施的开发，设计，施工，质量检验、评估，运行，维修维护和报废的整个过程。

时至今日，虽然国内外有关组织结构已经颁布、实施了许多的材料腐蚀控制与测试方法标准。但是，腐蚀过程的特性要求从源头进行有效的控制。基于当今环境保护的需要，随着绿色制造发展与生态文明社会建设理念的树立，目前所制定的一些腐蚀控制标准与规范，已经满足不了当今社会发展的需求，并且存在着缺乏整体性、系统性、相互协调优化性的腐蚀控制工程技术管理标准，以致不能够实现精准的腐蚀控制，达不到腐蚀控制工程运行的经济化、安全化和长寿命目标，并且因腐蚀导致的各种不安全事故还时有发生。

值得庆幸的是，2016 年 6 月，国际标准化组织（ISO）正式同意、并批准由中国主导、联合美国向国际标准化组织 （ISO） 提出成立“腐蚀控制工程全生命周期标准化技术委员会”的提案。作为成立“腐蚀控制工程全生命周期标准化技术委员会”的倡导者和秘书国，我国在国际腐蚀控制工程全寿命周期标准制定方面无疑占据了先机，取得了国际市场的话语权和制高点，在我国腐蚀与防护行业的发展史上具有里程碑意义，这是腐蚀科学界的一个创举。腐蚀控制工程全生命周期标准化技术委员会的成立，不仅为我国腐蚀科学工作者搭建了一个新型的研究平台，而且也给全世界的广大腐蚀科学工作者提出了更高的要求：不但要求广大腐蚀科学工作者做好技术研究工作，而且也会促使大家开展腐蚀控制工程技术标准化管理研究，从而为世界工业化发展之安全，特别是促进我国制造品牌的世界化，做出积极的贡献。

3、腐蚀控制工程全生命周期理论的根本要求矛盾

普遍性原理告诉我们，矛盾是普遍存在的，且具有矛盾的特殊性。主要矛盾问题的解决，将有利于一般矛盾的处理。腐蚀控制工程全寿命周期理论提出了腐蚀控制工程顶层设计与决策的要求。为此，开展腐蚀控制工程全寿命周期工作，要求从腐蚀控制工程的全局、大局出发，通过腐蚀控制工程全生命周期各阶段所面临的关键技术、管理问题的协调、优化解决，促进腐蚀控制工程的整体性和系统性的实施，实现腐蚀控制工程运行的可靠性、安全性、经济性、长寿命和环保性总体目标。

腐蚀控制工程全寿命周期理论提出了工程学科与管理学科之间的交叉要求，即在重视与材料学，工程学，化学等学科的相结合时，强调与现代管理学科、运筹学、统计学等多学科的交叉。只有这样，才能够满足当今工业规模化发展、深空深海发展过程中腐蚀控制工程需要；也只有这样，腐蚀科学与技术才能持续地蓬勃发展。

基于此，开展腐蚀控制工程全寿命周期工作，要求我们在解决腐蚀控制工程各个阶段面临的技术或者技术集成问题的同时，进一步要求我们加强腐蚀控制工程全生命周期过程中的技术管理，比如工程质量管理与运行风险评估等方面的工作。通过实施先进技术与高效管理相结合的原则，实现腐蚀控制工程在全生命周期内运行的可靠性、安全性、经济性、长寿命和环保性。

腐蚀控制工程全寿命周期理论，有助于腐蚀控制理念的更新与发展。开展腐蚀控制工程全寿命周期工作，要求我们在制定腐蚀控制工程的总体目标时，务必胸怀大局，目标精准；在制定具体措施时，务必抓住主要矛盾，通过协调优化，采取精准措施。这样，才有利于满足腐蚀控制工程安全性、经济性、长寿命和环保性需求。

三、腐蚀控制工程全生命周期理论的科学内涵

1、腐蚀控制工程全生命周期的通用要求

腐蚀控制工程全生命周期不仅包括腐蚀控制工程全生命周期过程中各个阶段、环节，而且包含了各个阶段、环节中的关键要素。在国家标准《腐蚀控制工程生命周期 通用要求》（GB/T33314-2016）中，将腐蚀控制工程全生命周期归纳为腐蚀源、材料、技术、开发、设计、制造、施工与安装、贮存和运输、调试、验收、运行、测试检验、维护保养、修复、延寿、资源管理、报废与绿色环境处理、文件管理、评估等环节，并提出了每个环节中关键的通用要求。同时，提出了在实施腐蚀控制工程今生命周期的通用要求过程中，应以各要素为对象，优选、采用相应的具体专业技术标准和规范，使全过程链条上的模块与模块、环节与环节、节点与节点、要素与要素、局部与全局等在相互交织中达到相互支撑，相互协调，相互优化等实现腐蚀控制工程全生命周期的总目标。

2、腐蚀控制工程全生命周期各阶段的划分

为了探索、研究腐蚀控制工程全生命周期的科学内涵，可以将腐蚀控制工程全生命周期分为下面四个阶段 :

①腐蚀控制工程规划与（顶层）设计阶段

在腐蚀控制工程的规划、设计阶段，其核心工作是开展、完成腐蚀控制工程的技术决策工作。具体包括：（1）信息的收集， 即了解腐蚀源及其围绕着腐蚀源了解包括主体工程在内的腐蚀控制工程的外部腐蚀环境因素和结构、构筑物、装备材料腐蚀的内部因素；同时，了解腐蚀控制工程的技术要求与围绕着腐蚀控制工程，其所在地区或者国家的法律要求及其相应的限制规章制度等；（2）开展防腐蚀材料、技术的选择、比较与优化，包括进行所选择技术、材料的可靠性、经济性进行评估；（3）确定腐蚀控制工程顶层设计方案，并进行工程的技术经济、工程风险、环境影响和社会责任等方面的分析、评估。在此基础上，开展腐蚀控制工程的工程设计工作。

②腐蚀控制工程的建设与实施阶段

在完成腐蚀控制工程的设计之后，则主要工作是腐蚀控制工程的建设与实施，其关键在于（1）物质、人力、项目资金等三项资源的调配工作，包括材料采购、装备制造及其运输、装卸与储运等环节节点的控制等；（2）对腐蚀控制工程的质量进行监督与评估，包括安装与施工、调试与验收等工作。

③腐蚀控制工程的运行管理阶段

腐蚀控制工程一旦验收、交付使用，那么腐蚀控制工程则进入运行管理阶段。在运行管理过程中，核心工作是开展人机绩效的考核与评估。同时，开展腐蚀控制工程运行过程中风险评估及其可持续改进措施的实施，包括参与运行的技术人员、管理人员的培训考核工作。在此基础上，进一步完成腐蚀控制工程整体运行管理的评价工作。

④腐蚀控制工程的维修与延寿报废阶段

对任何工程，其设计寿命是有年限的。在日常运行过程中，对腐蚀控制工程进行维护保养是必须的。一旦腐蚀控制工程运行达到设计年限，则需要对其进行评估，即通过维修，腐蚀控制工程是否可以再继续运行使用？如果通过评估认为，即使增加投入，进行工程维修，但是从经济性方面，或者从工程运行的安全性、环保性方面，都低于预期，则对腐蚀控制工程进行报废处置。一旦对其进行报废处置，则需要进一步评估腐蚀控制工程报废过程中的安全风险、环境风险和资源化循环利用的可行性与途径等内容。

3、腐蚀控制工程全生命周期理论的科学技术问题

（1） 涉及的科学问题

当前，技术的发展已经达到相当的水平。腐蚀控制工程全寿命周期理念的提出无疑是将技术与管理相结合，促进腐蚀控制工程品质的提升。

基于腐蚀控制工程全生命周期理念的总体要求、全生命周期过程中各阶段的核心要素，结合目前腐蚀控制工程面临的实际，腐蚀控制工程全生命周期理念涉及下列科学问题有待深入研究：

基于全生命周期理论，全面系统研究腐蚀控制工程全生命周期管理科学问题，比如科学决策理论，科学评估理论等；基于腐蚀控制工程全生命周期理论，研究腐蚀控制工程哲学与伦理（Engineering philosophy & ethics） 问题。

前者主要研究分析腐蚀控制工程全生命周期过程中出现的各种问题，特别是工程决策和战略的哲学问题，工程科学、工程技术和工程项目的关系和转化问题，工程建设和产业发展的关系问题，工程活动的制度安排和社会影响问题等等；后者应用于腐蚀控制工程的道德原则系统，是工程技艺的应用伦理。开展工程伦理教育有利于提升工程师伦理素养，加强工程从业者的社会责任 ; 有利于推动可持续发展，实现人与自然、社会的协同进化 ; 有利于协调社会各群体之间的利益关系，促进社会共享、和谐发展。

在研究腐蚀控制工程全生命周期理论中科学问题的同时，进一步加强下列技术问题的解决，将有助于腐蚀控制工程全生命周期理论的完善与发展。

基于腐蚀控制工程全生命周期的科学决策和科学评估理论，开展数学建模，研究腐蚀控制工程技术、工程质量与工程运营管理定量评估的科学技术；

基于腐蚀控制工程全生命周期管理战略，研究腐蚀控制工程技术、工程质量评估和运营管理标准化技术指标体系问题；

四、结束语

在上世纪 90 年代末，曹楚南院士在接受《中国化工报》记者采访谈到：“腐蚀科学与工程这一领域关系到保护资源，节约能源，节省材料，保护环境，保证正常生产、人身安全和发展新技术等一系列重大的社会和经济问题，将是支持一个国家的国防工业与经济处于良好状态的技术支撑中的一个重要组成部分”。今天，腐蚀控制工程全生命周期的提出是一新鲜事务，亟待解决和梳理的问题还很多。然而，不管如何，随着腐蚀控制工程全生命周期理念的贯彻与实施，不仅有助于提升我国工程管理水平，而且有助于工程管理理念的更新和管理模式的变革；有助于在工程建设的管理中，充分利用大数据资源，实现腐蚀控制工程管理的精准化，这是工程建设管理模式发展的变革。有关腐蚀控制工程技术决策、工程质量评估及其运营管理标准化技术体系的建立，使得我国腐蚀控制工程的管理符合当今工业 4.0 发展的潮流，有利于我国在工程建设管理方面取得国际市场的话语权和制高点。所以，这在工程建设管理方面无疑是一次革命。