管道及储罐强度设计课程建设探讨

祝显强，董亮，周昊，周诗岽

（常州大学 石油与天然气工程学院，江苏常州 213164）

油气储运工程是连接油气生产、加工、运输、储存与消费的纽带，包括油气集输与处理、管道输送和储存、城市输配等内容，其中油气管道运输和储存设备是重要的基础能源设施，油气输配设施是民生工程[1-2]。油气储运工程专业承担着培养具备油气储运工程技术的基本理论知识和技术的应用型工程技术人才的重任，该专业课程体系由通识课程、工程基础类课程、专业基础类课程与专业类课程等理论课程和工程实践与毕业设计（论文）组成。其中，以油气集输、管道及储罐强度设计、泵与压缩机等为代表的课程是专业基础类课程的核心，对于培养应用型油气储运工程技术人才起到关键支撑作用[3]。

1 管道及储罐强度设计课程介绍

管道及储罐强度设计是油气储运工程专业本科生的基础必修课，课程从力学理论入手，建立管道和储罐结构强度的概念，介绍油气管道与储罐强度分析和设计的概念、原理及方法，总结油气管道与储罐强度设计的新技术、新方法和标准规范，涵盖了力学、材料学、工程学相关知识，是典型的多学科交叉课程[4]。油气储运系统的发展和建设，对相关设施安全性的要求越来越高，这无疑对管道及储罐强度设计课程的建设提出了新的要求。

2 管道及储罐强度设计课程开设的必要性及面临的挑战

我国经济不断发展，对能源的需求量也在不断提升。以油品为例，目前国内市场上的油品储存设施仍以储罐为主，运输设施以管道运输为主，随着能源需求量的不断增加，储罐设计容量不断增大，输送管道向着高压力、大管径、长距离的方向发展[5]。管道输送、储罐存储介质及接触外部环境使其受到内外力的作用，强度是保证其不被破坏的重要因素，管道及储罐作为油气储运工业的重要基础设施，良好的强度设计是保证管道及储罐安全工作的重要前提[4，6，7]。

管道、储罐设施通常采用钢结构，虽然钢结构塑性较好，但在多种不利因素的综合影响下，仍会发生脆性断裂，应力集中是造成钢结构脆性断裂的主要原因之一[4]。Khanukhov[8]通过统计分析储罐事故原因，表明：脆性破坏、真空形成、飓风等应力破坏导致的储罐失效占到了事故总量的72.3%，这进一步反映了良好的强度设计对保障储罐安全的重要性。管道及储罐强度设计课程作为油气储运工程专业少数专门以管道及储罐强度设计为研究主体的课程，主要介绍储运设施强度设计基础理论及分析复杂强度工程问题，培养学生运用强度设计理论解决复杂强度工程问题的能力。

图1 储罐失效因素统计图

从课程的应用层面来看，近年来为解决资源环境问题，碳达峰碳中和战略被提出并实施，氢能是能源转型升级的重要方向，也是实现碳中和目标的重要途径[9]。如何安全、高效地输送、储存氢能源已成为行业的关键问题，传统金属材料长期接触氢气易导致“氢脆”，对于氢能管道，如何进行强度设计，选取什么样的抗“氢脆”材料，是目前尚待突破的关键技术[10]，这些无疑都对管道及储罐强度设计能力提出了更高要求。对氢原子与材料内部结构作用机制及高性能氢能管道的设计等工程实际问题的深入研究，不仅要求研究人员熟悉油气储运工程，还要求其具有将力学、材料学、强度设计等知识交叉融合的能力[11]。因此，管道及储罐强度设计课程的开设具有重要的学术价值和工程应用意义。

3 管道及储罐强度设计课程教学现状及挑战

3.1 课程学习难度大，学生学习兴趣不高

与其他油气储运工程专业的基础必修课如油气集输、油库设计与管理相比，管道及储罐强度设计是典型的交叉学科，涵盖了力学、材料学、工程学多学科的内容，要求学生有一定的工程力学、理论力学基础。由于力学是非专业课程，开设较早，而管道及储罐强度设计课程多在大三下学期开设，距离学生力学课程结课已超过一学年，导致学生力学基础理论较差，对许多抽象概念难以理解。同时，由于课程中有大量公式及其推导过程，课程概念多、专业术语多，导致学生学习兴趣不高。此外，相比于传统的油气集输、油库设计与管理专业必修课程，管道及储罐强度设计课程由于侧重力学知识，且难度较大，使得学生重视程度不够，参与度偏低。

3.2 传统教学模式效果有限

受课程特点影响，课堂可展示的实物较少，教师授课多采用PPT 课件，以向学生讲授课程内容为主要方式，虽然其有利于教师充分发挥主导作用，便于对知识点由易到难、由浅入深地讲授，讲授效率虽高，但无法充分调动学生的主观能动性；同时，由于学生无法直接体验知识的应用，导致学生对知识的掌握不牢，难以培养学生解决工程实际问题的实践能力。

3.3 传统考核方式具有局限性

目前，管道及储罐强度设计课程的期末考核主要采取闭卷考试的形式，以卷面成绩作为评判学生是否掌握课程知识的依据，考核内容主要局限于教材，侧重于对概念、公式、原理的考查，忽略对实际问题处理能力的评估。此外，在实际管道及储罐强度工程设计中，通常运用合适的数值计算软件进行分析、计算，因此，课程中与强度设计相关的知识应以软件应用为基础，培养学生对复杂强度工程问题独立提出经济、合理的解决方案的能力，而传统考核方法难以考查这种能力。

3.4 教学内容前沿性不足

以常州大学为例，管道及储罐强度设计课程选用的教材为石油工业出版社2006 年出版的《管道及储罐强度设计》（帅健主编）[4]，内容侧重于传统线路管道、穿跨越管道、海底管道、油罐的受力分析及校核以及在役管道的剩余强度评价，重点分析油气资源这一输送介质。国家能源局于2022 年3 月23 日发布《氢能产业发展中长期规划（2021—2035 年）》，指出氢能是助力国家实现碳达峰碳中和目标的重要路径[12]，这意味着氢能储运的发展将持续加快，而氢气输送管道的材质选择、强度设计与校核与传统油气管道区别较大，目前教学中对于该典型问题的讲授较少，对领域内前沿知识的关注度不高，是管道及储罐强度设计课程建设的短板之一。

4 管道及储罐强度设计课程建设策略

4.1 讲授—研讨式教学

讲授法是指教师通过简明、生动的语言向学生传授知识。由于管道及储罐强度设计课程概念较为抽象，公式推导较为复杂，故而教师采用传统的讲授法，将抽象的力学概念具体化，帮助学生更快进入学习状态。此种方法要求教师熟悉教材内容，并采用生动的教学方法传授知识，比如在讲解屈服四阶段时，可选用实物实验或实验视频的形式，使学生更直观感受屈服四阶段，加深印象，增强学习兴趣。

学生需要对学习的知识加以建构，而这些知识的建构需以实践和应用作为媒介。通过研讨式教学，教师可结合课堂教授内容或依托油气储运设计大赛赛题，创设问题情境，激发学生主动思考、主动参与，可采用师生共同查阅文献、提出方案、实践探索的方法，提高学生的课堂参与度[13]。讲授—研讨式教学拟实现教与学的有机统一，管道及储罐强度设计课程采用讲授—研讨式教学，能够有效提高学生管道强度设计方面的综合素养。

4.2 教学内容与时俱进

在低碳化、电气化、数字化、智能化的发展趋势下，实现课程内容与行业发展的深度融合是保障教学内容先进性的重要措施。选用最新出版的教材是首要工作，教师还可引导学生利用观看在线视频、参与论坛讨论、参加专家讲座等方式进行学习。比如，对于“氢能输送管道的强度设计和材料选择”，教师可举办专题讲座，让学生自由分组，通过文献调研、标准查阅、方案设计，总结新领域的发展趋势和已有成果，一方面加强学生主动参与的积极性，另一方面确保教学内容的前沿性，提升学生的创新意识。对于教师而言，要保障教学内容与时俱进，就要实现教学与科研相结合，及时将先进的科研成果补充进课程内容，同时，可以观看与课程相关的国内外名校的公开课、精品课，取长补短，保证教学内容的动态更新。

4.3 评价、考核多元化

课程考核应提高学生实践环节的占比，例如对学生的团队分工、文献调研、方案设计、项目汇报等环节进行考核，侧重课程内容的应用需求[14]。此外，除教材内容以外，应加强对学生使用数值计算软件能力的考核，侧重考核学生运用课程知识和软件技术提出复杂管道强度设计方案的能力，贴合科研和应用需求。例如：创设油气井油管强度性能校核问题，要求学生利用ANSYS 软件，针对油气井实际生产情况，对油管进行三维建模，并对其强度进行受力校核，对油管在实际生产环境中的力学表现进行仿真，提出油管优选和校核方案。课程结束后，增加课程考核匿名问卷调查环节，教师对学生普遍反映的问题加以反思，并在教学过程中做出改进，实现教学质量可持续性提升。

5 结语

从我国国情和课程应用来看，管道及储罐强度设计课程在油气储运工程专业领域具有重要基础作用，但是传统的课堂教学模式、教学内容已无法满足新时代高等教育一流本科课程建设的要求。因此，课程教学形式、教学内容及考核评价方式需持续改进和优化，做到与时俱进，通过完善教学内容和教学考核评价体系，培养学生解决实际油气储运工程及设施中的复杂强度设计问题的实践能力，使学生能够将知识转化为行业所需的综合能力，满足行业发展及新工科建设对于人才培养的要求。