祝顯強，董亮，周昊，周詩崠

（常州大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，江蘇常州 213164）

油氣儲運工程是連接油氣生產(chǎn)、加工、運輸、儲存與消費的紐帶，包括油氣集輸與處理、管道輸送和儲存、城市輸配等內(nèi)容，其中油氣管道運輸和儲存設(shè)備是重要的基礎(chǔ)能源設(shè)施，油氣輸配設(shè)施是民生工程[1-2]。油氣儲運工程專業(yè)承擔(dān)著培養(yǎng)具備油氣儲運工程技術(shù)的基本理論知識和技術(shù)的應(yīng)用型工程技術(shù)人才的重任，該專業(yè)課程體系由通識課程、工程基礎(chǔ)類課程、專業(yè)基礎(chǔ)類課程與專業(yè)類課程等理論課程和工程實踐與畢業(yè)設(shè)計（論文）組成。其中，以油氣集輸、管道及儲罐強度設(shè)計、泵與壓縮機等為代表的課程是專業(yè)基礎(chǔ)類課程的核心，對于培養(yǎng)應(yīng)用型油氣儲運工程技術(shù)人才起到關(guān)鍵支撐作用[3]。

1 管道及儲罐強度設(shè)計課程介紹

管道及儲罐強度設(shè)計是油氣儲運工程專業(yè)本科生的基礎(chǔ)必修課，課程從力學(xué)理論入手，建立管道和儲罐結(jié)構(gòu)強度的概念，介紹油氣管道與儲罐強度分析和設(shè)計的概念、原理及方法，總結(jié)油氣管道與儲罐強度設(shè)計的新技術(shù)、新方法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，涵蓋了力學(xué)、材料學(xué)、工程學(xué)相關(guān)知識，是典型的多學(xué)科交叉課程[4]。油氣儲運系統(tǒng)的發(fā)展和建設(shè)，對相關(guān)設(shè)施安全性的要求越來越高，這無疑對管道及儲罐強度設(shè)計課程的建設(shè)提出了新的要求。

2 管道及儲罐強度設(shè)計課程開設(shè)的必要性及面臨的挑戰(zhàn)

我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，對能源的需求量也在不斷提升。以油品為例，目前國內(nèi)市場上的油品儲存設(shè)施仍以儲罐為主，運輸設(shè)施以管道運輸為主，隨著能源需求量的不斷增加，儲罐設(shè)計容量不斷增大，輸送管道向著高壓力、大管徑、長距離的方向發(fā)展[5]。管道輸送、儲罐存儲介質(zhì)及接觸外部環(huán)境使其受到內(nèi)外力的作用，強度是保證其不被破壞的重要因素，管道及儲罐作為油氣儲運工業(yè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，良好的強度設(shè)計是保證管道及儲罐安全工作的重要前提[4，6，7]。

管道、儲罐設(shè)施通常采用鋼結(jié)構(gòu)，雖然鋼結(jié)構(gòu)塑性較好，但在多種不利因素的綜合影響下，仍會發(fā)生脆性斷裂，應(yīng)力集中是造成鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的主要原因之一[4]。Khanukhov[8]通過統(tǒng)計分析儲罐事故原因，表明：脆性破壞、真空形成、颶風(fēng)等應(yīng)力破壞導(dǎo)致的儲罐失效占到了事故總量的72.3%，這進一步反映了良好的強度設(shè)計對保障儲罐安全的重要性。管道及儲罐強度設(shè)計課程作為油氣儲運工程專業(yè)少數(shù)專門以管道及儲罐強度設(shè)計為研究主體的課程，主要介紹儲運設(shè)施強度設(shè)計基礎(chǔ)理論及分析復(fù)雜強度工程問題，培養(yǎng)學(xué)生運用強度設(shè)計理論解決復(fù)雜強度工程問題的能力。

圖1 儲罐失效因素統(tǒng)計圖

從課程的應(yīng)用層面來看，近年來為解決資源環(huán)境問題，碳達峰碳中和戰(zhàn)略被提出并實施，氫能是能源轉(zhuǎn)型升級的重要方向，也是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要途徑[9]。如何安全、高效地輸送、儲存氫能源已成為行業(yè)的關(guān)鍵問題，傳統(tǒng)金屬材料長期接觸氫氣易導(dǎo)致“氫脆”，對于氫能管道，如何進行強度設(shè)計，選取什么樣的抗“氫脆”材料，是目前尚待突破的關(guān)鍵技術(shù)[10]，這些無疑都對管道及儲罐強度設(shè)計能力提出了更高要求。對氫原子與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用機制及高性能氫能管道的設(shè)計等工程實際問題的深入研究，不僅要求研究人員熟悉油氣儲運工程，還要求其具有將力學(xué)、材料學(xué)、強度設(shè)計等知識交叉融合的能力[11]。因此，管道及儲罐強度設(shè)計課程的開設(shè)具有重要的學(xué)術(shù)價值和工程應(yīng)用意義。

3 管道及儲罐強度設(shè)計課程教學(xué)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

3.1 課程學(xué)習(xí)難度大，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高

與其他油氣儲運工程專業(yè)的基礎(chǔ)必修課如油氣集輸、油庫設(shè)計與管理相比，管道及儲罐強度設(shè)計是典型的交叉學(xué)科，涵蓋了力學(xué)、材料學(xué)、工程學(xué)多學(xué)科的內(nèi)容，要求學(xué)生有一定的工程力學(xué)、理論力學(xué)基礎(chǔ)。由于力學(xué)是非專業(yè)課程，開設(shè)較早，而管道及儲罐強度設(shè)計課程多在大三下學(xué)期開設(shè)，距離學(xué)生力學(xué)課程結(jié)課已超過一學(xué)年，導(dǎo)致學(xué)生力學(xué)基礎(chǔ)理論較差，對許多抽象概念難以理解。同時，由于課程中有大量公式及其推導(dǎo)過程，課程概念多、專業(yè)術(shù)語多，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高。此外，相比于傳統(tǒng)的油氣集輸、油庫設(shè)計與管理專業(yè)必修課程，管道及儲罐強度設(shè)計課程由于側(cè)重力學(xué)知識，且難度較大，使得學(xué)生重視程度不夠，參與度偏低。

3.2 傳統(tǒng)教學(xué)模式效果有限

受課程特點影響，課堂可展示的實物較少，教師授課多采用PPT 課件，以向?qū)W生講授課程內(nèi)容為主要方式，雖然其有利于教師充分發(fā)揮主導(dǎo)作用，便于對知識點由易到難、由淺入深地講授，講授效率雖高，但無法充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性；同時，由于學(xué)生無法直接體驗知識的應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)生對知識的掌握不牢，難以培養(yǎng)學(xué)生解決工程實際問題的實踐能力。

3.3 傳統(tǒng)考核方式具有局限性

目前，管道及儲罐強度設(shè)計課程的期末考核主要采取閉卷考試的形式，以卷面成績作為評判學(xué)生是否掌握課程知識的依據(jù)，考核內(nèi)容主要局限于教材，側(cè)重于對概念、公式、原理的考查，忽略對實際問題處理能力的評估。此外，在實際管道及儲罐強度工程設(shè)計中，通常運用合適的數(shù)值計算軟件進行分析、計算，因此，課程中與強度設(shè)計相關(guān)的知識應(yīng)以軟件應(yīng)用為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生對復(fù)雜強度工程問題獨立提出經(jīng)濟、合理的解決方案的能力，而傳統(tǒng)考核方法難以考查這種能力。

3.4 教學(xué)內(nèi)容前沿性不足

以常州大學(xué)為例，管道及儲罐強度設(shè)計課程選用的教材為石油工業(yè)出版社2006 年出版的《管道及儲罐強度設(shè)計》（帥健主編）[4]，內(nèi)容側(cè)重于傳統(tǒng)線路管道、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強度評價，重點分析油氣資源這一輸送介質(zhì)。國家能源局于2022 年3 月23 日發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035 年）》，指出氫能是助力國家實現(xiàn)碳達峰碳中和目標(biāo)的重要路徑[12]，這意味著氫能儲運的發(fā)展將持續(xù)加快，而氫氣輸送管道的材質(zhì)選擇、強度設(shè)計與校核與傳統(tǒng)油氣管道區(qū)別較大，目前教學(xué)中對于該典型問題的講授較少，對領(lǐng)域內(nèi)前沿知識的關(guān)注度不高，是管道及儲罐強度設(shè)計課程建設(shè)的短板之一。

4 管道及儲罐強度設(shè)計課程建設(shè)策略

4.1 講授—研討式教學(xué)

講授法是指教師通過簡明、生動的語言向?qū)W生傳授知識。由于管道及儲罐強度設(shè)計課程概念較為抽象，公式推導(dǎo)較為復(fù)雜，故而教師采用傳統(tǒng)的講授法，將抽象的力學(xué)概念具體化，幫助學(xué)生更快進入學(xué)習(xí)狀態(tài)。此種方法要求教師熟悉教材內(nèi)容，并采用生動的教學(xué)方法傳授知識，比如在講解屈服四階段時，可選用實物實驗或?qū)嶒炓曨l的形式，使學(xué)生更直觀感受屈服四階段，加深印象，增強學(xué)習(xí)興趣。

學(xué)生需要對學(xué)習(xí)的知識加以建構(gòu)，而這些知識的建構(gòu)需以實踐和應(yīng)用作為媒介。通過研討式教學(xué)，教師可結(jié)合課堂教授內(nèi)容或依托油氣儲運設(shè)計大賽賽題，創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生主動思考、主動參與，可采用師生共同查閱文獻、提出方案、實踐探索的方法，提高學(xué)生的課堂參與度[13]。講授—研討式教學(xué)擬實現(xiàn)教與學(xué)的有機統(tǒng)一，管道及儲罐強度設(shè)計課程采用講授—研討式教學(xué)，能夠有效提高學(xué)生管道強度設(shè)計方面的綜合素養(yǎng)。

4.2 教學(xué)內(nèi)容與時俱進

在低碳化、電氣化、數(shù)字化、智能化的發(fā)展趨勢下，實現(xiàn)課程內(nèi)容與行業(yè)發(fā)展的深度融合是保障教學(xué)內(nèi)容先進性的重要措施。選用最新出版的教材是首要工作，教師還可引導(dǎo)學(xué)生利用觀看在線視頻、參與論壇討論、參加專家講座等方式進行學(xué)習(xí)。比如，對于“氫能輸送管道的強度設(shè)計和材料選擇”，教師可舉辦專題講座，讓學(xué)生自由分組，通過文獻調(diào)研、標(biāo)準(zhǔn)查閱、方案設(shè)計，總結(jié)新領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和已有成果，一方面加強學(xué)生主動參與的積極性，另一方面確保教學(xué)內(nèi)容的前沿性，提升學(xué)生的創(chuàng)新意識。對于教師而言，要保障教學(xué)內(nèi)容與時俱進，就要實現(xiàn)教學(xué)與科研相結(jié)合，及時將先進的科研成果補充進課程內(nèi)容，同時，可以觀看與課程相關(guān)的國內(nèi)外名校的公開課、精品課，取長補短，保證教學(xué)內(nèi)容的動態(tài)更新。

4.3 評價、考核多元化

課程考核應(yīng)提高學(xué)生實踐環(huán)節(jié)的占比，例如對學(xué)生的團隊分工、文獻調(diào)研、方案設(shè)計、項目匯報等環(huán)節(jié)進行考核，側(cè)重課程內(nèi)容的應(yīng)用需求[14]。此外，除教材內(nèi)容以外，應(yīng)加強對學(xué)生使用數(shù)值計算軟件能力的考核，側(cè)重考核學(xué)生運用課程知識和軟件技術(shù)提出復(fù)雜管道強度設(shè)計方案的能力，貼合科研和應(yīng)用需求。例如：創(chuàng)設(shè)油氣井油管強度性能校核問題，要求學(xué)生利用ANSYS 軟件，針對油氣井實際生產(chǎn)情況，對油管進行三維建模，并對其強度進行受力校核，對油管在實際生產(chǎn)環(huán)境中的力學(xué)表現(xiàn)進行仿真，提出油管優(yōu)選和校核方案。課程結(jié)束后，增加課程考核匿名問卷調(diào)查環(huán)節(jié)，教師對學(xué)生普遍反映的問題加以反思，并在教學(xué)過程中做出改進，實現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量可持續(xù)性提升。

5 結(jié)語

從我國國情和課程應(yīng)用來看，管道及儲罐強度設(shè)計課程在油氣儲運工程專業(yè)領(lǐng)域具有重要基礎(chǔ)作用，但是傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容已無法滿足新時代高等教育一流本科課程建設(shè)的要求。因此，課程教學(xué)形式、教學(xué)內(nèi)容及考核評價方式需持續(xù)改進和優(yōu)化，做到與時俱進，通過完善教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)考核評價體系，培養(yǎng)學(xué)生解決實際油氣儲運工程及設(shè)施中的復(fù)雜強度設(shè)計問題的實踐能力，使學(xué)生能夠?qū)⒅R轉(zhuǎn)化為行業(yè)所需的綜合能力，滿足行業(yè)發(fā)展及新工科建設(shè)對于人才培養(yǎng)的要求。