基于層次分析法的輸氣管道綜合腐蝕行為研究

中國石油管道局工程有限公司

西氣東輸管線為我國戰(zhàn)略性能源通道，已經(jīng)建設(shè)至第三期，大多采用X70管線鋼。管線西起塔里木盆地的輪南，東至上海，全長4 200 km，供氣范圍覆蓋中原、華東、長江三角洲地區(qū)，具有輸氣管道口徑大、距離長、跨度廣等特點。長輸天然氣管道的腐蝕及防護工作已成為保障西氣東輸?shù)闹匾獌?nèi)容之一，針對輸氣管道腐蝕防護，國內(nèi)外研究者開展了大量的研究工作。秦風(fēng)等介紹了埋地管道的失效原因以及各類檢測方法的優(yōu)缺點，并且提出了相應(yīng)的防腐蝕措施[1]；柳華偉等以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合管道的實際運營參數(shù)建立了模糊綜合評價模型，評價了埋地管道腐蝕狀況[2]；王洪志等介紹了輸氣管道外腐蝕檢測技術(shù)在我國某管道上的應(yīng)用實踐，用多種間接檢測方法和矩陣綜合評價方法篩選直接開挖點[3]；楊晶華等介紹了吉林東大天然氣管道防腐工藝措施，提出了一系列的防腐方式[4]?？傮w來看，諸多的輸氣管道腐蝕及防護研究，大都側(cè)重于管道內(nèi)外腐蝕檢測、室內(nèi)試樣掛片腐蝕分析以及防腐措施的完善，對于長輸管道綜合腐蝕情況分析評價有待進一步研究[5-8]。本文以西氣東輸輸氣管道為實例，分析了管道穿越區(qū)現(xiàn)場不同土壤環(huán)境下管道的真實腐蝕情況，利用數(shù)學(xué)建模理論進行層次分析（AHP）建模，可為判別輸氣管道沿線腐蝕情況及腐蝕防護措施的制定提供借鑒。

1 層次分析法

層次分析法計算步驟如下[9]：

（1）確定問題，構(gòu)建物理模型并收集數(shù)據(jù)。

（2）依次構(gòu)建最高層（目標層）、中間層（準則層）、最低層（方案層）的層次結(jié)構(gòu)模型。

（3）兩兩比較打分，確定下層對上層的分數(shù)。

準則層中的各準則在目標衡量中所占的比重并不一定相同，在決策者的心目中，它們各占有一定的比例。用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為標度來定義判斷矩陣A=(aij)n×n（表1）。

表1 判斷矩陣標度定義Tab.1 Scaling definition of judgment matrix

（4）一致性檢驗。計算一致性指標CI

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值。

查找一致性指標RI，計算一致性比例CR

當(dāng)CR＜0.10時，認為通過了一次性檢驗，否則應(yīng)做適當(dāng)修正。

（5）計算權(quán)重向量Wi。層次分析法有幾種計算方法求權(quán)重：算術(shù)平均法、幾何平均法、特征向量法。本文選用幾何平均法（方根法）。

幾何平均法求權(quán)重公式為

計算步驟：①A的元素按行相乘得一新向量；②將新向量的每個分量開n次方；③將所得向量歸一化即為權(quán)重向量。

2 不同土壤環(huán)境的管道腐蝕情況

（1）寧夏中衛(wèi)中性土壤。通過某陰極防腐站實地土壤X70鋼掛片埋藏試驗及其上報的數(shù)據(jù)可知，掛片埋藏60天內(nèi)腐蝕一直在發(fā)生，且速率變化未達到穩(wěn)定值，其腐蝕情況與溫度升高成正比。根據(jù)當(dāng)前已有數(shù)據(jù)整理后暫時認定為：環(huán)境溫度45 ℃、10%含水率條件下的土壤中，埋藏至15天時X70鋼掛片腐蝕率最大，但后續(xù)如繼續(xù)埋藏則腐蝕仍然進行。

（2）江西樟樹酸性土壤。酸性土壤會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的多種腐蝕，其中應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）最具代表性，裂紋擴展機制多為穿晶裂紋。根據(jù)某陰極防腐站實地土壤X70鋼掛片埋藏結(jié)果來看，土壤環(huán)境含水率與腐蝕速率成正比，當(dāng)土壤達到最高飽和含水率時其腐蝕速率最大。金屬表面腐蝕情況由點蝕發(fā)展至局部環(huán)狀腐蝕最后發(fā)展至全面均勻腐蝕，據(jù)核算，該站點實地土壤情況下13%含水率時腐蝕情況達到頂峰。

（3）大港濱海鹽堿土壤。堿性土壤環(huán)境下的腐蝕情況會因為不同鹽堿類型而產(chǎn)生細微變化，從大港濱海鹽堿土壤X70鋼腐蝕情況上報數(shù)據(jù)可以看出，土壤含水率為發(fā)生腐蝕的主導(dǎo)性因素，其中土壤含水率達到25%時腐蝕速率最大。從掛片腐蝕形貌可以看出，當(dāng)含水率在25%以下時掛片表面顯示為局部腐蝕，當(dāng)含水率達到30%時表面腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚋g。

（4）庫爾勒鹽堿土。在西北內(nèi)陸堿性土壤環(huán)境中，庫爾勒鹽堿土極具代表性。其中該區(qū)域X70鋼耐腐蝕程度較好，腐蝕主要由Cl-及全鹽含量主導(dǎo)，含水量只對早期腐蝕發(fā)展產(chǎn)生一定的影響，但總體影響不大，更不會對腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其元素構(gòu)成造成影響。通過掛片腐蝕形貌特征來看，早期以點狀腐蝕為主，隨后開始縱/橫向的腐蝕性擴散，其中橫向發(fā)展較快，其腐蝕產(chǎn)物主要為氧化鐵產(chǎn)物，偶見氯化鐵產(chǎn)物，狀態(tài)顯疏松。

通過對上述西氣東輸沿線各站點不同土壤環(huán)境X70鋼真實腐蝕情況進行收集，運用層次分析法建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型進行權(quán)重化分析，進而進行綜合腐蝕研究性預(yù)測。綜合腐蝕行為結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

3 模擬仿真

綜合腐蝕行為分析各判斷矩陣如表2～表13所列。通過以上西氣東輸各種土壤類型實地腐蝕性對比可知，酸性、堿性土壤相對中性土壤具有一定腐蝕性，而酸性土壤相對堿性土壤腐蝕性稍強，所以進行矩陣構(gòu)造時需要兩兩打分，結(jié)果如表2所示。

圖1 X70鋼綜合腐蝕行為結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural model of comperehensive corrosion behavior of X70 steel

表2 矩陣A 運算Tab.2 Operation of matrix A

通過酸性土壤環(huán)境下真實X70鋼管網(wǎng)腐蝕情況可得，江蘇南京段腐蝕情況相比江西樟樹段略微嚴重，所以兩兩對比打分設(shè)為2，稍微重要，如表3所示。

表3 矩陣B1 運算Tab.3 Operation of matrix B1

通過江蘇南京段腐蝕情況反饋結(jié)果進行該段酸性土壤環(huán)境下各腐蝕因素兩兩對比。其中土壤環(huán)境含水率與腐蝕速率成正比，當(dāng)土壤達到最高飽和含水率時其腐蝕速率最大。酸性土壤環(huán)境下含水率腐蝕與交流電腐蝕占主導(dǎo)地位，其中氯離子、含水率、交流電對于腐蝕發(fā)生有互助作用。通過現(xiàn)場反饋結(jié)果，江蘇南京段腐蝕主要由含水率造成，其中氯離子有促進作用，所以依次進行相關(guān)性打分。而硫酸鹽還原菌（SRB）作用尚不明確，但也不能排除其對腐蝕的影響，所以暫時將其設(shè)定為最弱，與交流電對腐蝕影響貢獻相當(dāng)，如表4所示。

通過江西樟樹段腐蝕情況反饋結(jié)果進行該段酸性土壤環(huán)境下各腐蝕因素兩兩對比。酸性土壤環(huán)境下含水率腐蝕與交流電腐蝕占主導(dǎo)地位，其中氯離子、含水率、交流電對于腐蝕發(fā)生有互助作用。與江蘇南京段腐蝕情況略微不同的是，江西段酸性土壤環(huán)境下的X70鋼應(yīng)力腐蝕開裂與外加電位有關(guān)。若環(huán)境中外加電位強，則裂尖（或點蝕坑底）與非裂尖區(qū)受陽極控制力度大，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂概率低。當(dāng)電位持續(xù)降低時，X70鋼腐蝕受混合電極作用，裂尖與非裂尖區(qū)分別受陽/陰陽極過程控制，所以暫且判定交流電對腐蝕影響貢獻較大，依舊判定SRB細菌作用尚不明確，且SRB作用/交流電權(quán)重打分為1/3，含水率/交流電為2，氯離子/交流電為1/2。其余判定含水率與氯離子腐蝕貢獻相當(dāng)，對比結(jié)果為1，而SRB作用/含水率為1/3；SRB作用/氯離子為1/2區(qū)別對待，最終形成的矩陣構(gòu)造如表5所示。

表4 矩陣C1運算Tab.4 Operation of matrix C1

表5 矩陣C2運算Tab.5 Operation of matrix C2

通過堿性土壤環(huán)境下真實X70鋼管網(wǎng)腐蝕情況可得，大港濱海段腐蝕情況相比庫爾勒段略微嚴重，所以兩兩對比打分設(shè)為2，稍微重要，如表6所示。

表6 矩陣B2運算Tab.6 Operation of matrix B2

對堿性土壤中大港濱海段海洋氣候土壤環(huán)境下各腐蝕因素兩兩對比，其中海洋環(huán)境堿性土壤環(huán)境中腐蝕情況會因為不同鹽堿類型而產(chǎn)生細微變化。在此對比判定時認定為土壤含水率與離子活躍程度對腐蝕發(fā)生貢獻率較高，所以設(shè)SRB作用/含水率為1/3，SRB作用/氯離子為1/2，同樣不否認土壤SRB作用對腐蝕有一定影響，但因現(xiàn)場上報數(shù)據(jù)及試驗手段影響，未對該因素產(chǎn)生有效描述。為區(qū)別對待，設(shè)SRB作用/交流電權(quán)重打分為1。通過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)可知，X70鋼在大港濱海鹽漬土中隨著含水率增加自腐蝕電位負移，傾向增加，電極表面狀態(tài)穩(wěn)定時間縮短，腐蝕電流密度隨含水率的增加呈拋物線趨勢（先增后減）?？梢娊涣麟娕c含水率在一定范圍內(nèi)進行交叉互促影響，所以設(shè)含水率/交流電權(quán)重為1。氯離子相對含水率與交流電對腐蝕發(fā)生影響有限，故含水率/氯離子為2，氯離子/交流電設(shè)為1/2，最終形成的矩陣構(gòu)造如表7所示。

表7 矩陣C3運算Tab.7 Operation of matrix C3

對堿性土壤中西北干旱地區(qū)庫爾勒段土壤環(huán)境下各腐蝕因素兩兩對比。由于該地區(qū)較為干旱，所以含水率只對早期腐蝕發(fā)展產(chǎn)生一定影響，該區(qū)域X70鋼耐腐蝕程度較好，腐蝕主要由Cl-及全鹽含量主導(dǎo)。所以設(shè)含水率/氯離子為1/3，含水率/交流電為3，最后設(shè)氯離子/交流電為3。同樣根據(jù)上報數(shù)據(jù)和現(xiàn)場試驗設(shè)施現(xiàn)狀無法進行SRB腐蝕作用測定，所以設(shè)SRB作用/含水率為1，最終形成的矩陣構(gòu)造如表8所示。

表8 矩陣C4運算Tab.8 Operation of matrix C4

通過中性土壤環(huán)境下真實X70鋼管網(wǎng)腐蝕情況可得，同種土壤環(huán)境及氣候條件下的寧夏中衛(wèi)段與甘肅酒泉段X70鋼掛片腐蝕程度相當(dāng)，所以兩兩對比打分設(shè)為1，如表9所示。

表9 矩陣B3運算Tab.9 Operation of matrix B3

對典型西北中性土壤環(huán)境下寧夏中衛(wèi)段各腐蝕因素兩兩對比。首先根據(jù)該站上報腐蝕數(shù)據(jù)綜合分析得知，寧夏中衛(wèi)中性土壤礦物質(zhì)含量有限，且土壤較為干燥，電化學(xué)腐蝕與離子作用影響較弱。該種環(huán)境下土壤在20%含水率時腐蝕作用反而相對較小，而當(dāng)?shù)馗珊瞪儆隁夂虺?dǎo)致土壤含水在10%左右。所以認定該地含水率對其腐蝕發(fā)生貢獻率最大，設(shè)SRB作用/含水率和SRB作用/交流電權(quán)重打分為1/2，SRB作用/氯離子和含水率/氯離子權(quán)重打分為1，含水率/交流電權(quán)重打分為3，氯離子/交流電權(quán)重打分為2，最終形成的矩陣構(gòu)造如表10所示。

表10 矩陣C5運算Tab.10 Operation of matrix C5

由于中性土壤氣候環(huán)境大同小異，其土壤腐蝕特征相當(dāng)。為區(qū)別對待，在甘肅酒泉段中性土壤環(huán)境矩陣構(gòu)造下略微修改權(quán)重比值，在此不一一介紹該矩陣構(gòu)造思路，如表11所示。

表11 矩陣C6運算Tab.11 Operation of matrix C6

通過一致性檢測，以上矩陣構(gòu)造準確無誤，一致性檢測通過，數(shù)?？尚?。綜上所述，其X70鋼管線在實際土壤環(huán)境中的腐蝕影響有著權(quán)重性先后次序。以西氣東輸管網(wǎng)為例，其腐蝕行為影響因素權(quán)重從大到小排列順序為：含水率D2、氯離子D3、交流電D4、SRB作用D1。其在不同土壤環(huán)境下腐蝕程度排序為：酸性土壤環(huán)境B1、堿性土壤環(huán)境B2、中性土壤環(huán)境B3（表12、表13）。所以下步應(yīng)針對不同土壤環(huán)境下的腐蝕影響細則進行腐蝕性影響因素預(yù)測，并以此制定相應(yīng)防腐措施，綜合保護管網(wǎng)。

表12 中間層權(quán)重排序Tab.12 Intermediate weight ranking

表13 方案層權(quán)重排序Tab.13 Schemes layer weight ranking

在酸性土壤中，各方案層中的因素靈敏度分析預(yù)測曲線斜率較為平穩(wěn)。唯獨D2顯現(xiàn)為活躍靈敏度變化，且隨酸性土壤環(huán)境的變化，含水率呈正相關(guān)性，進一步證明酸性土壤環(huán)境下含水率對于腐蝕的貢獻大。而D3在酸性土壤環(huán)境下對腐蝕影響呈負相關(guān)，且與D2呈線性反向變化，證明當(dāng)含水率增加到一定程度時其D3對于腐蝕影響貢獻率低。而D1和D4在酸性土壤腐蝕過程中的靈敏度表現(xiàn)不活躍，所以一直對整個腐蝕行為產(chǎn)生貢獻，周期性長但顯著性不明顯，可與其他腐蝕影響因素發(fā)生交互作用，共同促進腐蝕的發(fā)生。值得注意的是D3和D4在全過程預(yù)測中有點交互現(xiàn)象，而進一步研究可以看出，D4在中性土壤中對腐蝕貢獻成弱遞減趨勢，說明離子增加與否對于電化學(xué)腐蝕影響不顯著，反而是D2線性變化與D4的腐蝕貢獻率表現(xiàn)相當(dāng)，進一步證明含水對于腐蝕發(fā)生的首要貢獻性（圖2）。

圖2 酸性土壤靈敏度分析預(yù)測曲線Fig.2 Prediction curve of sensitivity analysis for acidic soil

在堿性土壤中，各方案層中的因素靈敏度分析預(yù)測曲線斜率較為平穩(wěn)。唯獨D2和D3顯現(xiàn)為活躍靈敏度變化，且呈負相關(guān)性。在堿性土壤環(huán)境中，含水率對腐蝕影響越來越小，而D3越來越大。進一步證明堿性土壤環(huán)境下腐蝕發(fā)生主要由D3及全鹽含量主導(dǎo)，而隨著含水率的變化而變化，說明含水率與氯離子存在具有負相關(guān)性。而D1和D4在堿性土壤腐蝕過程中的靈敏度表現(xiàn)不活躍，所以一直對整個腐蝕行為產(chǎn)生貢獻，周期性長但顯著性不明顯，可和其他腐蝕影響因素發(fā)生交互作用，共同促進腐蝕的發(fā)生。值得注意的是，離子活動和電化學(xué)反應(yīng)息息相關(guān)，所以氯離子對于腐蝕的貢獻在堿性土壤中會和交流電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生交互促進（圖3）。

在中性土壤中，除了D1線性斜率平穩(wěn)，對腐蝕影響較低但存在于全過程外，其余各方案層中的因素靈敏度分析預(yù)測曲線斜率都較為顯著。首先可以看出D2和D3在全腐蝕預(yù)測中發(fā)生了一次點狀交互，證明在中性土壤中的腐蝕貢獻率最高點并不是單一線性的。通過以上真實腐蝕研究情況，寧夏中衛(wèi)中性土壤中，根據(jù)當(dāng)前已有數(shù)據(jù)整理后暫時認定為，環(huán)境溫度為45 ℃的10%含水條件下的土壤中，埋藏至15天X70鋼掛片腐蝕率最大，說明預(yù)測模型可行。而進一步研究可以看出，D4在中性土壤中對腐蝕貢獻呈弱遞減趨勢，說明離子增加與否對于電化學(xué)腐蝕影響不顯著，反而是D2線性變化與D4的腐蝕貢獻率表現(xiàn)相當(dāng)。進一步證明含水對于腐蝕發(fā)生的首要貢獻性（圖4）。

圖3 堿性土壤靈敏度分析預(yù)測曲線Fig.3 Prediction curve for sensitivity analysis of alkaline soil

圖4 中性土壤靈敏度分析預(yù)測曲線Fig.4 Prediction curve for sensitivity analysis of neutral soil

4 結(jié)論

從西氣東輸各站點實地腐蝕研究情況可以看出，腐蝕的發(fā)生需要多重因素的共同促進，且真實土壤環(huán)境下的腐蝕情況更為復(fù)雜。通過數(shù)據(jù)收集與AHP建?？梢缘贸觯涸诓煌寥拉h(huán)境下管道腐蝕程度大小排序為酸性土壤環(huán)境、堿性土壤環(huán)境、中性土壤環(huán)境。以西氣東輸管網(wǎng)為例，其腐蝕行為影響因素權(quán)重從大到小排列順序為含水率、氯離子、交流電、SRB作用。