基于腐蝕速率預(yù)測的管道安全運(yùn)行技術(shù)研究

蔣濤 劉寶海 賈明德 張文輝 馬偉平

（1.中國石油管道局工程有限公司燃?xì)夥止荆?.中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司；3.中國石油管道局工程有限公司第四分公司；4.國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司蘭州輸油氣分公司；5.中國石油管道科技研究中心）

腐蝕、制管缺陷和第三方破壞是導(dǎo)致管道油氣泄漏和失效事故的重要因素，其中腐蝕致因事故約占管道總體事故比例30%以上[1]。陰極保護(hù)是延長管道壽命、保證管道安全運(yùn)行的可靠技術(shù)。腐蝕速率是評價(jià)管道陰極保護(hù)有效性的重要準(zhǔn)則，也是判定管道腐蝕變化趨勢的依據(jù)[2]。我國長輸管道已全面實(shí)施GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》，該標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定實(shí)施管道內(nèi)檢測獲取缺陷數(shù)據(jù)，根據(jù)計(jì)算腐蝕速率制定管道維修計(jì)劃；監(jiān)測腐蝕缺陷發(fā)展趨勢，確定管道剩余壽命和再檢測周期，保障管道安全運(yùn)行[3]。準(zhǔn)確的管道腐蝕速率有助于管道管理者科學(xué)監(jiān)測腐蝕缺陷，合理安排管道維修和內(nèi)檢測作業(yè)，管道腐蝕速率預(yù)測已成為確保管道安全運(yùn)行的有效手段。

1 管道腐蝕速率研究方法

國內(nèi)外管道行業(yè)已開展的腐蝕速率研究方法包括試驗(yàn)法、NACE 經(jīng)驗(yàn)值、數(shù)學(xué)分析方法和基于內(nèi)檢測的完整性評價(jià)法。試驗(yàn)法從模擬管道真實(shí)環(huán)境角度，側(cè)重研究腐蝕機(jī)理和影響因素；NACE 腐蝕速率推薦值屬于經(jīng)驗(yàn)方法，主要用于判斷管道腐蝕嚴(yán)重性程度和指導(dǎo)陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；數(shù)學(xué)分析法適用于管道數(shù)據(jù)收集有限、腐蝕機(jī)理復(fù)雜（微生物腐蝕、內(nèi)腐蝕）和油田集輸管道的情形。內(nèi)檢測已成為新建管道和在役管道檢驗(yàn)檢測的規(guī)定做法，也是確定腐蝕速率以及腐蝕變化趨勢的最可靠方法。

1.1 試驗(yàn)法

試驗(yàn)法測試管道腐蝕速率直觀、簡潔，在管道敷設(shè)區(qū)域埋設(shè)已知重量試片，靜置一段時(shí)間取出埋片清洗、稱重，測試試片質(zhì)量損失，基于單位面積試片質(zhì)量變化計(jì)算腐蝕速率。試驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)是通過試片外觀檢查、分析化驗(yàn)腐蝕產(chǎn)物，可以確定腐蝕致因和類型（特別是微生物腐蝕）。試驗(yàn)法缺點(diǎn)是試驗(yàn)周期長，只能代表土壤環(huán)境因素，不能反映管道運(yùn)行條件對腐蝕缺陷的趨勢影響。

1.2 NACE腐蝕速率推薦值

為管道運(yùn)行商決策防腐策略，美國標(biāo)準(zhǔn)NACE SP0502—2010《管道外腐蝕直接評價(jià)方法》給出了典型環(huán)境條件下的腐蝕速率經(jīng)驗(yàn)值。新建管道施加陰極保護(hù)系統(tǒng)，或者管道信息數(shù)據(jù)不全，推薦應(yīng)用缺省腐蝕速率0.4 mm/a。針對大多數(shù)管道敷設(shè)土壤環(huán)境，該數(shù)值略保守，但對于管道陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。典型土壤環(huán)境的腐蝕速率參考數(shù)值范圍：管道敷設(shè)在黏土區(qū)域，腐蝕速率4～8 mm/a；管道敷設(shè)在泥土區(qū)域，腐蝕速率2～4 mm/a；管道敷設(shè)在砂土區(qū)域，腐蝕速率2～3 mm/a；管道敷設(shè)在凍土區(qū)域，腐蝕速率5 mm/a。

1.3 數(shù)學(xué)分析方法

管道腐蝕機(jī)理涉及管材、環(huán)境和力學(xué)等方面，諸多影響因素存在隨機(jī)性、模糊性和關(guān)聯(lián)性，試驗(yàn)法不能涵蓋所有因素的變化規(guī)律。數(shù)學(xué)分析方法適用于試驗(yàn)或檢測數(shù)據(jù)有限、分散的復(fù)雜體系的分析預(yù)測問題，通過對“小樣本”、“貧信息”的生成、開發(fā)，提取有價(jià)值信息，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行、演化規(guī)律的正確描述，其中灰色預(yù)測方法和BP 人工神經(jīng)網(wǎng)路方法預(yù)測管道腐蝕速率應(yīng)用較成熟。

1）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。適用于求解涵蓋多個(gè)相互影響因素的復(fù)雜模型。管道在土壤環(huán)境中腐蝕與土壤組成、含水量、電阻率、pH 值、含鹽量等物性參數(shù)相關(guān)，這些影響因素相互之間也存在關(guān)聯(lián)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測管道腐蝕速率過程是：確定管道運(yùn)行工況和腐蝕狀態(tài)，收集管道腐蝕影響因素的數(shù)據(jù)；建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)腐蝕速率預(yù)測模型，選擇有代表性的測試數(shù)據(jù)樣本在模型中進(jìn)行神經(jīng)元自學(xué)習(xí)訓(xùn)練，根據(jù)模型三級殘差調(diào)整連接權(quán)值，試算單獨(dú)變量對腐蝕速率的影響，確定影響因素主次次序分級，最后輸出管道腐蝕速率。采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以原油硫含量、酸值、溫度、壓力和流速作為影響因素，建立了輸油管道內(nèi)腐蝕速率預(yù)測模型[4]，研究了上述因素對管道內(nèi)腐蝕的影響程度，硫含量和酸值是影響輸油管道內(nèi)腐蝕的主要因素。

2）灰色分析?；疑治鲱A(yù)測法是綜合應(yīng)用時(shí)間序列分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法，進(jìn)一步考慮影響因素的趨勢性、周期性和不確定性。計(jì)算過程是利用GM(1.1)模型研究影響因素趨勢性規(guī)律，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究影響因素周期性規(guī)律，利用時(shí)間序列模型研究影響因素不確定性規(guī)律；相對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在一定程度上提高了準(zhǔn)確性。采用灰色線性回歸組合模型對管道腐蝕速率建模[5]，同時(shí)考慮了原始數(shù)據(jù)的線性和非線性因素，解決了GM(1.1)模型不能描述非線性變化趨勢的缺點(diǎn)，并引入BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對模型殘差進(jìn)行修正，進(jìn)一步提高了預(yù)測精度。

1.4 基于內(nèi)檢測的完整性評價(jià)法

近年來，國內(nèi)外管道普遍采用三軸高清漏磁、電磁超聲內(nèi)檢測技術(shù)，內(nèi)檢測技術(shù)可確定管道金屬損失、缺陷特征信息和防腐層狀況[6]。按照管道完整性管理要求，新建管道在施工、運(yùn)行期間進(jìn)行多次內(nèi)檢測，對比多次內(nèi)檢測數(shù)據(jù)，既可以計(jì)算管道局部腐蝕速率，也可以計(jì)算管段平均腐蝕速率，腐蝕速率計(jì)算值更具可靠性。由于內(nèi)檢測器在管道內(nèi)運(yùn)行的不穩(wěn)定性和不確定性，以及內(nèi)檢測器產(chǎn)品的性能參數(shù)指標(biāo)（POI、POD 和POFC），探測的腐蝕缺陷信息不可避免存在誤差，進(jìn)而導(dǎo)致管道腐蝕速率計(jì)算誤差。有學(xué)者提出用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法去除內(nèi)檢測技術(shù)的不確定性，例如建立腐蝕缺陷數(shù)據(jù)的概率分布函數(shù)，得到較為準(zhǔn)確的管道腐蝕速率[7]。

2 腐蝕速率在管道工程應(yīng)用案例

分析管道運(yùn)行狀況，計(jì)算管道腐蝕速率，是管道完整性管理的重要工作內(nèi)容。掌握管道目前和以后腐蝕發(fā)展趨勢，可以充分發(fā)揮管道承載能力，延長管道使用壽命；制定科學(xué)、合理的管道維護(hù)計(jì)劃，降低維修費(fèi)用；實(shí)現(xiàn)提高管道整體可靠性，避免腐蝕穿孔、油氣泄漏和環(huán)境污染。

工程案例一：四川油氣田出產(chǎn)含硫天然氣，含較高H2S、CO2和高礦化度鹽水，輸氣管道發(fā)生內(nèi)腐蝕和泄漏爆管概率很高，且管道沿線人口稠密，極易造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。收集管道服役期間缺陷檢測數(shù)據(jù)，綜合應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色分析、回歸分析預(yù)測模型，以及采用Frank-Wolfe算法的組合方法，預(yù)測值和實(shí)測值符合較好（均方誤差2.246 4×10-3）。通過加強(qiáng)內(nèi)腐蝕預(yù)測工作，保障管道正常運(yùn)行[8]。

工程案例二：基于可靠性理論，根據(jù)管道所處地區(qū)等級和風(fēng)險(xiǎn)等級設(shè)定目標(biāo)可靠度和可接受概率，提出一種根據(jù)腐蝕速率預(yù)測腐蝕管道剩余壽命的新方法。新疆油田采油一廠集輸管道建于1991年，2004 年現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)腐蝕部位37 處，如管道不采取維修或補(bǔ)強(qiáng)措施，一級地區(qū)管道剩余壽命為8.8 年，二、三級地區(qū)管道剩余壽命為7.4 年，四級地區(qū)管道剩余壽命為6.1 年剩余壽命，為確定管道檢測周期提供了科學(xué)依據(jù)[9]。

工程案例三：根據(jù)輸油管道沿線壓力分布特點(diǎn)，基于修正的ASME B31G 標(biāo)準(zhǔn)失效壓力公式，并與基于電化學(xué)理論的腐蝕速率模型相結(jié)合，提出了一種輸油管道腐蝕剩余壽命預(yù)測模型。以1999年投產(chǎn)的大哈輸油管道為例，設(shè)計(jì)壓力6.28 MPa，管道運(yùn)行期間曾發(fā)生不同程度泄漏事故，被迫降壓運(yùn)行至5.2～5.6 MPa。以2006 年檢測出的局部腐蝕缺陷為例，缺陷長度17 mm，缺陷寬度90 mm，計(jì)算此處缺陷發(fā)展到第6 年導(dǎo)致管道破裂；根據(jù)點(diǎn)腐蝕缺陷為例，點(diǎn)蝕深度2.5 mm，點(diǎn)蝕直徑2.5 mm，預(yù)測腐蝕穿孔壽命0.98 年，修復(fù)后至2007 年未發(fā)生穿孔。2008 年3 月相鄰管段發(fā)生管道泄漏事故，實(shí)際點(diǎn)蝕穿孔失效時(shí)間0.9 年，與預(yù)測值偏差8.8 %。后續(xù)該管道按照年度點(diǎn)蝕檢測數(shù)據(jù)制定維修方法，2010年后未發(fā)生管道泄漏事故[10]。

工程案例四：輪庫管道一線1990 年投產(chǎn)，管道沿線環(huán)境惡劣，腐蝕嚴(yán)重，近1997 年管道內(nèi)檢測檢出深度在3.0 mm 的腐蝕缺陷達(dá)213 處。收集近千項(xiàng)管道歷年腐蝕檢測數(shù)據(jù)，建立管道腐蝕速率分布模型，符合正態(tài)分布規(guī)律；根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)API 579 和極限缺陷尺寸數(shù)據(jù)確定管道剩余強(qiáng)度，確定不同風(fēng)險(xiǎn)地段管道可接受的失效概率，得出結(jié)論：針對低、中風(fēng)險(xiǎn)管段（失效概率分別為2.3×10-2和1.0×10-3），管道檢測維護(hù)周期為5～6 年； 針對高風(fēng)險(xiǎn)管段（失效概率為1.0×10-5），管道檢測維護(hù)周期為4～5 年據(jù)此制定管道內(nèi)檢測周期和防腐層修復(fù)計(jì)劃[11]。

3 管道腐蝕速率計(jì)算方法選用原則

管道管理者選擇適用的腐蝕速率計(jì)算方法，應(yīng)考慮管道特征、運(yùn)行條件和方法特征等因素?；趦?nèi)檢測數(shù)據(jù)的計(jì)算方法精度最高，試驗(yàn)法側(cè)重腐蝕機(jī)理研究，數(shù)學(xué)分析法適用于數(shù)據(jù)有限情形，NACE 腐蝕速率推薦值僅能粗略判斷腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。按照管道全生命周期階段劃分，新建管道和在役運(yùn)行管道選用腐蝕速率計(jì)算方法原則如下：

1）針對新建管道，根據(jù)NACE 腐蝕速率推薦值初步判斷管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等級，作為確定管道陰極保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)和防腐層類型的重要依據(jù)。

2）針對在役運(yùn)行管道，首選基于內(nèi)檢測數(shù)據(jù)計(jì)算腐蝕速率，結(jié)合現(xiàn)場開挖驗(yàn)證結(jié)果修正腐蝕速率；結(jié)合試驗(yàn)法監(jiān)測管道腐蝕缺陷和速率變化趨勢。管道長期腐蝕速率和短期腐蝕速率按下式計(jì)算：

式中：Vlc為長期腐蝕速率，mm/a；Vsc為短期腐蝕速率，mm/a；t0為首次檢測壁厚，mm；tn為第n次檢測壁厚，mm；a0為首次檢測年份；an為第n次檢測年份。

4 結(jié)語

由于管道敷設(shè)土壤環(huán)境復(fù)雜性，以及管道制造/施工缺陷、運(yùn)行條件和第三方破壞活動的隨機(jī)性，管道腐蝕速率不是固定不變的，如腐蝕速率發(fā)生顯著變化，應(yīng)分別從管體缺陷、陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況、土壤環(huán)境變化、第三方破壞和雜散電流干擾等方面查找原因，制定減緩管道腐蝕措施和管道風(fēng)險(xiǎn)管控措施，例如缺陷修復(fù)、降壓運(yùn)行和加密巡線等。

確定管道腐蝕速率的基本要求是真實(shí)、可靠，計(jì)算精度直接影響管道剩余壽命和再檢測周期的準(zhǔn)確性，因此應(yīng)盡可能全面的收集管道設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行等各個(gè)階段的數(shù)據(jù)。以往我國老齡化管道或者超期服役管道存在數(shù)據(jù)不全面、不可靠的問題。隨著管道完整性管理技術(shù)發(fā)展，新建管道投產(chǎn)前應(yīng)進(jìn)行基線檢測，或用超聲測厚儀測定管道初始壁厚，管道完整性數(shù)據(jù)收集也逐漸規(guī)范化，是提高腐蝕速率計(jì)算和剩余壽命預(yù)測的準(zhǔn)確性的有利條件。