管道交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法研究

孟祥巖，李磊，李祥琦，梅安，孫大明

（國家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道有限公司河北輸油氣分公司，河北 秦皇島 066000）

近年來，我國交流輸電線路、交流電氣化鐵路與輸油輸氣管道的建設(shè)都在迅速發(fā)展，而交流輸電線路和交流電氣化鐵路與油氣管道接近或交叉的情況也經(jīng)常出現(xiàn)，引起埋地管道的交流干擾問題[1-2]。從工程技術(shù)應(yīng)用的角度考慮，國內(nèi)外制定了許多標(biāo)準(zhǔn)，GΒ/T 50698—2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中要求交流干擾電壓不高于4 V 時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施，高于4 V 時(shí)，采用交流電流密度進(jìn)行評(píng)估交流干擾程度。D-CEN/TS 15280—2006“Evaluation of AC Corrosion Likehood of Βuried Pipelines”中采用了交直流電流密度比評(píng)價(jià)交流腐蝕的可能性。GΒ/T 40377—2021《金屬和合金的腐蝕 交流腐蝕的測(cè)定 防護(hù)準(zhǔn)則》和 ISO 18086—2019“Corrosion of Metals and Alloys-Determination of AC Corrosion-Protection Criteria”中提出了在具有陰極保護(hù)條件下交流干擾的可接受水平。同時(shí)雜散電流腐蝕與土壤腐蝕性密切相關(guān)。土壤含水是造成土壤腐蝕的必要條件[3]，土壤中的硫酸根離子、氯離子等對(duì)金屬材料的腐蝕影響較大[4-6]。同時(shí)，鋼的腐蝕速率與不同pH 下的陰極過程有關(guān)[7]。埋地管道受到雜散電流干擾時(shí)會(huì)使得管道電位產(chǎn)生偏移，當(dāng)管道的電位負(fù)于管線鋼的析氫電位時(shí)，會(huì)析出氫氣，對(duì)微觀結(jié)構(gòu)上的金屬材料造成破壞，在酸性土壤中由雜散電流造成的析氫腐蝕會(huì)更為嚴(yán)重。丁清苗等[8]、韋博鑫等[9]、Tang 等[10]、Du 等[11]研究發(fā)現(xiàn)，交流雜散電流對(duì)管線鋼在土壤模擬溶液中的腐蝕起促進(jìn)作用。有研究表明，對(duì)管線施加陰極保護(hù)，會(huì)使得電化學(xué)腐蝕的陽極溶解過程得到有效抑制[12-20]。因此，需要在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試交流干擾電流密度、土壤電阻率、陰極保護(hù)護(hù)電位等參數(shù)，對(duì)土壤理化性質(zhì)進(jìn)行分析。丁海峰等[21]、尹宗明等[22]、馬軍鵬等[23]、江世艷等[24]提出了灰色關(guān)聯(lián)分析算法，分析了各個(gè)因素與目標(biāo)因素的關(guān)聯(lián)性。李軍等[25]、肖逸璇等[26]、隋明剛等[27]、Tang 等[28]、Zeng 等[29]、Chen 等[30]提出利用三角模糊層次分析（FAHP），將評(píng)價(jià)方法由剛性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換成彈性評(píng)價(jià)。現(xiàn)行交流干擾防護(hù)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐中具有易于實(shí)行的優(yōu)點(diǎn)，但長期以來埋地管道交流腐蝕的評(píng)價(jià)均通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試取得的交直流參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。國內(nèi)外多條管道已發(fā)生在較低交流干擾電壓的情況下產(chǎn)生腐蝕穿孔和壁厚減薄的情況[31]。因?yàn)榻涣鞲g不僅受到交流干擾電壓/交流干擾密度的影響，還與周圍土壤腐蝕性離子種類及含量、防腐層缺陷面積大小等因素有關(guān)，單純采用交流干擾電壓/交流電流密度的指標(biāo)作為交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的判斷容易導(dǎo)致誤判。

本文基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試參數(shù)、理化性質(zhì)參數(shù)與室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果，利用灰色關(guān)聯(lián)分析和三角模糊層次分析，將交流干擾腐蝕速率及影響因素相結(jié)合，計(jì)算出室內(nèi)條件下交流干擾腐蝕各因素的權(quán)重。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建一種考慮陰極保護(hù)狀況并融合土壤腐蝕性的交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法，提高交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性，并為埋地管道的交流干擾腐蝕防護(hù)提供指導(dǎo)建議。

1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法建立

1.1 高壓交流腐蝕關(guān)鍵因素識(shí)別

由于交流干擾腐蝕與陰極保護(hù)電位、交流電流密度、土壤電阻率和理化性質(zhì)等因素有關(guān)，因此需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。主要測(cè)試參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的陰極保護(hù)電位、交流電流密度、土壤電阻率、室內(nèi)土壤理化性質(zhì)試驗(yàn)測(cè)得的土壤中各離子濃度和含水率等參數(shù)組成。各參數(shù)測(cè)量方法：陰極保護(hù)電位測(cè)量根據(jù)GΒ/T-21246《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》進(jìn)行測(cè)量，土壤電阻率按照SY/T-0023《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)試方法》進(jìn)行測(cè)量，交流干擾電位/電流密度按照GΒ/T 50698—2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)量，土壤理化性質(zhì)根據(jù)NY/T 1121—2006《土壤檢測(cè)系列標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行檢測(cè)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，設(shè)計(jì)室內(nèi)試驗(yàn)方案。將交流干擾腐蝕速率作為目標(biāo)層；因素層是影響目標(biāo)層的一級(jí)指標(biāo)，由干擾電位/干擾電流密度、陰極保護(hù)電位、pH 值、碳酸氫根、碳酸根、硫酸根及氯離子含量等7 個(gè)因素組成，其中陰極保護(hù)電位參數(shù)是相較于飽和硫酸銅參比電極確定的；數(shù)值層是因素層的具體取值，基于此，構(gòu)建室內(nèi)單因素變量試驗(yàn)方案，如圖1所示。

圖1 室內(nèi)試驗(yàn)方案 Fig.1 Laboratory experiment scheme

根據(jù)圖1 的室內(nèi)單因素變量試驗(yàn)方案，進(jìn)行28組試驗(yàn)。試片規(guī)格參照SY/T 0029—2012《埋地鋼質(zhì)檢查片應(yīng)用技術(shù)》。選用KCl、NaHCO3、MgSO4·7H2O、Na2CO3等試劑配制模擬溶液，采用氨水和醋酸調(diào)節(jié)pH，試驗(yàn)周期為72 h。先通入直流陰極保護(hù)15 min后，再通入交流干擾電流72 h。試驗(yàn)后，取出試片，按照GΒ/T 16545 進(jìn)行酸洗，去除腐蝕產(chǎn)物，干燥后稱量，計(jì)算腐蝕速率。

采用灰色關(guān)聯(lián)分析法的思路可以量化交流干擾腐蝕速率與其各個(gè)影響因素之間的關(guān)聯(lián)性?；诨疑P(guān)聯(lián)分析的結(jié)果，在FAHP 構(gòu)造判斷矩陣時(shí)，摒棄了傳統(tǒng)的1～9 標(biāo)度法，采用三角模糊數(shù)，降低判斷矩陣的主觀性。根據(jù)FAHP 方法的相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，得到各個(gè)影響因素對(duì)交流腐蝕的貢獻(xiàn)權(quán)重。

1.2 腐蝕嚴(yán)重管段識(shí)別方法

目前國內(nèi)外許多研究傾向于多項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)土壤腐蝕性，其中最具有代表性的是德國的Βaeckman 綜合評(píng)分指標(biāo)和美國的ANSI-A21.5 土壤腐蝕性評(píng)價(jià)法，可以得到各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)土壤腐蝕性的貢獻(xiàn)權(quán)重。土壤腐蝕性對(duì)交流干擾腐蝕的重要性是不可忽略的，根據(jù)交流腐蝕關(guān)鍵因素識(shí)別結(jié)果，可以得出部分土壤腐蝕性指標(biāo)對(duì)交流干擾腐蝕的權(quán)重。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和交流腐蝕關(guān)鍵因素識(shí)別結(jié)果，選取關(guān)鍵因素識(shí)別研究的7 種因素（按貢獻(xiàn)權(quán)重排序后）中有關(guān)土壤腐蝕性的前3 項(xiàng)，作為腐蝕嚴(yán)重管段識(shí)別土壤腐蝕性評(píng)價(jià)中的部分評(píng)價(jià)指標(biāo)，并結(jié)合含水率和含鹽總量作為整體土壤腐蝕性對(duì)交流干擾腐蝕的評(píng)價(jià)指標(biāo)。依此2 部分權(quán)重進(jìn)行歸一化，最終得到交流干擾下土壤腐蝕性各指標(biāo)的貢獻(xiàn)權(quán)重。

將土壤環(huán)境因素指標(biāo)以及陰極保護(hù)電位，作為對(duì)交流干擾腐蝕的間接影響因素；將埋地管道上感應(yīng)出的交流干擾電流視為交流干擾腐蝕的直接影響因素；將防腐層破損情況作為交流干擾腐蝕的先決性因素。將直接因素、間接因素和先決性因素耦合，基于此思想建立腐蝕嚴(yán)重管段識(shí)別方法。由于室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備因素限制，本次試驗(yàn)沒有制作模擬防腐層破損試片，但通過參考SY/T 0087.1—2018《鋼質(zhì)管道及儲(chǔ)罐腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》、GΒ/T 19285—2016《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》、管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)（Kent 第二版）等相關(guān)規(guī)范中，防腐層破損面積對(duì)管道造成的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分內(nèi)容，基于本文評(píng)價(jià)方法的構(gòu)造思想，將防腐層破損因素融合進(jìn)評(píng)價(jià)方法中。

2 結(jié)果與討論

2.1 交流干擾腐蝕關(guān)鍵因素識(shí)別結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)土壤理化性質(zhì)分析結(jié)果見表1 和2。

根據(jù)表1 和2 所得的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)和土壤理化性質(zhì)分析數(shù)據(jù)，構(gòu)建室內(nèi)試驗(yàn)方案?？紤]的交流干擾電流密度、陰極保護(hù)電位、土壤電阻率、土壤腐蝕性離子等因素的試驗(yàn)參數(shù)取值范圍可以覆蓋測(cè)試數(shù)據(jù)區(qū)間，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果 Tab.1 Field test results

表2 土樣理化性質(zhì)分析結(jié)果 Tab.2 Results of physical and chemical property analysis of soil

表3 不同腐蝕環(huán)境因素下X70 管線鋼母材的腐蝕速率數(shù)據(jù) Tab.3 Corrosion rate of X70 pipeline steel base material under different corrosion environment

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，采用MATLAΒ 編寫灰色關(guān)聯(lián)分析計(jì)算程序，計(jì)算得到各因素關(guān)聯(lián)度結(jié)果，見表4。

表4 灰關(guān)聯(lián)分析方法運(yùn)算結(jié)果 Tab.4 Results of GRA

為實(shí)現(xiàn)判斷矩陣三角模糊數(shù)中值的定量選取，根據(jù)關(guān)聯(lián)度數(shù)值兩兩比較，確定比值范圍及比值范圍對(duì)應(yīng)的三角模糊數(shù)中心值m的取值，具體取值原則見表5。

表5 三角模糊數(shù)中心值m 的取值參照 Tab.5 Reference value of triangular fuzzy number center value m

根據(jù)上述規(guī)則，以1～9 標(biāo)度法為原則構(gòu)造因素層三角模糊判斷中值矩陣M：

根據(jù)三角模糊判斷矩陣A得出判斷中值矩陣M。計(jì)算中值矩陣M的最大特征值λmax。將λmax代入公式進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。經(jīng)計(jì)算此中值矩陣通過一致性檢驗(yàn)。

根據(jù)公式計(jì)算調(diào)整判斷矩陣Q，并將矩陣Q對(duì)角線歸一化后得到Q'。

用方根法計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，得到因素層對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重，見表6。

表6 因素層對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重排序 Tab.6 Contribution weight of factor layer for target layer

2.2 腐蝕嚴(yán)重管段識(shí)別方法及其應(yīng)用

根據(jù)腐蝕嚴(yán)重管段識(shí)別方法的建立思想，建立如下的評(píng)價(jià)體系：

式中：S為總評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)；A為各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)；SCP為陰極保護(hù)評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)；Ssoil,i為土壤腐蝕評(píng)價(jià)各指標(biāo)分?jǐn)?shù)；SAC為交流干擾評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)；Scoat為防腐層評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)。

參考相關(guān)規(guī)范，將0.4、1、10 cm2作為防腐層評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)的劃分界限。結(jié)合得出的權(quán)重關(guān)系，建立交流干擾下埋地管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法。針對(duì)構(gòu)造出的評(píng)分公式，為了消除乘法的放大敏感影響，將評(píng)分公式轉(zhuǎn)化成對(duì)數(shù)合成，使得評(píng)價(jià)值的極差縮小。

對(duì)上述總評(píng)分式進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，令S′=lgS，得：

根據(jù)埋地管道的浴盆曲線可知，當(dāng)設(shè)計(jì)壽命為30 a 的管道服役25 a 后，進(jìn)入事故頻發(fā)階段，因此提出運(yùn)行年限參數(shù)，對(duì)受交流干擾嚴(yán)重管段評(píng)分進(jìn)行修正。考慮管道服役的時(shí)間效應(yīng)，得到如下評(píng)分式：

式中：T為運(yùn)行年限。

對(duì)S′代表總評(píng)分式構(gòu)成的高壓交流干擾下的埋地管道風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分值見表7—9。

表7 土壤腐蝕性評(píng)價(jià) Tab.7 Soil corrosivity assessment

表8 干擾因素評(píng)價(jià) Tab.8 Interference factor assessment

表9 交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) Tab.9 Corrosion risk assessment of AC interference

根據(jù)交流干擾腐蝕關(guān)鍵因素識(shí)別結(jié)果，以及構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作提出以下建議：針對(duì)土壤腐蝕性參數(shù)，YQP-1103、YQP-1105 測(cè)試樁土壤pH值小于6.5，LtL-0072、LtL-0154 測(cè)試樁氯離子或者硫酸根離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.01%，LtL-0072 測(cè)試樁可溶鹽總質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.75%，YQP-928、YQP-1103、YQP-1105 以及LNG 管道沿海地段的測(cè)試樁土壤含水率在10%～30%，需要重點(diǎn)關(guān)注。

以華北某LNG 管道中LtL-154 測(cè)試樁處進(jìn)行實(shí)施例評(píng)價(jià)。根據(jù)埋片時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和室內(nèi)土壤理化性質(zhì)分析得到：陰極保護(hù)電位為-1.2 V，交流干擾電流密度為1.68 A/m2，pH 值為7.37，氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.042 5%，硫酸根離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.033 1%，含鹽量為 0.1%，含水率為 21.32%，防腐破損面積為6.5 cm2。該LNG 管道設(shè)計(jì)使用壽命30 a，在2013 年11 月投產(chǎn)運(yùn)行后，運(yùn)行年限處在設(shè)計(jì)壽命的80%以內(nèi)。根據(jù)表7—9 可得各因素的評(píng)價(jià)得分，見表10、11。

表10 陰極保護(hù)及土壤腐蝕性評(píng)價(jià)得分 Tab.10 Assessment score of cathodic protection and soil corrosivity

表11 干擾因素評(píng)價(jià)得分 Tab.11 Assessment score of interference factor

考慮運(yùn)行年限對(duì)評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)的修正作用，最終綜合評(píng)價(jià)評(píng)分為1.67。根據(jù)表9 可得，該LNG 管道中LtL-184 測(cè)試樁處交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)低。對(duì)上述提到的華北某LNG 管道和某輸氣管道，選取部分測(cè)試樁位置運(yùn)用建立的方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，結(jié)果見表12。對(duì)華北某輸氣管道和某LNG 管道，根據(jù)2 條管道內(nèi)檢測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)可得到，在管道上所選取的所有測(cè)試點(diǎn)處，管道均沒有外部缺陷，管道外壁均沒有明顯減薄，可認(rèn)為所有測(cè)試點(diǎn)處交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)均為低，內(nèi)檢測(cè)結(jié)果與評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

表12 各參數(shù)得分以及風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別結(jié)果 Tab.12 Scores of each parameter and results of risk identification

3 結(jié)論

本文將灰色關(guān)聯(lián)分析和三角模糊層次分析相結(jié)合，確定了各個(gè)交流干擾腐蝕影響因素的貢獻(xiàn)權(quán)重，并構(gòu)建了一種長輸管道在高壓交流干擾下的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法。

1）交流干擾電流密度、陰極保護(hù)電位、pH、土壤含水率、含鹽量、氯離子和硫酸根離子含量是高壓交流干擾條件下影響管道腐蝕的關(guān)鍵因素。

2）根據(jù)構(gòu)建的評(píng)價(jià)方法，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注YQP-1103、YQP-1105、LtL-0072、LtL-0154 等測(cè)試樁位置，并對(duì)其進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。

3）建立了一種融合土壤腐蝕性的交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法，并在現(xiàn)場(chǎng)2 條管道進(jìn)行了應(yīng)用，交流干擾腐蝕識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)均為低，識(shí)別結(jié)果與內(nèi)檢測(cè)結(jié)果有很好的一致性。