埋地天然气管网土壤腐蚀的风险分析*

朱庆杰 胡士明 陈艳华 李雪 赵炫皓 万永华

1常州大学石油工程学院

2华北理工大学地震工程研究中心

埋地天然气管网土壤腐蚀是指土壤的不同组分和性质对埋地天然气管网产生的腐蚀破坏现象，它是导致埋地天然气管网泄漏的重要原因之一[1]。埋地天然气管网土壤腐蚀主要有土壤电化学腐蚀、化学腐蚀、微生物腐蚀和杂散电流腐蚀[2]。由于土壤的组分和性质比较复杂，致使埋地天然气管网土壤腐蚀的影响因素较多，主要包括电阻率、氧化还原电位、含水量、含盐量、土壤pH值[3]。本文将造成埋地天然气管网土壤腐蚀的五种主要因素与地理信息系统（GIS）相结合，建立五种影响因子的风险隶属度函数，并运用层次分析法（AHP）计算出其权重系数，再根据计算结果得到埋地天然气管网土壤腐蚀的风险预测图像[4-5]。

1 土壤腐蚀影响因素

某埋地天然气管网如图1所示，由中压A级PE管以及中压B级PE管组成，其铺设在人口密集的城区地下且分布密集，使埋地天然气管网土壤腐蚀的风险十分复杂。五类影响因素会导致埋地天然气管网发生爆炸、泄漏等一系列问题[6]，直接影响着埋地天然气管网的安全使用和人民的生命财产安全[7]。

图1 某埋地天然气管网Fig.1 A buried natural gas pipeline network

（1）电阻率是反映土壤腐蚀性等级最重要的参数，体现土壤的导电性能。

（2）氧化还原电位体现了土壤氧化还原程度的强度。当氧化还原电位高时，表明土壤体系通气性较好，氧化性强；当氧化还原电位低时，表明氧化剂占的比例小，土壤体系通气性较差，氧化性差，使管壁因失去电子而造成腐蚀。

（3）含水量代表了土壤的物理性质，水分的存在使土壤成为电解质，造成电化学腐蚀。在临界湿度之前，土壤的腐蚀性随着湿度的增加而增加；当湿度大于临界湿度值时，含水量的增加会引起其他因素改变，土壤的腐蚀性随着湿度的增加而降低。当土壤中含有适当的含水量和氧时，氧的去极化作用增强，土壤的腐蚀性相应增强[8]。

（4）土壤中的盐分参与土壤腐蚀介质的导电过程和电化学反应，土壤中的含盐量和腐蚀性呈负相关关系，土壤的腐蚀性随着土壤中含盐量的增大而降低。Cl-是土壤破坏金属钝性的一种阴离子，腐蚀性极强；且Cl-的存在会促进SO42-和HCO3

-对管壁的点蚀作用，含量越高，土壤的电阻率就越小，土壤对管道的腐蚀性也就越强。

（5）土壤pH值是土壤的酸碱性强弱指标，酸性土壤对管道的腐蚀最强，中性、碱性土壤的腐蚀性依次减弱。pH值会对金属的电极电位产生影响，pH值越低，H+在酸性土壤中的去极化能力越强，管道表面对金属管壁起保护作用的钝化膜不易产生，因而土壤腐蚀性就越强。因此，可以通过测定pH值来判定土壤的腐蚀性[9]。

2 土壤腐蚀综合风险预测

权重线性组合法（WLC）是一种基于多准则条件下的决策评价方法，它赋予每一个影响因素不同的权重系数，乘以各影响因素分别对应的风险指标，对得到的结果进行求和就可以生成埋地天然气管网土壤腐蚀的风险预测图像。其权重线性组合法的土壤腐蚀综合风险预测模型用公式（1）表示

式中：R为风险预测结果；wi为土壤腐蚀中各影响因素之间的权重系数；xi为土壤腐蚀中各影响因素的风险指标。

在土壤腐蚀风险预测过程中，通过赋予各影响因素一定的权重系数来定量表示该影响因素的重要性程度，权重系数的确定方法通常为主观想法以及专家评定，具有主观性；但在某些情况下决策者根据实际情况，借助数学方法进行主观判断，也具有客观性[10-11]。权重系数的确定在某种程度上会决定决策者的判断是否合理正确。因此，具有严格的逻辑性数学方法是确定权重系数的最佳方法，使权重系数更具有客观性，符合客观事实[12-13]。

确定权重系数的数学方法较多，有学者利用专家评估法、层次分析法、序列综合法和德尔菲法分别对几个城市的发展水平进行了综合评价，发现层次分析法不仅计算量小，花费的时间短，而且计算出的权重系数更准确；因此，通常使用层次分析法计算权重系数。

3 各影响因素的风险指标计算

根据埋地天然气管网土壤腐蚀的五种主要影响因素建立了五个风险隶属度函数，通过风险隶属度函数计算各影响因素的风险指标。

3.1 电阻率

当土壤电阻率低于5 Ω·m时，该区域处于高腐蚀区；当电阻率处于5～20 Ω·m时，该区域处于稍高风险区；当电阻率处于20～500 Ω·m时，该区域处于中风险区；当电阻率处于50～150 Ω·m时，该区域处于低风险区，电阻率越小，该区域越危险。研究区块中大部分区域位于中风险区，因此，选择呈下降趋势的隶属函数，取点a=0、b=20、 c=50、d=150（Ω·m）。其数学表达式如式（2）所示，其函数图像如图2所示。

图2 土壤电阻率风险隶属度函数Fig.2 Risk membership function of soil resistivity

3.2 氧化还原电位

当土壤氧化还原电位低于100 mV时，该区域处于高腐蚀区；当氧化还原电位处于100～200 mV时，该区域处于稍高风险区；当氧化还原电位处于200～400 mV时，该区域处于中风险区；当氧化还原电位处于400～500 mV时，该区域处于低风险区，氧化还原电位越小，该区域越危险。研究区块中大部分区域位于高风险区和稍高风险区，因此，其隶属函数曲线呈下降趋势，取点a=0、b=100、c=200、d=500（mV）。其数学表达式如式（3）所示，其函数图像如图3所示。hi=0.000 2x2-0.603 2x+255 （3）

图3 土壤氧化还原电位风险隶属度函数Fig.3 Risk membership function of soil redox potential

3.3 含水量

当土壤含水量低于7%时，该区域处于低腐蚀区；当含水量处于7%～10%时，该区域处于中风险区；当含水量处于10%～12%时，该区域处于较高风险区；当含水量处于12%～25%时，该区域处于高风险区，含水量越高，该区域越危险。研究区块中大部分区域位于高风险区和稍高风险区，因此，其隶属函数曲线呈上升趋势，取点a=0、b=10、c=12、 d=25。其数学表达式如式（4）所示，其函数图像如图4所示。

图4 土壤含水量风险隶属度函数Fig.4 Risk membership function of soil water content

3.4 含盐量

当土壤含盐量低于0.01%时，该区域处于低腐蚀区；当含盐量处于0.01%～0.05%时，该区域处于中风险区；当含盐量处于0.05%～0.1%时，该区域处于稍高风险区；当含盐量处于0.1%～0.75%时，该区域处于高风险区，含盐量越高，该区域越危险。研究区块中大部分区域位于中风险区和稍高风险区，因此，其隶属函数曲线呈上升趋势，取点a=0、 b=0.05、 c=0.10、 d=0.75。其数学表达式如式（5）所示，其函数图像如图5所示。

图5 土壤含盐量风险隶属度函数Fig.5 Risk membership function of soil salt content

3.5 土壤pH值

经调查研究，土壤pH值在4.1～10.4之间。当土壤pH值小于4.5时，该区域处于极强腐蚀区；当土壤pH值处于4.5～5.5时，该区域处于强腐蚀区；当土壤pH值处于5.5～7时，该区域处于中等腐蚀区；当土壤pH值处于7～8.5时，该区域处于弱腐蚀区；当土壤pH值大于8.5时，该区域处于极弱腐蚀区。研究区块中大部分区域位于中等腐蚀区，因此，其隶属函数曲线呈下降趋势，取点a=4、b=4.5、 c=7、 d=10.5。其数学表达式如式（6）所示，其函数图像如图6所示。

图6 土壤pH值风险隶属度函数Fig.6 Risk membership function of soil pH value

4 风险预测结果

根据风险隶属度函数，采用层次分析法的1～9标度法，综合考虑各风险评价因子对土壤腐蚀的影响程度，构建五种土壤腐蚀因子的判断矩阵，并对各土壤腐蚀因子的相对重要性进行比较判定[14]，如表1所示。

表1 五种土壤腐蚀因子的相对重要性比较Tab.1 Comparison of the relative importance of five soil corrosion factors

将判断矩阵的下三角值输入到WEIGHT模块，计算土壤腐蚀风险评价因子的权重及其一致性比率。电阻率、氧化还原电位、含水量、含盐量、土壤pH值的准则权重依次为0.261 5、0.063 4、0.033 3、0.129 0、0.512 8，一致性比率为0.05，小于0.1，因此认为该判断矩阵是可靠的。

确定了各风险评价因子的准则权重后，埋地天然气管网土壤腐蚀的综合风险预测模型如公式（7）所示

式中：R为风险预测结果；di为土壤电阻率的风险指标；hi为土壤氧化还原电位的风险指标；si为土壤含水量的风险指标；yi为土壤含盐量的风险指标； pi为土壤pH值的风险指标。

依据公式（7）计算得到埋地天然气管网土壤腐蚀的风险预测图像，如图7所示。

图7 某埋地天然气管网土壤腐蚀的风险预测结果Fig.7 Risk prediction results of soil corrosion in a buried natural gas pipeline network

由图7可知，土壤腐蚀的风险性是从中部地区向四周扩散，最危险区域位于东南方向，风险值超过120，而其周围的风险值都处于偏高状态；因此，应该采取有效措施来降低这些区域的安全风险。此外，北部和西部地区的风险值维持在50左右，相对比较安全。

在今后的管道铺设过程中，应尽量避开风险程度较高的区域，并采取防腐措施，比如阴极保护、管道内外壁刷防腐涂料等，进一步促使埋地天然气管网平稳安全发展。

5 结束语

详细分析了某埋地天然气管网土壤腐蚀的五种风险评价因子：电阻率、氧化还原电位、含水量、含盐量、土壤pH值。根据各个影响因素的风险隶属度函数，计算出风险指标，借助层次分析法构建了判断矩阵，计算出五种风险评价因子的准则权重，最后得到某埋地天然气管网土壤腐蚀的风险预测结果。根据某埋地天然气管网土壤腐蚀的风险预测结果，确定高风险区位于东南区域，应采取必要措施来保障埋地天然气管网的安全运行。