基于腐蚀速率预测的管道安全运行技术研究

蒋涛 刘宝海 贾明德 张文辉 马伟平

（1.中国石油管道局工程有限公司燃气分公司；2.中国石油管道局工程有限公司维抢修分公司；3.中国石油管道局工程有限公司第四分公司；4.国家管网集团西南管道有限责任公司兰州输油气分公司；5.中国石油管道科技研究中心）

腐蚀、制管缺陷和第三方破坏是导致管道油气泄漏和失效事故的重要因素，其中腐蚀致因事故约占管道总体事故比例30%以上[1]。阴极保护是延长管道寿命、保证管道安全运行的可靠技术。腐蚀速率是评价管道阴极保护有效性的重要准则，也是判定管道腐蚀变化趋势的依据[2]。我国长输管道已全面实施GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》，该标准明确规定实施管道内检测获取缺陷数据，根据计算腐蚀速率制定管道维修计划；监测腐蚀缺陷发展趋势，确定管道剩余寿命和再检测周期，保障管道安全运行[3]。准确的管道腐蚀速率有助于管道管理者科学监测腐蚀缺陷，合理安排管道维修和内检测作业，管道腐蚀速率预测已成为确保管道安全运行的有效手段。

1 管道腐蚀速率研究方法

国内外管道行业已开展的腐蚀速率研究方法包括试验法、NACE 经验值、数学分析方法和基于内检测的完整性评价法。试验法从模拟管道真实环境角度，侧重研究腐蚀机理和影响因素；NACE 腐蚀速率推荐值属于经验方法，主要用于判断管道腐蚀严重性程度和指导阴极保护系统设计；数学分析法适用于管道数据收集有限、腐蚀机理复杂（微生物腐蚀、内腐蚀）和油田集输管道的情形。内检测已成为新建管道和在役管道检验检测的规定做法，也是确定腐蚀速率以及腐蚀变化趋势的最可靠方法。

1.1 试验法

试验法测试管道腐蚀速率直观、简洁，在管道敷设区域埋设已知重量试片，静置一段时间取出埋片清洗、称重，测试试片质量损失，基于单位面积试片质量变化计算腐蚀速率。试验法优点是通过试片外观检查、分析化验腐蚀产物，可以确定腐蚀致因和类型（特别是微生物腐蚀）。试验法缺点是试验周期长，只能代表土壤环境因素，不能反映管道运行条件对腐蚀缺陷的趋势影响。

1.2 NACE腐蚀速率推荐值

为管道运行商决策防腐策略，美国标准NACE SP0502—2010《管道外腐蚀直接评价方法》给出了典型环境条件下的腐蚀速率经验值。新建管道施加阴极保护系统，或者管道信息数据不全，推荐应用缺省腐蚀速率0.4 mm/a。针对大多数管道敷设土壤环境，该数值略保守，但对于管道阴极保护系统设计具有一定指导意义。典型土壤环境的腐蚀速率参考数值范围：管道敷设在黏土区域，腐蚀速率4～8 mm/a；管道敷设在泥土区域，腐蚀速率2～4 mm/a；管道敷设在砂土区域，腐蚀速率2～3 mm/a；管道敷设在冻土区域，腐蚀速率5 mm/a。

1.3 数学分析方法

管道腐蚀机理涉及管材、环境和力学等方面，诸多影响因素存在随机性、模糊性和关联性，试验法不能涵盖所有因素的变化规律。数学分析方法适用于试验或检测数据有限、分散的复杂体系的分析预测问题，通过对“小样本”、“贫信息”的生成、开发，提取有价值信息，实现对系统运行、演化规律的正确描述，其中灰色预测方法和BP 人工神经网路方法预测管道腐蚀速率应用较成熟。

1）人工神经网络。适用于求解涵盖多个相互影响因素的复杂模型。管道在土壤环境中腐蚀与土壤组成、含水量、电阻率、pH 值、含盐量等物性参数相关，这些影响因素相互之间也存在关联。人工神经网络预测管道腐蚀速率过程是：确定管道运行工况和腐蚀状态，收集管道腐蚀影响因素的数据；建立人工神经网络腐蚀速率预测模型，选择有代表性的测试数据样本在模型中进行神经元自学习训练，根据模型三级残差调整连接权值，试算单独变量对腐蚀速率的影响，确定影响因素主次次序分级，最后输出管道腐蚀速率。采用BP 神经网络技术，以原油硫含量、酸值、温度、压力和流速作为影响因素，建立了输油管道内腐蚀速率预测模型[4]，研究了上述因素对管道内腐蚀的影响程度，硫含量和酸值是影响输油管道内腐蚀的主要因素。

2）灰色分析。灰色分析预测法是综合应用时间序列分析法和人工神经网络预测法，进一步考虑影响因素的趋势性、周期性和不确定性。计算过程是利用GM(1.1)模型研究影响因素趋势性规律，利用人工神经网络模型研究影响因素周期性规律，利用时间序列模型研究影响因素不确定性规律；相对人工神经网络法在一定程度上提高了准确性。采用灰色线性回归组合模型对管道腐蚀速率建模[5]，同时考虑了原始数据的线性和非线性因素，解决了GM(1.1)模型不能描述非线性变化趋势的缺点，并引入BP 人工神经网络模型对模型残差进行修正，进一步提高了预测精度。

1.4 基于内检测的完整性评价法

近年来，国内外管道普遍采用三轴高清漏磁、电磁超声内检测技术，内检测技术可确定管道金属损失、缺陷特征信息和防腐层状况[6]。按照管道完整性管理要求，新建管道在施工、运行期间进行多次内检测，对比多次内检测数据，既可以计算管道局部腐蚀速率，也可以计算管段平均腐蚀速率，腐蚀速率计算值更具可靠性。由于内检测器在管道内运行的不稳定性和不确定性，以及内检测器产品的性能参数指标（POI、POD 和POFC），探测的腐蚀缺陷信息不可避免存在误差，进而导致管道腐蚀速率计算误差。有学者提出用数学统计方法去除内检测技术的不确定性，例如建立腐蚀缺陷数据的概率分布函数，得到较为准确的管道腐蚀速率[7]。

2 腐蚀速率在管道工程应用案例

分析管道运行状况，计算管道腐蚀速率，是管道完整性管理的重要工作内容。掌握管道目前和以后腐蚀发展趋势，可以充分发挥管道承载能力，延长管道使用寿命；制定科学、合理的管道维护计划，降低维修费用；实现提高管道整体可靠性，避免腐蚀穿孔、油气泄漏和环境污染。

工程案例一：四川油气田出产含硫天然气，含较高H2S、CO2和高矿化度盐水，输气管道发生内腐蚀和泄漏爆管概率很高，且管道沿线人口稠密，极易造成巨大经济损失。收集管道服役期间缺陷检测数据，综合应用人工神经网络、灰色分析、回归分析预测模型，以及采用Frank-Wolfe算法的组合方法，预测值和实测值符合较好（均方误差2.246 4×10-3）。通过加强内腐蚀预测工作，保障管道正常运行[8]。

工程案例二：基于可靠性理论，根据管道所处地区等级和风险等级设定目标可靠度和可接受概率，提出一种根据腐蚀速率预测腐蚀管道剩余寿命的新方法。新疆油田采油一厂集输管道建于1991年，2004 年现场检测发现腐蚀部位37 处，如管道不采取维修或补强措施，一级地区管道剩余寿命为8.8 年，二、三级地区管道剩余寿命为7.4 年，四级地区管道剩余寿命为6.1 年剩余寿命，为确定管道检测周期提供了科学依据[9]。

工程案例三：根据输油管道沿线压力分布特点，基于修正的ASME B31G 标准失效压力公式，并与基于电化学理论的腐蚀速率模型相结合，提出了一种输油管道腐蚀剩余寿命预测模型。以1999年投产的大哈输油管道为例，设计压力6.28 MPa，管道运行期间曾发生不同程度泄漏事故，被迫降压运行至5.2～5.6 MPa。以2006 年检测出的局部腐蚀缺陷为例，缺陷长度17 mm，缺陷宽度90 mm，计算此处缺陷发展到第6 年导致管道破裂；根据点腐蚀缺陷为例，点蚀深度2.5 mm，点蚀直径2.5 mm，预测腐蚀穿孔寿命0.98 年，修复后至2007 年未发生穿孔。2008 年3 月相邻管段发生管道泄漏事故，实际点蚀穿孔失效时间0.9 年，与预测值偏差8.8 %。后续该管道按照年度点蚀检测数据制定维修方法，2010年后未发生管道泄漏事故[10]。

工程案例四：轮库管道一线1990 年投产，管道沿线环境恶劣，腐蚀严重，近1997 年管道内检测检出深度在3.0 mm 的腐蚀缺陷达213 处。收集近千项管道历年腐蚀检测数据，建立管道腐蚀速率分布模型，符合正态分布规律；根据美国标准API 579 和极限缺陷尺寸数据确定管道剩余强度，确定不同风险地段管道可接受的失效概率，得出结论：针对低、中风险管段（失效概率分别为2.3×10-2和1.0×10-3），管道检测维护周期为5～6 年； 针对高风险管段（失效概率为1.0×10-5），管道检测维护周期为4～5 年据此制定管道内检测周期和防腐层修复计划[11]。

3 管道腐蚀速率计算方法选用原则

管道管理者选择适用的腐蚀速率计算方法，应考虑管道特征、运行条件和方法特征等因素。基于内检测数据的计算方法精度最高，试验法侧重腐蚀机理研究，数学分析法适用于数据有限情形，NACE 腐蚀速率推荐值仅能粗略判断腐蚀风险。按照管道全生命周期阶段划分，新建管道和在役运行管道选用腐蚀速率计算方法原则如下：

1）针对新建管道，根据NACE 腐蚀速率推荐值初步判断管道腐蚀风险等级，作为确定管道阴极保护系统参数和防腐层类型的重要依据。

2）针对在役运行管道，首选基于内检测数据计算腐蚀速率，结合现场开挖验证结果修正腐蚀速率；结合试验法监测管道腐蚀缺陷和速率变化趋势。管道长期腐蚀速率和短期腐蚀速率按下式计算：

式中：Vlc为长期腐蚀速率，mm/a；Vsc为短期腐蚀速率，mm/a；t0为首次检测壁厚，mm；tn为第n次检测壁厚，mm；a0为首次检测年份；an为第n次检测年份。

4 结语

由于管道敷设土壤环境复杂性，以及管道制造/施工缺陷、运行条件和第三方破坏活动的随机性，管道腐蚀速率不是固定不变的，如腐蚀速率发生显著变化，应分别从管体缺陷、阴极保护系统运行状况、土壤环境变化、第三方破坏和杂散电流干扰等方面查找原因，制定减缓管道腐蚀措施和管道风险管控措施，例如缺陷修复、降压运行和加密巡线等。

确定管道腐蚀速率的基本要求是真实、可靠，计算精度直接影响管道剩余寿命和再检测周期的准确性，因此应尽可能全面的收集管道设计、施工和运行等各个阶段的数据。以往我国老龄化管道或者超期服役管道存在数据不全面、不可靠的问题。随着管道完整性管理技术发展，新建管道投产前应进行基线检测，或用超声测厚仪测定管道初始壁厚，管道完整性数据收集也逐渐规范化，是提高腐蚀速率计算和剩余寿命预测的准确性的有利条件。