管道交流干扰腐蚀风险识别方法研究

2023-04-06孟祥岩李磊李祥琦梅安孙大明

装备环境工程 2023年3期

孟祥岩，李磊，李祥琦，梅安，孙大明

（国家管网集团北京管道有限公司河北输油气分公司，河北秦皇岛 066000）

近年来，我国交流输电线路、交流电气化铁路与输油输气管道的建设都在迅速发展，而交流输电线路和交流电气化铁路与油气管道接近或交叉的情况也经常出现，引起埋地管道的交流干扰问题[1-2]。从工程技术应用的角度考虑，国内外制定了许多标准，GΒ/T 50698—2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》中要求交流干扰电压不高于4 V 时，可不采取交流干扰防护措施，高于4 V 时，采用交流电流密度进行评估交流干扰程度。D-CEN/TS 15280—2006“Evaluation of AC Corrosion Likehood of Βuried Pipelines”中采用了交直流电流密度比评价交流腐蚀的可能性。GΒ/T 40377—2021《金属和合金的腐蚀交流腐蚀的测定防护准则》和 ISO 18086—2019“Corrosion of Metals and Alloys-Determination of AC Corrosion-Protection Criteria”中提出了在具有阴极保护条件下交流干扰的可接受水平。同时杂散电流腐蚀与土壤腐蚀性密切相关。土壤含水是造成土壤腐蚀的必要条件[3]，土壤中的硫酸根离子、氯离子等对金属材料的腐蚀影响较大[4-6]。同时，钢的腐蚀速率与不同pH 下的阴极过程有关[7]。埋地管道受到杂散电流干扰时会使得管道电位产生偏移，当管道的电位负于管线钢的析氢电位时，会析出氢气，对微观结构上的金属材料造成破坏，在酸性土壤中由杂散电流造成的析氢腐蚀会更为严重。丁清苗等[8]、韦博鑫等[9]、Tang 等[10]、Du 等[11]研究发现，交流杂散电流对管线钢在土壤模拟溶液中的腐蚀起促进作用。有研究表明，对管线施加阴极保护，会使得电化学腐蚀的阳极溶解过程得到有效抑制[12-20]。因此，需要在现场测试交流干扰电流密度、土壤电阻率、阴极保护护电位等参数，对土壤理化性质进行分析。丁海峰等[21]、尹宗明等[22]、马军鹏等[23]、江世艳等[24]提出了灰色关联分析算法，分析了各个因素与目标因素的关联性。李军等[25]、肖逸璇等[26]、隋明刚等[27]、Tang 等[28]、Zeng 等[29]、Chen 等[30]提出利用三角模糊层次分析（FAHP），将评价方法由刚性评价转换成弹性评价。现行交流干扰防护及评价标准在现场工程实践中具有易于实行的优点，但长期以来埋地管道交流腐蚀的评价均通过现场测试取得的交直流参数进行评价。国内外多条管道已发生在较低交流干扰电压的情况下产生腐蚀穿孔和壁厚减薄的情况[31]。因为交流腐蚀不仅受到交流干扰电压/交流干扰密度的影响，还与周围土壤腐蚀性离子种类及含量、防腐层缺陷面积大小等因素有关，单纯采用交流干扰电压/交流电流密度的指标作为交流干扰腐蚀风险的判断容易导致误判。

本文基于现场测试参数、理化性质参数与室内腐蚀试验结果，利用灰色关联分析和三角模糊层次分析，将交流干扰腐蚀速率及影响因素相结合，计算出室内条件下交流干扰腐蚀各因素的权重。在此基础上，构建一种考虑阴极保护状况并融合土壤腐蚀性的交流干扰腐蚀风险识别方法，提高交流干扰腐蚀风险评估的准确性，并为埋地管道的交流干扰腐蚀防护提供指导建议。

1 风险识别方法建立

1.1 高压交流腐蚀关键因素识别

由于交流干扰腐蚀与阴极保护电位、交流电流密度、土壤电阻率和理化性质等因素有关，因此需要对现场参数进行测试。主要测试参数由现场测试的阴极保护电位、交流电流密度、土壤电阻率、室内土壤理化性质试验测得的土壤中各离子浓度和含水率等参数组成。各参数测量方法：阴极保护电位测量根据GΒ/T-21246《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》进行测量，土壤电阻率按照SY/T-0023《埋地钢质管道阴极保护参数测试方法》进行测量，交流干扰电位/电流密度按照GΒ/T 50698—2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》进行测量，土壤理化性质根据NY/T 1121—2006《土壤检测系列标准》进行检测。

根据现场测试结果，设计室内试验方案。将交流干扰腐蚀速率作为目标层；因素层是影响目标层的一级指标，由干扰电位/干扰电流密度、阴极保护电位、pH 值、碳酸氢根、碳酸根、硫酸根及氯离子含量等7 个因素组成，其中阴极保护电位参数是相较于饱和硫酸铜参比电极确定的；数值层是因素层的具体取值，基于此，构建室内单因素变量试验方案，如图1所示。

图1 室内试验方案 Fig.1 Laboratory experiment scheme

根据图1 的室内单因素变量试验方案，进行28组试验。试片规格参照SY/T 0029—2012《埋地钢质检查片应用技术》。选用KCl、NaHCO3、MgSO4·7H2O、Na2CO3等试剂配制模拟溶液，采用氨水和醋酸调节pH，试验周期为72 h。先通入直流阴极保护15 min后，再通入交流干扰电流72 h。试验后，取出试片，按照GΒ/T 16545 进行酸洗，去除腐蚀产物，干燥后称量，计算腐蚀速率。

采用灰色关联分析法的思路可以量化交流干扰腐蚀速率与其各个影响因素之间的关联性。基于灰色关联分析的结果，在FAHP 构造判断矩阵时，摒弃了传统的1～9 标度法，采用三角模糊数，降低判断矩阵的主观性。根据FAHP 方法的相关公式进行计算，得到各个影响因素对交流腐蚀的贡献权重。

1.2 腐蚀严重管段识别方法

目前国内外许多研究倾向于多项指标综合评价土壤腐蚀性，其中最具有代表性的是德国的Βaeckman 综合评分指标和美国的ANSI-A21.5 土壤腐蚀性评价法，可以得到各项指标对土壤腐蚀性的贡献权重。土壤腐蚀性对交流干扰腐蚀的重要性是不可忽略的，根据交流腐蚀关键因素识别结果，可以得出部分土壤腐蚀性指标对交流干扰腐蚀的权重。综合考虑现场实际情况和交流腐蚀关键因素识别结果，选取关键因素识别研究的7 种因素（按贡献权重排序后）中有关土壤腐蚀性的前3 项，作为腐蚀严重管段识别土壤腐蚀性评价中的部分评价指标，并结合含水率和含盐总量作为整体土壤腐蚀性对交流干扰腐蚀的评价指标。依此2 部分权重进行归一化，最终得到交流干扰下土壤腐蚀性各指标的贡献权重。

将土壤环境因素指标以及阴极保护电位，作为对交流干扰腐蚀的间接影响因素；将埋地管道上感应出的交流干扰电流视为交流干扰腐蚀的直接影响因素；将防腐层破损情况作为交流干扰腐蚀的先决性因素。将直接因素、间接因素和先决性因素耦合，基于此思想建立腐蚀严重管段识别方法。由于室内试验设备因素限制，本次试验没有制作模拟防腐层破损试片，但通过参考SY/T 0087.1—2018《钢质管道及储罐腐蚀评价标准》、GΒ/T 19285—2016《埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》、管道风险管理手册（Kent 第二版）等相关规范中，防腐层破损面积对管道造成的腐蚀风险评分内容，基于本文评价方法的构造思想，将防腐层破损因素融合进评价方法中。

2 结果与讨论

2.1 交流干扰腐蚀关键因素识别结果

现场及室内土壤理化性质分析结果见表1 和2。

根据表1 和2 所得的现场测试数据和土壤理化性质分析数据，构建室内试验方案。考虑的交流干扰电流密度、阴极保护电位、土壤电阻率、土壤腐蚀性离子等因素的试验参数取值范围可以覆盖测试数据区间，室内试验结果见表3。

表1 现场测试结果 Tab.1 Field test results

表2 土样理化性质分析结果 Tab.2 Results of physical and chemical property analysis of soil

表3 不同腐蚀环境因素下X70 管线钢母材的腐蚀速率数据 Tab.3 Corrosion rate of X70 pipeline steel base material under different corrosion environment

根据室内试验结果，采用MATLAΒ 编写灰色关联分析计算程序，计算得到各因素关联度结果，见表4。

表4 灰关联分析方法运算结果 Tab.4 Results of GRA

为实现判断矩阵三角模糊数中值的定量选取，根据关联度数值两两比较，确定比值范围及比值范围对应的三角模糊数中心值m的取值，具体取值原则见表5。

表5 三角模糊数中心值m 的取值参照 Tab.5 Reference value of triangular fuzzy number center value m

根据上述规则，以1～9 标度法为原则构造因素层三角模糊判断中值矩阵M：

根据三角模糊判断矩阵A得出判断中值矩阵M。计算中值矩阵M的最大特征值λmax。将λmax代入公式进行一致性检验。经计算此中值矩阵通过一致性检验。

根据公式计算调整判断矩阵Q，并将矩阵Q对角线归一化后得到Q'。

用方根法计算各项指标权重，得到因素层对于目标层的权重，见表6。

表6 因素层对于目标层的权重排序 Tab.6 Contribution weight of factor layer for target layer

2.2 腐蚀严重管段识别方法及其应用

根据腐蚀严重管段识别方法的建立思想，建立如下的评价体系：

式中：S为总评价分数；A为各指标权重系数；SCP为阴极保护评价分数；Ssoil,i为土壤腐蚀评价各指标分数；SAC为交流干扰评价分数；Scoat为防腐层评价分数。

参考相关规范，将0.4、1、10 cm2作为防腐层评价分数的划分界限。结合得出的权重关系，建立交流干扰下埋地管道腐蚀风险识别方法。针对构造出的评分公式，为了消除乘法的放大敏感影响，将评分公式转化成对数合成，使得评价值的极差缩小。

对上述总评分式进行对数变换，令S′=lgS，得：

根据埋地管道的浴盆曲线可知，当设计寿命为30 a 的管道服役25 a 后，进入事故频发阶段，因此提出运行年限参数，对受交流干扰严重管段评分进行修正。考虑管道服役的时间效应，得到如下评分式：

式中：T为运行年限。

对S′代表总评分式构成的高压交流干扰下的埋地管道风险识别分值见表7—9。

表7 土壤腐蚀性评价 Tab.7 Soil corrosivity assessment

表8 干扰因素评价 Tab.8 Interference factor assessment

表9 交流干扰腐蚀风险评价 Tab.9 Corrosion risk assessment of AC interference

根据交流干扰腐蚀关键因素识别结果，以及构建的风险评价方法，对现场工作提出以下建议：针对土壤腐蚀性参数，YQP-1103、YQP-1105 测试桩土壤pH值小于6.5，LtL-0072、LtL-0154 测试桩氯离子或者硫酸根离子的质量分数大于0.01%，LtL-0072 测试桩可溶盐总质量分数大于0.75%，YQP-928、YQP-1103、YQP-1105 以及LNG 管道沿海地段的测试桩土壤含水率在10%～30%，需要重点关注。

以华北某LNG 管道中LtL-154 测试桩处进行实施例评价。根据埋片时现场实测数据和室内土壤理化性质分析得到：阴极保护电位为-1.2 V，交流干扰电流密度为1.68 A/m2，pH 值为7.37，氯离子质量分数为0.042 5%，硫酸根离子质量分数为0.033 1%，含盐量为 0.1%，含水率为 21.32%，防腐破损面积为6.5 cm2。该LNG 管道设计使用寿命30 a，在2013 年11 月投产运行后，运行年限处在设计寿命的80%以内。根据表7—9 可得各因素的评价得分，见表10、11。

表10 阴极保护及土壤腐蚀性评价得分 Tab.10 Assessment score of cathodic protection and soil corrosivity

表11 干扰因素评价得分 Tab.11 Assessment score of interference factor

考虑运行年限对评价分数的修正作用，最终综合评价评分为1.67。根据表9 可得，该LNG 管道中LtL-184 测试桩处交流干扰腐蚀风险低。对上述提到的华北某LNG 管道和某输气管道，选取部分测试桩位置运用建立的方法进行风险识别，结果见表12。对华北某输气管道和某LNG 管道，根据2 条管道内检测报告数据可得到，在管道上所选取的所有测试点处，管道均没有外部缺陷，管道外壁均没有明显减薄，可认为所有测试点处交流干扰腐蚀风险均为低，内检测结果与评价结果一致。