牙哈裝車南站土壤腐蝕性評(píng)價(jià)

王 東，廖柯熹，李月霄，徐繼承

（1.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，成都610500；2.塔里木油田公司油氣運(yùn)銷部，庫(kù)爾勒841000）

原油儲(chǔ)罐是油庫(kù)中儲(chǔ)存原油的重要設(shè)備。由于儲(chǔ)罐在生產(chǎn)運(yùn)行的過程當(dāng)中，儲(chǔ)罐底板經(jīng)常要受到內(nèi)、外環(huán)境介質(zhì)的腐蝕，這些腐蝕嚴(yán)重影響了儲(chǔ)罐的使用壽命和安全運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成油品泄露帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，影響正常的生產(chǎn)秩序，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，甚至在某些情況下會(huì)引發(fā)火災(zāi)與爆炸，造成人員傷亡等重大事故。對(duì)于罐底板腐蝕比較嚴(yán)重的儲(chǔ)油罐，5～7年就會(huì)發(fā)生不同程度的腐蝕穿孔而需要維修補(bǔ)強(qiáng)或更換底板。儲(chǔ)罐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)站場(chǎng)的長(zhǎng)期正常運(yùn)行起著十分重要的作用。

一般原油儲(chǔ)罐的外底板是儲(chǔ)罐腐蝕最嚴(yán)重的部位［1］。造成儲(chǔ)罐外底板腐蝕的因素也有很多種，其中土壤腐蝕、細(xì)菌腐蝕最為常見。土壤是一種復(fù)雜的多相非均勻體系，影響土壤腐蝕性的因素有土壤電阻率、pH、含水率、總含鹽量、氧化還原電位、氯離子、硫酸根離子含量等。氯離子容易吸附在罐底板腐蝕缺陷部位，與金屬形成氯化物，造成罐底板處點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕處與點(diǎn)蝕外部形成微電池，進(jìn)一步加速腐蝕速度，使腐蝕更加嚴(yán)重［2］。土壤中含有水分，適合細(xì)菌等微生物生存，其中硫酸鹽還原菌（Sulfate-Reducing Bacteria，簡(jiǎn)稱SRB）對(duì)儲(chǔ)罐外底板腐蝕起著重要的作用，這種微生物可以在無氧或極少氧情況下，將硫酸鹽還原成硫化氫，生成硫化亞鐵，由于該氧化還原反應(yīng)消耗了金屬腐蝕反應(yīng)生成的氫原子，所以加速了儲(chǔ)罐外底板的腐蝕［3］。土壤對(duì)儲(chǔ)罐底板外側(cè)的腐蝕嚴(yán)重威脅站內(nèi)儲(chǔ)罐的安全生產(chǎn)運(yùn)行，有可能造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和非常大的經(jīng)濟(jì)損失。所以應(yīng)加強(qiáng)站場(chǎng)內(nèi)土壤腐蝕性的研究，以便采取相應(yīng)的防腐蝕措施。利用SPSS軟件對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用主分量方法，在眾多腐蝕因素中排除掉含重復(fù)信息或有誤差的數(shù)據(jù)，找到最佳的關(guān)鍵因素組合對(duì)管道土壤腐蝕進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

1 站場(chǎng)概況

牙哈裝車南站是一個(gè)集塔里木油田凝析油、液化氣、輕烴儲(chǔ)存與銷售于一體的綜合性儲(chǔ)運(yùn)站庫(kù)，站內(nèi)有3座1×104m3的凝析油罐，2座2 200m3的消防水罐。所有儲(chǔ)罐都采取外加強(qiáng)制電流保護(hù)方式。

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 主成分分析法

主成分分析利用降維思想，把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)［4-6］。為全面、系統(tǒng)地分析問題，在土壤腐蝕性究中，需考慮影響土壤腐蝕性的土壤電阻率、pH、含水率、總含鹽量、氧化還原電位、氯離子、硫酸根離子含量等因素。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室土壤理化性質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為信息量基礎(chǔ)，為減小分析問題的復(fù)雜性，從眾多影響腐蝕的因素中剔除含重復(fù)信息或測(cè)量誤差太大的因素，找到最佳的關(guān)鍵因素組合［7］，得到土壤腐蝕性的控制因素，利用控制因素對(duì)土壤腐蝕性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 主成分分析數(shù)學(xué)模型

假設(shè)有m個(gè)樣本，每個(gè)樣本共有n個(gè)指標(biāo)描述，這樣構(gòu)成了一個(gè)m×n的數(shù)據(jù)資料矩陣X。

其矩陣元素xij代表第i個(gè)樣本的第j個(gè)指標(biāo)值。為了消除不同單位的影響，使各個(gè)指標(biāo)具有可比性，以利于主分量的含義解釋，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

標(biāo)準(zhǔn)化后矩陣：

首先求解協(xié)方差：

求出斜方差矩陣C的特征值λij，以及相應(yīng)的特征向量v（i），由特征向量構(gòu)成正交矩陣V。

使新的變量y1，y2，…，yn兩兩不相關(guān)。

前面p個(gè)主分量y1，y2，…，yp，（p＞n）的方差占總方差的百分比：

當(dāng)ρ的貢獻(xiàn)率大到滿足條件（如，ρ≥0.75以上），前p個(gè)主分量就能夠替代n個(gè)變量，并且原來n個(gè)變量的信息基本能夠保留。前p個(gè)主分量y1，y2，…，yp稱之為公共因子。通常情況下，公共因子包含前兩個(gè)主分量就能夠達(dá)到要求［8］。

下式稱之為變量的公共性：

hj反映變量j重要性程度。對(duì)m個(gè)變量的公共性進(jìn)行比較，找出作用大的那一個(gè)變量。每個(gè)變量的權(quán)重就是該變量公共性的方根hj，從而構(gòu)成一個(gè)綜合指標(biāo)，能夠判斷土壤腐蝕性強(qiáng)弱［9］：

式中：zj為標(biāo)準(zhǔn)化之后的用樣本表示的某樣本的第j種測(cè)值；hj為第j種參數(shù)的權(quán)重。

根據(jù)式（8）可以得出站內(nèi)土壤腐蝕性的綜合指標(biāo)，并可以進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)。

3 SPSS軟件主分量法計(jì)算與分析

通過運(yùn)用SPSS軟件可以對(duì)多種土壤腐蝕因素的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析計(jì)算［10-12］。

在采集土樣過程中，應(yīng)開挖取樣坑，盡量采集靠近金屬構(gòu)筑物的土壤，同時(shí)埋設(shè)檢查片。用主成分分析法處理站場(chǎng)內(nèi)的土壤腐蝕數(shù)據(jù)時(shí)，在儲(chǔ)罐周圍和站內(nèi)埋地管線密集區(qū)域采集18個(gè)土壤樣本，每個(gè)樣本測(cè)出6個(gè)理化性質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個(gè)18×6的數(shù)據(jù)矩陣X，其矩陣元素xij代表第i個(gè)樣本的第j個(gè)指標(biāo)值。

如表1所示，其中6、9、15、18號(hào)取樣點(diǎn)的土壤電阻率明顯小于其他取樣點(diǎn)土壤的電阻率。發(fā)現(xiàn)以上4處土壤都比較濕潤(rùn)。土壤中含水率越高，土壤電阻率越小，說明含水率高是影響以上4處土壤電阻率較低的原因。

表1 儲(chǔ)罐底板腐蝕速率與影響因素?cái)?shù)據(jù)Tab.1 Data of tank bottom corrosion rate and influencing factors

用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件處理數(shù)據(jù)矩陣。將表1中所列的土壤電阻率、氧化還原電位、氯離子含量、硫酸根離子含量、pH、含水量等6個(gè)參數(shù)的18組數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，構(gòu)成6個(gè)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z，它的元素如表2所示。

對(duì)矩陣Z進(jìn)行主分量分析，求出Z的協(xié)方差矩陣的特征值λi（i＝1，2，…6），計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3可知，特征值λ1＝1.959，λ2＝1.344，λ3＝1.128，第一、二、三主分量占總方差的相對(duì)貢獻(xiàn)為76.850%，因此可以把第一、二、三主分量作為公共因子。6個(gè)參數(shù)在第一、二、三公共因子上的載荷向量如表4所示。

根據(jù)初始載荷因子矩陣中的兩列數(shù)據(jù)，通過SPSS計(jì)算，可以得到對(duì)應(yīng)于特征值λ1、λ2、λ3特征向量vi（i＝1，2，…6）。如表5所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z元素分布表Tab.2 Standardization of matrix elements of Z distribution table

表3 方差分解主成分提取分析表Tab.3 Variance decomposition principal component extraction analysis table

表4 初始因子載荷矩陣Tab.4 The initial factor loading matrix

經(jīng)過計(jì)算可分別得到土壤電阻率、氧化還原電位、氯離子含量、硫酸根離子含量、pH、含水量等6個(gè)變量的公共性：h1＝0.63，h2＝0.70，h3＝0.84，h4＝0.59，h5＝0.75，h6＝0.69。

表5 一、二、三主分量相對(duì)應(yīng)的特征向量Tab.5 The first and second principal components corresponding eigenvectors

因此，構(gòu)造牙哈裝車南站土壤腐蝕性的綜合指標(biāo)：

由于主分量法計(jì)算出來的土壤腐蝕綜合指標(biāo)還需要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范去衡量土壤腐蝕的強(qiáng)弱，因此以中國(guó)腐蝕與防護(hù)協(xié)會(huì)制定的單因素腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)為基礎(chǔ)（表6），代入主分量分析法評(píng)價(jià)模型，通過計(jì)算得到主分量法土壤腐蝕等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表7）［13-14］。

表6 單因素的腐蝕評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)指標(biāo)Tab.6 Corrosion evaluation level corresponding to a single factor index

表7 主分量法土壤腐蝕性等級(jí)綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.7 Principal component method of soil corrosion grade comprehensive evaluation standard

采用規(guī)格為50mm×25mm×5mm的Q235鋼試片，按照SY／T 0029-1998規(guī)范的要求，采用埋片失重法，埋設(shè)1個(gè)月后，測(cè)得不同土壤樣品中檢查片的腐蝕速率：

式中：W為檢查片的失重；A為檢查片的暴露面積；t為檢查片埋設(shè)時(shí)間。

根據(jù)《材料土壤腐蝕試驗(yàn)方法》，將我國(guó)土壤腐蝕性劃分為5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如表8所示。

表8 土壤腐蝕分級(jí)表Tab.8 Soil corrosion grades

將經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的單因素腐蝕評(píng)價(jià)等級(jí)指標(biāo)和18組土壤的標(biāo)準(zhǔn)化值（矩陣Z）分別代入上述表達(dá)式，可以得到主分量法土壤腐蝕等級(jí)綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和土壤各樣本綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)值，評(píng)價(jià)結(jié)果如表9所示。

表9 牙哈裝車南站主分量法土壤腐蝕性評(píng)價(jià)Tab.9 Principal component method of soil corrosion evaluation of Yaha loading south station

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，利用主分量法對(duì)牙哈裝車南站土壤腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率達(dá)到了77.8%，說明主分量法對(duì)于土壤腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)是有效的。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)影響牙哈裝車南站土壤腐蝕的關(guān)鍵因素，建立了基于主分量分析法的腐蝕分析數(shù)學(xué)模型。

（2）對(duì)于影響牙哈裝車南站土壤腐蝕性因素中，土壤電阻率、氧化還原電位與氯離子含量是影響其腐蝕的主要因素。

（3）建立的土壤腐蝕性等級(jí)綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)能夠比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)土壤腐蝕等級(jí)，評(píng)價(jià)效果較好。

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