腐蝕防護(hù)綜合評價在輸油管道檢測中的應(yīng)用

何良恩 楊緒運(yùn) 李長春

（1.中國石化銷售有限公司華東分公司 上海 200050）

（2.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，管道運(yùn)輸在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮重要的作用，是企業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展的生命線。截至2014年底，我國已有壓力管道92.47萬千米，新建管道每年以5.5%增長，其中埋地管道約68.3萬千米，約占壓力管道的73.86%，多數(shù)運(yùn)行超過20年。影響埋地鋼質(zhì)管道安全運(yùn)行的因素很多，腐蝕是導(dǎo)致管道失效的最主要因素之一，我國每年因腐蝕導(dǎo)致的壓力管道運(yùn)行企業(yè)損失達(dá)數(shù)百億元，據(jù)有關(guān)資料報道，在所發(fā)生的管道事故中約有30%～40%是由腐蝕引起的。據(jù)美國國家輸送安全局統(tǒng)計(jì)，美國45%的管道損壞是由管道外壁腐蝕引起的[1]。隨著管道運(yùn)行時間的增加，近年因腐蝕引起的管道泄漏、爆炸等事故直接威脅人民的生命財產(chǎn)，造成環(huán)境污染等嚴(yán)重后果。例如，2013年11月22日10時25分，位于山東省青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的東黃輸油管道因腐蝕導(dǎo)致原油泄漏而發(fā)生爆炸，造成62人死亡、136人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失7.5億元。

因此，研究埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)綜合評價，提高完整性檢測的針對性和有效性，降低企業(yè)運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用，減少因腐蝕導(dǎo)致的重大事故發(fā)生，促進(jìn)社會的穩(wěn)定健康發(fā)展具有重大意義。影響埋地鋼質(zhì)管道管體腐蝕的五個關(guān)鍵因素有外防腐層狀況、陰極保護(hù)有效性、土壤腐蝕性、雜散電流干擾和排流保護(hù)效果，在不同的腐蝕環(huán)境中，每種因素影響腐蝕的權(quán)重和評價標(biāo)準(zhǔn)不同，采用層次分析法，建立腐蝕防護(hù)綜合評價體系，對檢測發(fā)現(xiàn)的腐蝕缺陷進(jìn)行分級分類管理，提升企業(yè)的管理水平。

1 基于層次分析法的模糊綜合評價

1.1 建立模糊集

依據(jù)影響管道腐蝕防護(hù)系統(tǒng)分級評價的5個因素：外防腐層狀況、陰極保護(hù)有效性、土壤腐蝕性、雜散電流干擾、排流保護(hù)效果，建立因素集并建立評價集。

因素集U=[ui]={外防腐層狀況u1，陰極保護(hù)有效性u2，土壤腐蝕性u3，雜散電流干擾u4，排流保護(hù)效果u5}。

1.2 建立單因素評價矩陣

把因素集中各因素ui對應(yīng)評價指標(biāo)的實(shí)際檢測值x代入隸屬函數(shù)，計(jì)算各單因素評價指標(biāo)對評價等級vj的隸屬度值，建立單因素評價矩陣R，R可由式（1）確定：

●1.2.1 外防腐層狀況u1

利用外防腐層檢測設(shè)備，并對外防腐層狀況進(jìn)行評價，選擇外防腐層絕緣電阻率（Rg值）、電流衰減率（Y值）、破損點(diǎn)密度（P值）等評價指標(biāo)中最具代表性的一個指標(biāo)進(jìn)行評價，根據(jù)隸屬度函數(shù)計(jì)算其評價向量R1。

●1.2.2 陰極保護(hù)有效性u2

利用陰極保護(hù)檢測設(shè)備，測試埋地鋼質(zhì)管道的保護(hù)電位，并計(jì)算陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)率、保護(hù)度、運(yùn)行率等來評價陰極保護(hù)的有效性，評價結(jié)果只有合格和不合格兩種，評價向量從或[0 0 0 1]中選取，雖然陰極保護(hù)有效性評價指標(biāo)有很多（管地保護(hù)電位、保護(hù)率、保護(hù)度、運(yùn)行率等），但只要有一個評價指標(biāo)不合格，則評價結(jié)果為不合格。

●1.2.3 土壤腐蝕性u3

土壤腐蝕性測試主要包括土壤電阻率、管道自然腐蝕電位、氧化還原電位、土壤pH值、土壤質(zhì)地、土壤含水率、土壤含鹽量、土壤Cl-含量八項(xiàng)指標(biāo)，以GB/T 19285—2014[2]對八項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評價，計(jì)算土壤腐蝕性評價向量R3。如果評價土壤腐蝕性的八項(xiàng)檢測指標(biāo)不全時，可根據(jù)實(shí)際情況估算一個缺項(xiàng)檢測指標(biāo)的評價分?jǐn)?shù)。

●1.2.4 雜散電流干擾u4

當(dāng)檢測發(fā)現(xiàn)管道存在直流干擾時，以實(shí)際檢測的管地電位較自然電位正向偏移值或土壤表面的地電位梯度值作為評價指標(biāo)進(jìn)行評價，直流干擾程度評價指標(biāo)見表1，根據(jù)隸屬度函數(shù)計(jì)算其評價向量R4。

表1 直流干擾程度評價指標(biāo)

當(dāng)檢測發(fā)現(xiàn)管道存在交流干擾時，以實(shí)際檢測的交流電流密度作為評價指標(biāo)進(jìn)行評價，交流干擾程度評價指標(biāo)見表2。

表2 交流干擾程度評價指標(biāo)

●1.2.5 排流保護(hù)效果u5

根據(jù)實(shí)際檢測的干擾時的管地電位，通過計(jì)算其電位平均值評價直流排流保護(hù)效果；通過實(shí)際檢測的交流干擾電壓及被測管道周圍土壤電阻率值，計(jì)算交流電流密度進(jìn)而評價交流排流保護(hù)效果。評價結(jié)果只有合格和不合格兩種，評價向量從或[0 0 0 1]中選取。

1.3 確定評價指標(biāo)的權(quán)重

●1.3.1 構(gòu)造判斷矩陣

應(yīng)用層次分析法確定因素集U=[ui]中各因素ui在評判埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)系統(tǒng)等級時所占的權(quán)重大小，建立評價指標(biāo)的權(quán)重向量需要對因素集中各因素進(jìn)行兩兩比較，建立判斷矩陣B，判斷矩陣B見表3。

表3 構(gòu)造的判斷矩陣B

表3中bij＞0，bij=1/bji，bii=1（i，j=1，2，3，4，5）。

bij代表ui與uj相互之間重要性的比例標(biāo)度，此標(biāo)度由專家根據(jù)實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果判定兩兩因素之間的重要性并賦值。判斷矩陣標(biāo)度及其含義見表4。

表4 判斷矩陣標(biāo)度及其含義

●1.3.2 計(jì)算權(quán)重值W

1）判斷矩陣每一行各元素相乘并開5次方得向量，

2）對上述向量進(jìn)行正規(guī)化（每個元素除以所有元素和）的向量該向量為λmax對應(yīng)的特征向量，即因素集中各因素ui的權(quán)重值；

3）計(jì)算判斷矩陣特征根

●1.3.3 一致性檢驗(yàn)

CI=（λmax-5）/4，如果CR=CI/1.12小于0.10，則判斷矩陣B具有滿意的一致性，否則需重新調(diào)整判斷矩陣。

1.4 腐蝕防護(hù)系統(tǒng)模糊綜合評價

腐蝕防護(hù)系統(tǒng)的綜合評價結(jié)果A=W·R=[aj](j=1，2，3，4)，為了能準(zhǔn)確評價腐蝕防護(hù)系統(tǒng)的狀況，對評價集 V=[vj]=[v1，v2，v3，v4]中的評價等級 vj采用百分制計(jì)分的方法進(jìn)行量化處理。評語中的高、中、低得分可由式（2）確定：

式中：

k=h，m，l——分別代表評價等級分?jǐn)?shù)的高、中、低；

Chi=（100，89.79，69）——區(qū)間上限組成的評語分?jǐn)?shù)向量；

Cmi=（95，85.75，65）——區(qū)間中間向量組成的評語分?jǐn)?shù)向量；

Cli=（90，80.70，60）——區(qū)間下限組成的評語分?jǐn)?shù)向量；

用高、中、低得分Sh、Sm、Sl平均值作為評價管道腐蝕防護(hù)系統(tǒng)狀況等級的依據(jù)，則腐蝕防護(hù)系統(tǒng)分級為1級；則腐蝕防護(hù)系統(tǒng)分級為2級；，則腐蝕防護(hù)系統(tǒng)分級為3級；則腐蝕防護(hù)系統(tǒng)分級為4級。

2 基于層次分析法腐蝕防護(hù)綜合評價

2.1 管道基本情況

某輸油管道長約22.06km，全線埋地敷設(shè)，管道外徑為426mm，管道壁厚為7mm（穿河流段8mm），設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa，工作壓力為1.6MPa，管道材質(zhì)X60，輸送介質(zhì)為成品油，于1990年建成投入運(yùn)行。采用外加電流及犧牲陽極聯(lián)合保護(hù)，其中全線陽極塊埋設(shè)23處，陰極保護(hù)站一座。管道表面涂層采用富氧底漆，保溫層為聚氨酯泡沫，最外層為環(huán)氧煤焦油加玻璃布（三油二布），穿河流、公路段采用四油三布。管道途經(jīng)區(qū)域的地表地物較為復(fù)雜，主要為居民居住房屋、綠化帶、人造樹林、河流、水塘、洼地、等級公路、電廠、污水廠等。

2.2 腐蝕防護(hù)系統(tǒng)檢測

中國特種設(shè)備檢測研究院對該輸油管道開展了完整性檢測評價，腐蝕防護(hù)系統(tǒng)檢測結(jié)果如下：

●2.2.1 外防腐層狀態(tài)

管道沿線共分14段進(jìn)行了電流衰減測試，共測試411點(diǎn)，進(jìn)行防腐層整體質(zhì)量評價，其中一級有12877m占58.46%，二級有4345m占19.73%，三級有2981m占13.53%，四級有1823m占8.28%。采用ACVG方法進(jìn)行外防腐層破損點(diǎn)的檢測與定位，全線共發(fā)現(xiàn)外防腐層破損點(diǎn)610處。

●2.2.2 陰極保護(hù)有效性

全線共分21段進(jìn)行了CIPS測量，管地電位約15.98km負(fù)于-850mV，有效保護(hù)率為72.44%。部分管段沿線通電電位、斷電電位測試結(jié)果見圖1。

圖1 管地電位測試結(jié)果

●2.2.3 土壤腐蝕性

沿線選擇6處典型位置進(jìn)行了土壤電阻率、管道自然腐蝕電位、氧化還原電位、土壤pH值、土壤質(zhì)地、土壤含水率、土壤含鹽量、土壤Cl-含量八項(xiàng)指標(biāo)測試，結(jié)果見表5。

表5 土壤腐蝕性測試

●2.2.4 雜散電流干擾

管道沿線選擇公路邊、通信塔、電廠附近、高壓電線下或變壓器等位置進(jìn)行了10處交、直流雜散電流測試及評價，其中存在2處強(qiáng)直流雜散電流干擾，5處中等直流雜散電流干擾，3處弱直流雜散電流干擾，管道沿線未發(fā)現(xiàn)明顯的交流雜散電流干擾。

●2.2.5 排流保護(hù)效果

管道沿線未進(jìn)行排流。

2.3 腐蝕防護(hù)綜合評價

●2.3.1 管道分段

根據(jù)管道沿線不同的腐蝕環(huán)境、檢測數(shù)據(jù)等共劃分為12段，按照順油流向各管段依次標(biāo)記為d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d10、d11和 d12。

●2.3.2 分段腐蝕防護(hù)綜合評價

以管段d1為例進(jìn)行腐蝕防護(hù)系統(tǒng)綜合評價，管段d1長2.502km，防腐層破損點(diǎn)70處，陰極保護(hù)基本未達(dá)到有效保護(hù)，土壤腐蝕性為17分，存在強(qiáng)直流雜散電流干擾，且未進(jìn)行排流。

外防腐層狀況評價向量R1={0 0 0 1}；

陰極保護(hù)有效性評價向量R2={0 0 0 1}；

土壤腐蝕性評價向量R3={0 0 0.5 0.5}；

雜散電流干擾評價向量R4={0 0 0 1}；

排流保護(hù)效果R5={0 0 0 1}；

特征根：5.1395；

通過計(jì)算矩陣滿足一致性要求。

,則腐蝕防護(hù)系統(tǒng)模糊綜合評價等級為4級。

●2.3.3 各段腐蝕防護(hù)綜合評價結(jié)果

通過2.3.2步驟對12段管道進(jìn)行腐蝕防護(hù)系統(tǒng)綜合評價，評價結(jié)果見表6。

表6 腐蝕防護(hù)系統(tǒng)綜合評價結(jié)果

3 管體腐蝕程度驗(yàn)證

在基于層次分析法腐蝕防護(hù)系統(tǒng)綜合評價結(jié)果的基礎(chǔ)上，對檢測出的每一處防腐層破損點(diǎn)管體腐蝕嚴(yán)重程度進(jìn)行評估，分析防腐層破損、防腐層整體質(zhì)量和開挖難易程度等因素，按照腐蝕防護(hù)綜合評價預(yù)測的管體腐蝕嚴(yán)重程度對610處外防腐層破損點(diǎn)進(jìn)行排序，制定維修計(jì)劃，選擇200處破損點(diǎn)分四批次進(jìn)行開挖檢測及修復(fù)，首批次為腐蝕防護(hù)綜合評價為4級，即預(yù)測管體腐蝕可能最嚴(yán)重的20處防腐層破損位置。同樣，第二批次選擇80處，第三批次選擇60處，第四批次選擇40處開挖檢測及修復(fù)。每處開挖坑連續(xù)性腐蝕缺陷統(tǒng)計(jì)為一處，當(dāng)非連續(xù)性缺陷相互不影響時分別統(tǒng)計(jì)，否則統(tǒng)計(jì)為一處缺陷[3]。200處開挖坑檢測結(jié)果見表7。

表7 開挖坑檢測管體腐蝕情況統(tǒng)計(jì)

從表7可知，層次分析法腐蝕防護(hù)系統(tǒng)綜合評價能夠預(yù)測管體腐蝕的狀況，首批次開挖的管道3級以上缺陷占開挖坑數(shù)量的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他批次，最嚴(yán)重的缺陷腐蝕減薄5.45mm，位于污水池南側(cè)，該位置陰極保護(hù)失效、土壤腐蝕性強(qiáng)、防腐層質(zhì)量差、存在中等直流雜散電流干擾，管體腐蝕缺陷形貌見圖2。腐蝕防護(hù)系統(tǒng)綜合評價與開挖坑檢測結(jié)果基本一致，因此，層次分析法腐蝕防護(hù)綜合評價結(jié)果可指導(dǎo)埋地鋼質(zhì)管道開挖坑管體腐蝕檢測，有助于檢驗(yàn)人員準(zhǔn)確分析腐蝕缺陷的嚴(yán)重程度，大大提高檢驗(yàn)的有效性與針對性，并為生產(chǎn)單位提供科學(xué)合理的維修計(jì)劃。

圖2 管體腐蝕缺陷

4 結(jié)論

本文采用層次分析法建立了腐蝕防護(hù)系統(tǒng)綜合評價體系，在輸油管道完整性檢測評價的基礎(chǔ)上，通過案例分析，可以得到如下結(jié)論：

1）層次分析法腐蝕防護(hù)綜合評價適用于埋地鋼質(zhì)輸油管道，評價體系科學(xué)合理，便于企業(yè)對防腐層缺陷分級分類管理，提升輸油管道的安全管理水平；

2）層次分析法腐蝕防護(hù)綜合評價是開展完整檢測評價的重要組成部分，提供管體腐蝕缺陷的針對性、有效性和準(zhǔn)確性；

3）對老舊管線開展基于腐蝕防護(hù)系統(tǒng)綜合評價為基礎(chǔ)的風(fēng)險管理和缺陷修復(fù)，可延長管道的使用壽命，降低安全風(fēng)險，對于保障社會穩(wěn)定健康發(fā)展具有重大意義；

4）管道分段是否科學(xué)合理，檢測位置的選擇及檢測結(jié)果是否準(zhǔn)確，直接影響層次分析法腐蝕防護(hù)綜合評價結(jié)果。影響腐蝕防護(hù)系統(tǒng)的因素動態(tài)變化，建議定期采用層次分析法開展腐蝕防護(hù)綜合評價，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行維護(hù)的動態(tài)管理。

參考文獻(xiàn)

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[3]GB/T 19624—2004 在用含缺陷壓力容器安全評定[S]．