基于外腐蝕速率的管道動態定量評價

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(重慶能源職業學院，重慶 400000)

管道傳輸是油氣長距離輸送最主要的方式，但由于輸送管線的服役條件惡劣、輸送距離長、典型地域跨越大以及受其他諸多外界環境的干擾，隨著運行時間的延長，管線自身的老化問題以及其他失效問題逐漸成為了公眾關注的熱點之一[1]。

隨著管線建設趨向高壓、大口徑、長距離建設，管線一旦發生失效，如腐蝕穿孔泄漏、第三方破壞、應力集中破壞等問題，不僅會對環境、國民經濟造成巨大影響，甚至會引起重大災害性事故。因此，各大石油企業都將管道檢測/監測以及維修防護作為管道運行維護的重點日常工作之一，同時國家也針對性地出臺了相關的法律法規來培訓、規范石油人的操作以及對服役管道進行評價，如SY/T 6891.1-2012《油氣管道風險評價方法：半定量評價法》、GB/T 27512-2011《埋地鋼質管道風險評估方法》及GB/T 32167-2015《油氣輸送管道完整性管理規范》等，這些標準為我國管道管理企業開展風險評價提供了指導。

肯特法中指出，引起管道失效的主要原因包括第三方破壞、設計、誤操作以及腐蝕因素等四方面。目前，對于管道的風險評價依然多沿用基于故障樹、專家打分等的定性或半定量評價方法，具有很強的主觀意識。與第三方破壞、設計以及誤操作相比，腐蝕引起的管道失效問題隨著土壤環境、雜散電流等問題的日益凸顯尤為嚴重。因此，本工作在閱讀大量文獻的基礎上，總結了定性評價、半定量評價和定量評價三種方法的優缺點，針對外腐蝕引起的管道失效的風險定量評價問題研究提出了相應的建議，以期為今后管道外腐蝕定量評價的研究提供借鑒。

1 風險評價常用方法

1.1 定性評價

在風險評價過程中，定性評價是最基本的階段，它主要通過對歷史案例或前期經驗影響管道安全運行的相關因素及可能造成的后果進行判斷，從而進一步采取風險決策[2]。

定性風險評價具有直觀、簡便、快速等優點，不需要相關的數學模型和計算方法，就能夠迅速判斷管道的“高后果區”、發生事故的原因，甚至是事故的影響程度等，但是其結果過分依賴于分析人員的經驗，并且無法給出強有力的證據來證明分析結果。傳統的定性風險評價方法主要有安全檢查表(SCL)、預先危險性分析(PHA)、危險指數方法(RR)、危險和操作性研究(HAZOP)、故障樹分析(FTA)[3]、故障類型及影響分析(FMEA)、故障假設分析法(WI)等。

1.2 半定量評價

考慮到定性評價的“經驗性”特點，在定性分析的基礎上，明確可能引起管道失效的主要影響因素以及對可能性后果進行打分或者權重計算，通過數據比對最終對不同影響因素的風險進行排序和劃分等級，故形成了半定量風險評價方法。

相關學者在實踐中根據歷史數據和經驗證明了不同因素對管道安全運行的影響，BATTELLE等于1985首次提出了風險評分法[4-5]，而目前應用較多是MUHLBAUER于1992年提出的肯特法(也稱專家評價法或風險指數法)[6-7]，肯特法主要根據美國歷史數據和工作經驗對不同因素給出了具體的分值，從而形成相對風險指標，傳統的肯特法如圖1所示。

圖1 肯特評分法框架圖Fig.1 Kent score frame diagram

由圖1可見：肯特法首先將現場可能引起管道失效的數據分為4大類,包括第三方破壞、腐蝕、設計和誤操作數據，通過打分法賦予不同因素一個權重或影響系數；通過以往經驗和歷史數據等賦予不同因素造成的后果因子，兩者的乘積即為該管道在某條件下的風險值。對每個管段重復上述過程即可得到每根管段的風險值，即可確定管道沿線的風險大小，為管線管理者提供風險管理依據。在實際應用中，在肯特法的基礎上，根據不同風險值劃定不同的風險等級，即可確定管道的“高后果區”[8]。

1.3 定量評價

憑借個人經驗或者歷史數據對不同風險因素進行識別和打分是風險評價的第一步，其主要缺點是太依賴于主觀性。因此，相對于前兩者來說，定量風險評價是根據大量的歷史數據，通過數學方法將各類因素處理成隨機參數，通過對單個不同事件引起事故的概率進行分析,確定在某個特定條件下事故發生的概率，最終再結合量化后的后果計算某管道的風險。

事實上，定量風險分析是對已在定性分析中識別出的引起管道失效較大的因素進行詳細計算，但是由于管道在運行過程中受到多種因素的共同或耦合作用，其評價方法依托于概率結構力學、有限元、斷裂力學以及數理統計等各個學科，其交叉性很強，因此綜合考慮各個管段在某條件下失效的概率是非常困難的。同時，其結果的精確性取決于原始數據的完整性、數學模型的精確性和分析方法的合理性。因此，管道的定量風險分析技術研究是一個熱點發展領域，在國際上日益受到重視。目前已有的管道定量風險評價技術有基于斷裂力學-理論和實物半經驗公式的ASME B31G管道剩余強度評價、基于腐蝕機制的剩余壽命預測評價、基于失效評估圖FAD的概率失效分析、管道失效的故障樹分析法FTA、管道的可靠性評價等，國外定量風險評價軟件有Pipesafe(英)和Piramid(加拿大)等。除此之外，目前國外廣泛應用于管道外腐蝕風險評價的方法為貝葉斯網絡模型蒙特卡洛預測，相關學者也采用概率模型對腐蝕速率[9-10]、金屬損失[11]、運行壽命[12]以及可靠性[13]等進行了預測，但是上述方法中，均是同時考慮了多個因素對目標函數的影響，無法獲得單個因素對腐蝕影響的數據，在管道腐蝕速率預測及失效評價方面存在一定的局限性[14]。

而國內關于定量風險評價方法的研究起步較晚,陳利瓊[15]基于風險分析、判斷和決策三個方面開展了長輸管道定量評價技術研究，針對管道的基本事件發生概率提出了改進的專家判斷法，建立了事件獨立性和相關性的兩種不同的失效概率模型，同時完善了基本事件概率重要度系數的模型；李建華[3]運用模糊數學和灰色理論對長輸管道進行定量分析。但是由于缺乏大量的基礎研究和實測數據的支持，無法建立各種載荷的概率模型，因此建立不同隨機變量與失效概率模型是非常困難的[16-17]。同時缺乏現場實際管道的應用經驗，無法驗證和修訂模型的準確性，因此目前依然多采用專家打分法和模糊數學(包括層次分析等)相結合來對管道風險因素發生的概率進行判定，存在一定的誤差。

近年來，在模糊數學、灰色關聯[18]、層次分析[19]等數學處理方法的基礎上逐步建立了油氣管道外腐蝕綜合評價平臺，以此來加強對技術數據和模型的研究。在故障樹分析方法的基礎上，王文和等對管道外腐蝕的主要因素進行了結構重要度分析，明確了引起管道防腐蝕層劣化的主要原因是土壤理化性質和管道防腐蝕層狀況；陳利瓊等著重確定了引起管道腐蝕因素的權重，并建立了相關模型，逐步完善了管道腐蝕方面的相關定量風險評價研究，為建設管道復雜情況下的風險評價平臺提供了思路和基礎[15]。

2 管道外腐蝕速率動態定量評價

2.1 主要外腐蝕因素

2.1.1 土壤因素

目前，對土壤腐蝕性研究最基礎、最有效的方法為試片法，考慮到試片材質和土壤環境的差異，一般埋片時間為1 a以上，取片后通過失重法和蝕坑分析來確定不同土壤環境中的破損涂層管道的腐蝕速率，進而建立引起管道外腐蝕的土壤關鍵因素與腐蝕速率預測/增長模型來實現管道安全運行的定量評價。主要包括以下過程：

① 現場埋片試驗及土樣理化性質分析。

② 測試并計算試片的全面腐蝕速率和點蝕速率。

③ 以土壤理化性質測試結果為自變量，以試片全面腐蝕/點蝕速率為因變量，通過灰關聯及層次分析法確定影響管道外腐蝕速率的關鍵因素[20]。

④ 通過人工神經網絡建立土壤因素與全面腐蝕/點蝕速率的關系模型，其中以全面腐蝕/點蝕速率為目標函數，以土壤指標為變量。

需要注意，由于土壤的復雜性，大多數土壤腐蝕速率預測模型存在精度低、適用范圍窄的問題，其主要原因是無法定量描述土壤中細菌對管道外腐蝕速率的影響[21-22]；若要保證在某地區、甚至某局部區域內的土壤腐蝕速率預測結果較為準確，在保證樣本數量足夠多以及試驗時間足夠長的條件下，應盡可能詳細地描述能夠反映土壤腐蝕特性的指標。

2.1.2 雜散電流

隨著經濟的發展，大量高壓交/直流輸電線路和電氣化鐵路的建設使得埋地管道不可避免會受到干擾，當防腐蝕層存在破損點時，管中電流流出發生腐蝕；與直流雜散電流相比，交流雜散電流僅為1%～3%，因此單從腐蝕速率的角度來看，直流雜散電流對管道的外腐蝕影響更嚴重。

目前，針對交/直流雜散電流的單一影響，常采用室內浸泡試驗和電化學方法來進行研究。唐紅雁等[23]以時間為權重對試片的瞬時腐蝕速率進行疊加得到了累加平均腐蝕速率，見式(1)。

(1)

通過將電化學測試和失重試驗相結合，建立了腐蝕速率與腐蝕電流密度之間的關系：

Wt=0.57×Icorr

(2)

由上述可見:腐蝕速率與腐蝕電流密度之間呈線性關系，但需要注意，上述公式是建立在極化曲線的擬合精度上，腐蝕電流密度表征了試片表面整體的特征，并且會受到點蝕的極大影響，與失重試驗所得結果存在一定的誤差[24]。由圖2可見：當交流電流密度為0～100 A/m2時，X80鋼的腐蝕速率呈線性增大，隨著腐蝕電流密度的繼續增大，其腐蝕速率增大程度變緩。這是因為隨著腐蝕電流密度的增大，試片的腐蝕形態由全面腐蝕逐漸向點蝕轉變(圖略)，其腐蝕速率略有增大。因此，對于交流干擾下的管道風險定量評價應重點關注不同條件下管道的點蝕速率。

圖2 不同交流電流密度作用下，X80鋼試樣在3.5% NaCl溶液中的腐蝕速率Fig.2 Corrosion rates of X80 steel samples in 3.5% NaCl solution at different AC current densities

而對于直流雜散電流，其腐蝕速率遵循法拉第定律，即腐蝕速率與流出的電流密度成正比。但相關研究表明，當管道防腐蝕層存在破損點時，管中電流流出時不僅會產生腐蝕，其破損點周圍防腐蝕層會存在較大的電位升[當流出點的直流電流密度增大1 A/m2，其管地電位上升約為1.23 V(相對于銅/硫酸銅參比電極,下同)]，這會引起防腐蝕層剝離。

2.1.3 陰極保護

眾所周知，陰極保護是保障埋地管道安全運行的重要途徑之一。但相關研究表明，由于土壤環境的復雜性、防腐蝕層的不均勻性以及交直流雜散電流等因素的影響[25-26]，管道上的陰保電位必然會存在一定的差異，甚至在一定的陰保范圍內發生振蕩，而這種振蕩或不穩定性會誘導防腐蝕層下管道發生點蝕，從而使得管道存在失效風險[27-28]。

因此，針對外腐蝕引起的管道失效問題，首先應對管道進行詳細全面的檢測，確定不同管段存在的主要干擾問題[29]，建立不同外腐蝕單一因素下的腐蝕速率動態模型；最終結合現場埋片試驗，確定某區域引起管道失效的關鍵外腐蝕因素以及腐蝕速率預測模型。

2.2 失效單元劃分

與其他構件的風險評價不同，油氣管線在其空間上的分布使得整條管線所處的外部環境差異性很大，影響管道外腐蝕的主要因素包括土壤因素、防腐蝕層、交/直流雜散電流和陰極保護等[30]。因此，在考慮由于外腐蝕引起管道失效問題時，應該收集上述參數，根據其影響程度進行管段劃分。一般來說，劃分單元越詳細，評價越準確，但費用也越高，因此應綜合考慮精度與費用之間的關系,劃分管道風險評價單元[31]。本工作根據標準GB/T 19285-2014《埋地鋼質管道腐蝕防護工程檢驗》,GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》,GB/T 50991-2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》,GB/T21448-2014《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》給出了基本的參數劃分方法，圖3為以土壤因素和陰極保護為分類標準的評價單元劃分。

① 土壤因素：按其腐蝕性等級劃分為強、中、較弱和弱四類。

② 防腐蝕層：按其破損點個數劃分為<10個/公里和≥10個/公里兩類。

③ 交流雜散電流：按其干擾電壓程度以4 V為分界線劃分為兩類。

④ 直流雜散電流：按其管地電位偏移以100 mV為分界線劃分為兩類。

⑤ 陰極保護：劃分為欠保護(>-0.85 V)、正常保護(-0.85～-1.2 V)和過保護(<-1.2 V三類)。

圖3 管道失效評價單元Fig.3 Assessment unit of pipeline failure

2.3 失效概率計算

外腐蝕引起管道失效可以認為是時間的函數，為了將影響管線失效的所有外腐蝕因素的失效概率相加，必須將與時間有關的各失效原因的失效概率轉化為年失效概率。假定在時間t1之前管線沒有失效，則在(t1，t2)之間的年失效概率為[31-32]：

(3)

式中:F(t)為失效時間的累計概率分布。在時間t1之前的失效概率為：

(4)

筆者認為，失效概率依賴于歷史數據，不能切實反映目前管道所處的環境以及相關的外腐蝕數據。因此，除考慮單一外腐蝕因素外，現場多因素共同作用下采用試片法建立不同環境參數(土壤、雜散電流、陰極保護、防腐蝕層等)與腐蝕速率的關系模型[33-34]，依據管道強度評價準則進一步描述在特定區域內對管道腐蝕的預測模型，確定引起管道失效的時間，從而保證管道的安全運行。但是該模型只能針對某一特定的區域，沒有普適性，并且試驗周期長，數據量龐大，需要詳細考慮多種不同的外腐蝕因素，數學處理結果可能會由于其他不可抗因素帶來較大的誤差，但是可以盡量避免過于依賴歷史數據的問題。

3 結論與建議

油氣管道的風險評價經歷了定性評價、半定量評價和定量評價的發展過程，對三種評價方法進行了詳細的描述，并針對外腐蝕引起的管道失效定量評價問題提出了相應的方法，但目前仍然存在以下問題，并據此提出了相關的建議。

(1) 目前，針對埋地管道風險評價應用較多的依然是故障樹法和肯特法。對于故障樹法來說，仍然沒有統一的標準來規定其細化程度，并且不同學者針對同一問題建立的故障樹存在較大的差異性；而對于肯特法來說，其權重以及評分準則依然依靠歷史數據庫或個人經驗，具有很大的主觀性和局限性。針對這兩種方法，筆者認為需要針對某特定區域的管道特征進行相關試驗，其主要存在兩個目的：一是為了補充大量試驗數據來支撐兩種評價方法，二是應該滿足目前經濟、科技發展水平下管道的相關特征，使兩種評價方法能夠更具有時代特征。

(2) 對于半定量評價和定量評價來說，基于模糊數學等大量的數學方法，對大量的歷史數據進行數學處理，從而建立不同因素下管道失效概率或某個特征值的關系式，以此來對管道進行風險分析。以基于外腐蝕的管道風險評價為例，相關學者建立土壤理化性質、防腐蝕層性質等參數與全面腐蝕速率/點蝕速率的關系來進行管段的風險評價，但是隨著時間的推移，該模型是否依然適用卻無從考證。因此，建立特定條件下管道失效概率隨著時間變化的基礎模型和動態模型，對該區域管道風險定量評價有至關重要的意義。

(3) 引起管道失效的因素很多，目前多集中于研究影響較大的因素，但是在某些區域其各個因素的影響程度可能不同，因此，建立全因素綜合評價方法是非常有意義的。隨著管道完整性管理以及管道大數據技術的推進，該方面的研究慢慢進入了在線數據實時采集的初始階段。但同時大量數據的涌入，數據對齊、數據篩選以及數據處理等相關的方法和模型的研究是管道全因素風險綜合評價方法建立的基石。