埋地天然氣管網土壤腐蝕的風險分析*

朱慶杰 胡士明 陳艷華 李雪 趙炫皓 萬永華

1常州大學石油工程學院

2華北理工大學地震工程研究中心

埋地天然氣管網土壤腐蝕是指土壤的不同組分和性質對埋地天然氣管網產生的腐蝕破壞現(xiàn)象，它是導致埋地天然氣管網泄漏的重要原因之一[1]。埋地天然氣管網土壤腐蝕主要有土壤電化學腐蝕、化學腐蝕、微生物腐蝕和雜散電流腐蝕[2]。由于土壤的組分和性質比較復雜，致使埋地天然氣管網土壤腐蝕的影響因素較多，主要包括電阻率、氧化還原電位、含水量、含鹽量、土壤pH值[3]。本文將造成埋地天然氣管網土壤腐蝕的五種主要因素與地理信息系統(tǒng)（GIS）相結合，建立五種影響因子的風險隸屬度函數(shù)，并運用層次分析法（AHP）計算出其權重系數(shù)，再根據(jù)計算結果得到埋地天然氣管網土壤腐蝕的風險預測圖像[4-5]。

1 土壤腐蝕影響因素

某埋地天然氣管網如圖1所示，由中壓A級PE管以及中壓B級PE管組成，其鋪設在人口密集的城區(qū)地下且分布密集，使埋地天然氣管網土壤腐蝕的風險十分復雜。五類影響因素會導致埋地天然氣管網發(fā)生爆炸、泄漏等一系列問題[6]，直接影響著埋地天然氣管網的安全使用和人民的生命財產安全[7]。

圖1 某埋地天然氣管網Fig.1 A buried natural gas pipeline network

（1）電阻率是反映土壤腐蝕性等級最重要的參數(shù)，體現(xiàn)土壤的導電性能。

（2）氧化還原電位體現(xiàn)了土壤氧化還原程度的強度。當氧化還原電位高時，表明土壤體系通氣性較好，氧化性強；當氧化還原電位低時，表明氧化劑占的比例小，土壤體系通氣性較差，氧化性差，使管壁因失去電子而造成腐蝕。

（3）含水量代表了土壤的物理性質，水分的存在使土壤成為電解質，造成電化學腐蝕。在臨界濕度之前，土壤的腐蝕性隨著濕度的增加而增加；當濕度大于臨界濕度值時，含水量的增加會引起其他因素改變，土壤的腐蝕性隨著濕度的增加而降低。當土壤中含有適當?shù)暮亢脱鯐r，氧的去極化作用增強，土壤的腐蝕性相應增強[8]。

（4）土壤中的鹽分參與土壤腐蝕介質的導電過程和電化學反應，土壤中的含鹽量和腐蝕性呈負相關關系，土壤的腐蝕性隨著土壤中含鹽量的增大而降低。Cl-是土壤破壞金屬鈍性的一種陰離子，腐蝕性極強；且Cl-的存在會促進SO42-和HCO3

-對管壁的點蝕作用，含量越高，土壤的電阻率就越小，土壤對管道的腐蝕性也就越強。

（5）土壤pH值是土壤的酸堿性強弱指標，酸性土壤對管道的腐蝕最強，中性、堿性土壤的腐蝕性依次減弱。pH值會對金屬的電極電位產生影響，pH值越低，H+在酸性土壤中的去極化能力越強，管道表面對金屬管壁起保護作用的鈍化膜不易產生，因而土壤腐蝕性就越強。因此，可以通過測定pH值來判定土壤的腐蝕性[9]。

2 土壤腐蝕綜合風險預測

權重線性組合法（WLC）是一種基于多準則條件下的決策評價方法，它賦予每一個影響因素不同的權重系數(shù)，乘以各影響因素分別對應的風險指標，對得到的結果進行求和就可以生成埋地天然氣管網土壤腐蝕的風險預測圖像。其權重線性組合法的土壤腐蝕綜合風險預測模型用公式（1）表示

式中：R為風險預測結果；wi為土壤腐蝕中各影響因素之間的權重系數(shù)；xi為土壤腐蝕中各影響因素的風險指標。

在土壤腐蝕風險預測過程中，通過賦予各影響因素一定的權重系數(shù)來定量表示該影響因素的重要性程度，權重系數(shù)的確定方法通常為主觀想法以及專家評定，具有主觀性；但在某些情況下決策者根據(jù)實際情況，借助數(shù)學方法進行主觀判斷，也具有客觀性[10-11]。權重系數(shù)的確定在某種程度上會決定決策者的判斷是否合理正確。因此，具有嚴格的邏輯性數(shù)學方法是確定權重系數(shù)的最佳方法，使權重系數(shù)更具有客觀性，符合客觀事實[12-13]。

確定權重系數(shù)的數(shù)學方法較多，有學者利用專家評估法、層次分析法、序列綜合法和德爾菲法分別對幾個城市的發(fā)展水平進行了綜合評價，發(fā)現(xiàn)層次分析法不僅計算量小，花費的時間短，而且計算出的權重系數(shù)更準確；因此，通常使用層次分析法計算權重系數(shù)。

3 各影響因素的風險指標計算

根據(jù)埋地天然氣管網土壤腐蝕的五種主要影響因素建立了五個風險隸屬度函數(shù)，通過風險隸屬度函數(shù)計算各影響因素的風險指標。

3.1 電阻率

當土壤電阻率低于5 Ω·m時，該區(qū)域處于高腐蝕區(qū)；當電阻率處于5～20 Ω·m時，該區(qū)域處于稍高風險區(qū)；當電阻率處于20～500 Ω·m時，該區(qū)域處于中風險區(qū)；當電阻率處于50～150 Ω·m時，該區(qū)域處于低風險區(qū)，電阻率越小，該區(qū)域越危險。研究區(qū)塊中大部分區(qū)域位于中風險區(qū)，因此，選擇呈下降趨勢的隸屬函數(shù)，取點a=0、b=20、 c=50、d=150（Ω·m）。其數(shù)學表達式如式（2）所示，其函數(shù)圖像如圖2所示。

圖2 土壤電阻率風險隸屬度函數(shù)Fig.2 Risk membership function of soil resistivity

3.2 氧化還原電位

當土壤氧化還原電位低于100 mV時，該區(qū)域處于高腐蝕區(qū)；當氧化還原電位處于100～200 mV時，該區(qū)域處于稍高風險區(qū)；當氧化還原電位處于200～400 mV時，該區(qū)域處于中風險區(qū)；當氧化還原電位處于400～500 mV時，該區(qū)域處于低風險區(qū)，氧化還原電位越小，該區(qū)域越危險。研究區(qū)塊中大部分區(qū)域位于高風險區(qū)和稍高風險區(qū)，因此，其隸屬函數(shù)曲線呈下降趨勢，取點a=0、b=100、c=200、d=500（mV）。其數(shù)學表達式如式（3）所示，其函數(shù)圖像如圖3所示。hi=0.000 2x2-0.603 2x+255 （3）

圖3 土壤氧化還原電位風險隸屬度函數(shù)Fig.3 Risk membership function of soil redox potential

3.3 含水量

當土壤含水量低于7%時，該區(qū)域處于低腐蝕區(qū)；當含水量處于7%～10%時，該區(qū)域處于中風險區(qū)；當含水量處于10%～12%時，該區(qū)域處于較高風險區(qū)；當含水量處于12%～25%時，該區(qū)域處于高風險區(qū)，含水量越高，該區(qū)域越危險。研究區(qū)塊中大部分區(qū)域位于高風險區(qū)和稍高風險區(qū)，因此，其隸屬函數(shù)曲線呈上升趨勢，取點a=0、b=10、c=12、 d=25。其數(shù)學表達式如式（4）所示，其函數(shù)圖像如圖4所示。

圖4 土壤含水量風險隸屬度函數(shù)Fig.4 Risk membership function of soil water content

3.4 含鹽量

當土壤含鹽量低于0.01%時，該區(qū)域處于低腐蝕區(qū)；當含鹽量處于0.01%～0.05%時，該區(qū)域處于中風險區(qū)；當含鹽量處于0.05%～0.1%時，該區(qū)域處于稍高風險區(qū)；當含鹽量處于0.1%～0.75%時，該區(qū)域處于高風險區(qū)，含鹽量越高，該區(qū)域越危險。研究區(qū)塊中大部分區(qū)域位于中風險區(qū)和稍高風險區(qū)，因此，其隸屬函數(shù)曲線呈上升趨勢，取點a=0、 b=0.05、 c=0.10、 d=0.75。其數(shù)學表達式如式（5）所示，其函數(shù)圖像如圖5所示。

圖5 土壤含鹽量風險隸屬度函數(shù)Fig.5 Risk membership function of soil salt content

3.5 土壤pH值

經調查研究，土壤pH值在4.1～10.4之間。當土壤pH值小于4.5時，該區(qū)域處于極強腐蝕區(qū)；當土壤pH值處于4.5～5.5時，該區(qū)域處于強腐蝕區(qū)；當土壤pH值處于5.5～7時，該區(qū)域處于中等腐蝕區(qū)；當土壤pH值處于7～8.5時，該區(qū)域處于弱腐蝕區(qū)；當土壤pH值大于8.5時，該區(qū)域處于極弱腐蝕區(qū)。研究區(qū)塊中大部分區(qū)域位于中等腐蝕區(qū)，因此，其隸屬函數(shù)曲線呈下降趨勢，取點a=4、b=4.5、 c=7、 d=10.5。其數(shù)學表達式如式（6）所示，其函數(shù)圖像如圖6所示。

圖6 土壤pH值風險隸屬度函數(shù)Fig.6 Risk membership function of soil pH value

4 風險預測結果

根據(jù)風險隸屬度函數(shù)，采用層次分析法的1～9標度法，綜合考慮各風險評價因子對土壤腐蝕的影響程度，構建五種土壤腐蝕因子的判斷矩陣，并對各土壤腐蝕因子的相對重要性進行比較判定[14]，如表1所示。

表1 五種土壤腐蝕因子的相對重要性比較Tab.1 Comparison of the relative importance of five soil corrosion factors

將判斷矩陣的下三角值輸入到WEIGHT模塊，計算土壤腐蝕風險評價因子的權重及其一致性比率。電阻率、氧化還原電位、含水量、含鹽量、土壤pH值的準則權重依次為0.261 5、0.063 4、0.033 3、0.129 0、0.512 8，一致性比率為0.05，小于0.1，因此認為該判斷矩陣是可靠的。

確定了各風險評價因子的準則權重后，埋地天然氣管網土壤腐蝕的綜合風險預測模型如公式（7）所示

式中：R為風險預測結果；di為土壤電阻率的風險指標；hi為土壤氧化還原電位的風險指標；si為土壤含水量的風險指標；yi為土壤含鹽量的風險指標； pi為土壤pH值的風險指標。

依據(jù)公式（7）計算得到埋地天然氣管網土壤腐蝕的風險預測圖像，如圖7所示。

圖7 某埋地天然氣管網土壤腐蝕的風險預測結果Fig.7 Risk prediction results of soil corrosion in a buried natural gas pipeline network

由圖7可知，土壤腐蝕的風險性是從中部地區(qū)向四周擴散，最危險區(qū)域位于東南方向，風險值超過120，而其周圍的風險值都處于偏高狀態(tài)；因此，應該采取有效措施來降低這些區(qū)域的安全風險。此外，北部和西部地區(qū)的風險值維持在50左右，相對比較安全。

在今后的管道鋪設過程中，應盡量避開風險程度較高的區(qū)域，并采取防腐措施，比如陰極保護、管道內外壁刷防腐涂料等，進一步促使埋地天然氣管網平穩(wěn)安全發(fā)展。

5 結束語

詳細分析了某埋地天然氣管網土壤腐蝕的五種風險評價因子：電阻率、氧化還原電位、含水量、含鹽量、土壤pH值。根據(jù)各個影響因素的風險隸屬度函數(shù)，計算出風險指標，借助層次分析法構建了判斷矩陣，計算出五種風險評價因子的準則權重，最后得到某埋地天然氣管網土壤腐蝕的風險預測結果。根據(jù)某埋地天然氣管網土壤腐蝕的風險預測結果，確定高風險區(qū)位于東南區(qū)域，應采取必要措施來保障埋地天然氣管網的安全運行。