基于腐蝕速率預測的管道安全運行技術研究

蔣濤 劉寶海 賈明德 張文輝 馬偉平

（1.中國石油管道局工程有限公司燃氣分公司；2.中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司；3.中國石油管道局工程有限公司第四分公司；4.國家管網集團西南管道有限責任公司蘭州輸油氣分公司；5.中國石油管道科技研究中心）

腐蝕、制管缺陷和第三方破壞是導致管道油氣泄漏和失效事故的重要因素，其中腐蝕致因事故約占管道總體事故比例30%以上[1]。陰極保護是延長管道壽命、保證管道安全運行的可靠技術。腐蝕速率是評價管道陰極保護有效性的重要準則，也是判定管道腐蝕變化趨勢的依據[2]。我國長輸管道已全面實施GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規范》，該標準明確規定實施管道內檢測獲取缺陷數據，根據計算腐蝕速率制定管道維修計劃；監測腐蝕缺陷發展趨勢，確定管道剩余壽命和再檢測周期，保障管道安全運行[3]。準確的管道腐蝕速率有助于管道管理者科學監測腐蝕缺陷，合理安排管道維修和內檢測作業，管道腐蝕速率預測已成為確保管道安全運行的有效手段。

1 管道腐蝕速率研究方法

國內外管道行業已開展的腐蝕速率研究方法包括試驗法、NACE 經驗值、數學分析方法和基于內檢測的完整性評價法。試驗法從模擬管道真實環境角度，側重研究腐蝕機理和影響因素；NACE 腐蝕速率推薦值屬于經驗方法，主要用于判斷管道腐蝕嚴重性程度和指導陰極保護系統設計；數學分析法適用于管道數據收集有限、腐蝕機理復雜（微生物腐蝕、內腐蝕）和油田集輸管道的情形。內檢測已成為新建管道和在役管道檢驗檢測的規定做法，也是確定腐蝕速率以及腐蝕變化趨勢的最可靠方法。

1.1 試驗法

試驗法測試管道腐蝕速率直觀、簡潔，在管道敷設區域埋設已知重量試片，靜置一段時間取出埋片清洗、稱重，測試試片質量損失，基于單位面積試片質量變化計算腐蝕速率。試驗法優點是通過試片外觀檢查、分析化驗腐蝕產物，可以確定腐蝕致因和類型（特別是微生物腐蝕）。試驗法缺點是試驗周期長，只能代表土壤環境因素，不能反映管道運行條件對腐蝕缺陷的趨勢影響。

1.2 NACE腐蝕速率推薦值

為管道運行商決策防腐策略，美國標準NACE SP0502—2010《管道外腐蝕直接評價方法》給出了典型環境條件下的腐蝕速率經驗值。新建管道施加陰極保護系統，或者管道信息數據不全，推薦應用缺省腐蝕速率0.4 mm/a。針對大多數管道敷設土壤環境，該數值略保守，但對于管道陰極保護系統設計具有一定指導意義。典型土壤環境的腐蝕速率參考數值范圍：管道敷設在黏土區域，腐蝕速率4～8 mm/a；管道敷設在泥土區域，腐蝕速率2～4 mm/a；管道敷設在砂土區域，腐蝕速率2～3 mm/a；管道敷設在凍土區域，腐蝕速率5 mm/a。

1.3 數學分析方法

管道腐蝕機理涉及管材、環境和力學等方面，諸多影響因素存在隨機性、模糊性和關聯性，試驗法不能涵蓋所有因素的變化規律。數學分析方法適用于試驗或檢測數據有限、分散的復雜體系的分析預測問題，通過對“小樣本”、“貧信息”的生成、開發，提取有價值信息，實現對系統運行、演化規律的正確描述，其中灰色預測方法和BP 人工神經網路方法預測管道腐蝕速率應用較成熟。

1）人工神經網絡。適用于求解涵蓋多個相互影響因素的復雜模型。管道在土壤環境中腐蝕與土壤組成、含水量、電阻率、pH 值、含鹽量等物性參數相關，這些影響因素相互之間也存在關聯。人工神經網絡預測管道腐蝕速率過程是：確定管道運行工況和腐蝕狀態，收集管道腐蝕影響因素的數據；建立人工神經網絡腐蝕速率預測模型，選擇有代表性的測試數據樣本在模型中進行神經元自學習訓練，根據模型三級殘差調整連接權值，試算單獨變量對腐蝕速率的影響，確定影響因素主次次序分級，最后輸出管道腐蝕速率。采用BP 神經網絡技術，以原油硫含量、酸值、溫度、壓力和流速作為影響因素，建立了輸油管道內腐蝕速率預測模型[4]，研究了上述因素對管道內腐蝕的影響程度，硫含量和酸值是影響輸油管道內腐蝕的主要因素。

2）灰色分析。灰色分析預測法是綜合應用時間序列分析法和人工神經網絡預測法，進一步考慮影響因素的趨勢性、周期性和不確定性。計算過程是利用GM(1.1)模型研究影響因素趨勢性規律，利用人工神經網絡模型研究影響因素周期性規律，利用時間序列模型研究影響因素不確定性規律；相對人工神經網絡法在一定程度上提高了準確性。采用灰色線性回歸組合模型對管道腐蝕速率建模[5]，同時考慮了原始數據的線性和非線性因素，解決了GM(1.1)模型不能描述非線性變化趨勢的缺點，并引入BP 人工神經網絡模型對模型殘差進行修正，進一步提高了預測精度。

1.4 基于內檢測的完整性評價法

近年來，國內外管道普遍采用三軸高清漏磁、電磁超聲內檢測技術，內檢測技術可確定管道金屬損失、缺陷特征信息和防腐層狀況[6]。按照管道完整性管理要求，新建管道在施工、運行期間進行多次內檢測，對比多次內檢測數據，既可以計算管道局部腐蝕速率，也可以計算管段平均腐蝕速率，腐蝕速率計算值更具可靠性。由于內檢測器在管道內運行的不穩定性和不確定性，以及內檢測器產品的性能參數指標（POI、POD 和POFC），探測的腐蝕缺陷信息不可避免存在誤差，進而導致管道腐蝕速率計算誤差。有學者提出用數學統計方法去除內檢測技術的不確定性，例如建立腐蝕缺陷數據的概率分布函數，得到較為準確的管道腐蝕速率[7]。

2 腐蝕速率在管道工程應用案例

分析管道運行狀況，計算管道腐蝕速率，是管道完整性管理的重要工作內容。掌握管道目前和以后腐蝕發展趨勢，可以充分發揮管道承載能力，延長管道使用壽命；制定科學、合理的管道維護計劃，降低維修費用；實現提高管道整體可靠性，避免腐蝕穿孔、油氣泄漏和環境污染。

工程案例一：四川油氣田出產含硫天然氣，含較高H2S、CO2和高礦化度鹽水，輸氣管道發生內腐蝕和泄漏爆管概率很高，且管道沿線人口稠密，極易造成巨大經濟損失。收集管道服役期間缺陷檢測數據，綜合應用人工神經網絡、灰色分析、回歸分析預測模型，以及采用Frank-Wolfe算法的組合方法，預測值和實測值符合較好（均方誤差2.246 4×10-3）。通過加強內腐蝕預測工作，保障管道正常運行[8]。

工程案例二：基于可靠性理論，根據管道所處地區等級和風險等級設定目標可靠度和可接受概率，提出一種根據腐蝕速率預測腐蝕管道剩余壽命的新方法。新疆油田采油一廠集輸管道建于1991年，2004 年現場檢測發現腐蝕部位37 處，如管道不采取維修或補強措施，一級地區管道剩余壽命為8.8 年，二、三級地區管道剩余壽命為7.4 年，四級地區管道剩余壽命為6.1 年剩余壽命，為確定管道檢測周期提供了科學依據[9]。

工程案例三：根據輸油管道沿線壓力分布特點，基于修正的ASME B31G 標準失效壓力公式，并與基于電化學理論的腐蝕速率模型相結合，提出了一種輸油管道腐蝕剩余壽命預測模型。以1999年投產的大哈輸油管道為例，設計壓力6.28 MPa，管道運行期間曾發生不同程度泄漏事故，被迫降壓運行至5.2～5.6 MPa。以2006 年檢測出的局部腐蝕缺陷為例，缺陷長度17 mm，缺陷寬度90 mm，計算此處缺陷發展到第6 年導致管道破裂；根據點腐蝕缺陷為例，點蝕深度2.5 mm，點蝕直徑2.5 mm，預測腐蝕穿孔壽命0.98 年，修復后至2007 年未發生穿孔。2008 年3 月相鄰管段發生管道泄漏事故，實際點蝕穿孔失效時間0.9 年，與預測值偏差8.8 %。后續該管道按照年度點蝕檢測數據制定維修方法，2010年后未發生管道泄漏事故[10]。

工程案例四：輪庫管道一線1990 年投產，管道沿線環境惡劣，腐蝕嚴重，近1997 年管道內檢測檢出深度在3.0 mm 的腐蝕缺陷達213 處。收集近千項管道歷年腐蝕檢測數據，建立管道腐蝕速率分布模型，符合正態分布規律；根據美國標準API 579 和極限缺陷尺寸數據確定管道剩余強度，確定不同風險地段管道可接受的失效概率，得出結論：針對低、中風險管段（失效概率分別為2.3×10-2和1.0×10-3），管道檢測維護周期為5～6 年； 針對高風險管段（失效概率為1.0×10-5），管道檢測維護周期為4～5 年據此制定管道內檢測周期和防腐層修復計劃[11]。

3 管道腐蝕速率計算方法選用原則

管道管理者選擇適用的腐蝕速率計算方法，應考慮管道特征、運行條件和方法特征等因素。基于內檢測數據的計算方法精度最高，試驗法側重腐蝕機理研究，數學分析法適用于數據有限情形，NACE 腐蝕速率推薦值僅能粗略判斷腐蝕風險。按照管道全生命周期階段劃分，新建管道和在役運行管道選用腐蝕速率計算方法原則如下：

1）針對新建管道，根據NACE 腐蝕速率推薦值初步判斷管道腐蝕風險等級，作為確定管道陰極保護系統參數和防腐層類型的重要依據。

2）針對在役運行管道，首選基于內檢測數據計算腐蝕速率，結合現場開挖驗證結果修正腐蝕速率；結合試驗法監測管道腐蝕缺陷和速率變化趨勢。管道長期腐蝕速率和短期腐蝕速率按下式計算：

式中：Vlc為長期腐蝕速率，mm/a；Vsc為短期腐蝕速率，mm/a；t0為首次檢測壁厚，mm；tn為第n次檢測壁厚，mm；a0為首次檢測年份；an為第n次檢測年份。

4 結語

由于管道敷設土壤環境復雜性，以及管道制造/施工缺陷、運行條件和第三方破壞活動的隨機性，管道腐蝕速率不是固定不變的，如腐蝕速率發生顯著變化，應分別從管體缺陷、陰極保護系統運行狀況、土壤環境變化、第三方破壞和雜散電流干擾等方面查找原因，制定減緩管道腐蝕措施和管道風險管控措施，例如缺陷修復、降壓運行和加密巡線等。

確定管道腐蝕速率的基本要求是真實、可靠，計算精度直接影響管道剩余壽命和再檢測周期的準確性，因此應盡可能全面的收集管道設計、施工和運行等各個階段的數據。以往我國老齡化管道或者超期服役管道存在數據不全面、不可靠的問題。隨著管道完整性管理技術發展，新建管道投產前應進行基線檢測，或用超聲測厚儀測定管道初始壁厚，管道完整性數據收集也逐漸規范化，是提高腐蝕速率計算和剩余壽命預測的準確性的有利條件。