管道交流干擾腐蝕風險識別方法研究

孟祥巖，李磊，李祥琦，梅安，孫大明

（國家管網集團北京管道有限公司河北輸油氣分公司，河北 秦皇島 066000）

近年來，我國交流輸電線路、交流電氣化鐵路與輸油輸氣管道的建設都在迅速發展，而交流輸電線路和交流電氣化鐵路與油氣管道接近或交叉的情況也經常出現，引起埋地管道的交流干擾問題[1-2]。從工程技術應用的角度考慮，國內外制定了許多標準，GΒ/T 50698—2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》中要求交流干擾電壓不高于4 V 時，可不采取交流干擾防護措施，高于4 V 時，采用交流電流密度進行評估交流干擾程度。D-CEN/TS 15280—2006“Evaluation of AC Corrosion Likehood of Βuried Pipelines”中采用了交直流電流密度比評價交流腐蝕的可能性。GΒ/T 40377—2021《金屬和合金的腐蝕 交流腐蝕的測定 防護準則》和 ISO 18086—2019“Corrosion of Metals and Alloys-Determination of AC Corrosion-Protection Criteria”中提出了在具有陰極保護條件下交流干擾的可接受水平。同時雜散電流腐蝕與土壤腐蝕性密切相關。土壤含水是造成土壤腐蝕的必要條件[3]，土壤中的硫酸根離子、氯離子等對金屬材料的腐蝕影響較大[4-6]。同時，鋼的腐蝕速率與不同pH 下的陰極過程有關[7]。埋地管道受到雜散電流干擾時會使得管道電位產生偏移，當管道的電位負于管線鋼的析氫電位時，會析出氫氣，對微觀結構上的金屬材料造成破壞，在酸性土壤中由雜散電流造成的析氫腐蝕會更為嚴重。丁清苗等[8]、韋博鑫等[9]、Tang 等[10]、Du 等[11]研究發現，交流雜散電流對管線鋼在土壤模擬溶液中的腐蝕起促進作用。有研究表明，對管線施加陰極保護，會使得電化學腐蝕的陽極溶解過程得到有效抑制[12-20]。因此，需要在現場測試交流干擾電流密度、土壤電阻率、陰極保護護電位等參數，對土壤理化性質進行分析。丁海峰等[21]、尹宗明等[22]、馬軍鵬等[23]、江世艷等[24]提出了灰色關聯分析算法，分析了各個因素與目標因素的關聯性。李軍等[25]、肖逸璇等[26]、隋明剛等[27]、Tang 等[28]、Zeng 等[29]、Chen 等[30]提出利用三角模糊層次分析（FAHP），將評價方法由剛性評價轉換成彈性評價。現行交流干擾防護及評價標準在現場工程實踐中具有易于實行的優點，但長期以來埋地管道交流腐蝕的評價均通過現場測試取得的交直流參數進行評價。國內外多條管道已發生在較低交流干擾電壓的情況下產生腐蝕穿孔和壁厚減薄的情況[31]。因為交流腐蝕不僅受到交流干擾電壓/交流干擾密度的影響，還與周圍土壤腐蝕性離子種類及含量、防腐層缺陷面積大小等因素有關，單純采用交流干擾電壓/交流電流密度的指標作為交流干擾腐蝕風險的判斷容易導致誤判。

本文基于現場測試參數、理化性質參數與室內腐蝕試驗結果，利用灰色關聯分析和三角模糊層次分析，將交流干擾腐蝕速率及影響因素相結合，計算出室內條件下交流干擾腐蝕各因素的權重。在此基礎上，構建一種考慮陰極保護狀況并融合土壤腐蝕性的交流干擾腐蝕風險識別方法，提高交流干擾腐蝕風險評估的準確性，并為埋地管道的交流干擾腐蝕防護提供指導建議。

1 風險識別方法建立

1.1 高壓交流腐蝕關鍵因素識別

由于交流干擾腐蝕與陰極保護電位、交流電流密度、土壤電阻率和理化性質等因素有關，因此需要對現場參數進行測試。主要測試參數由現場測試的陰極保護電位、交流電流密度、土壤電阻率、室內土壤理化性質試驗測得的土壤中各離子濃度和含水率等參數組成。各參數測量方法：陰極保護電位測量根據GΒ/T-21246《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》進行測量，土壤電阻率按照SY/T-0023《埋地鋼質管道陰極保護參數測試方法》進行測量，交流干擾電位/電流密度按照GΒ/T 50698—2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》進行測量，土壤理化性質根據NY/T 1121—2006《土壤檢測系列標準》進行檢測。

根據現場測試結果，設計室內試驗方案。將交流干擾腐蝕速率作為目標層；因素層是影響目標層的一級指標，由干擾電位/干擾電流密度、陰極保護電位、pH 值、碳酸氫根、碳酸根、硫酸根及氯離子含量等7 個因素組成，其中陰極保護電位參數是相較于飽和硫酸銅參比電極確定的；數值層是因素層的具體取值，基于此，構建室內單因素變量試驗方案，如圖1所示。

圖1 室內試驗方案 Fig.1 Laboratory experiment scheme

根據圖1 的室內單因素變量試驗方案，進行28組試驗。試片規格參照SY/T 0029—2012《埋地鋼質檢查片應用技術》。選用KCl、NaHCO3、MgSO4·7H2O、Na2CO3等試劑配制模擬溶液，采用氨水和醋酸調節pH，試驗周期為72 h。先通入直流陰極保護15 min后，再通入交流干擾電流72 h。試驗后，取出試片，按照GΒ/T 16545 進行酸洗，去除腐蝕產物，干燥后稱量，計算腐蝕速率。

采用灰色關聯分析法的思路可以量化交流干擾腐蝕速率與其各個影響因素之間的關聯性。基于灰色關聯分析的結果，在FAHP 構造判斷矩陣時，摒棄了傳統的1～9 標度法，采用三角模糊數，降低判斷矩陣的主觀性。根據FAHP 方法的相關公式進行計算，得到各個影響因素對交流腐蝕的貢獻權重。

1.2 腐蝕嚴重管段識別方法

目前國內外許多研究傾向于多項指標綜合評價土壤腐蝕性，其中最具有代表性的是德國的Βaeckman 綜合評分指標和美國的ANSI-A21.5 土壤腐蝕性評價法，可以得到各項指標對土壤腐蝕性的貢獻權重。土壤腐蝕性對交流干擾腐蝕的重要性是不可忽略的，根據交流腐蝕關鍵因素識別結果，可以得出部分土壤腐蝕性指標對交流干擾腐蝕的權重。綜合考慮現場實際情況和交流腐蝕關鍵因素識別結果，選取關鍵因素識別研究的7 種因素（按貢獻權重排序后）中有關土壤腐蝕性的前3 項，作為腐蝕嚴重管段識別土壤腐蝕性評價中的部分評價指標，并結合含水率和含鹽總量作為整體土壤腐蝕性對交流干擾腐蝕的評價指標。依此2 部分權重進行歸一化，最終得到交流干擾下土壤腐蝕性各指標的貢獻權重。

將土壤環境因素指標以及陰極保護電位，作為對交流干擾腐蝕的間接影響因素；將埋地管道上感應出的交流干擾電流視為交流干擾腐蝕的直接影響因素；將防腐層破損情況作為交流干擾腐蝕的先決性因素。將直接因素、間接因素和先決性因素耦合，基于此思想建立腐蝕嚴重管段識別方法。由于室內試驗設備因素限制，本次試驗沒有制作模擬防腐層破損試片，但通過參考SY/T 0087.1—2018《鋼質管道及儲罐腐蝕評價標準》、GΒ/T 19285—2016《埋地鋼質管道腐蝕防護工程檢驗》、管道風險管理手冊（Kent 第二版）等相關規范中，防腐層破損面積對管道造成的腐蝕風險評分內容，基于本文評價方法的構造思想，將防腐層破損因素融合進評價方法中。

2 結果與討論

2.1 交流干擾腐蝕關鍵因素識別結果

現場及室內土壤理化性質分析結果見表1 和2。

根據表1 和2 所得的現場測試數據和土壤理化性質分析數據，構建室內試驗方案。考慮的交流干擾電流密度、陰極保護電位、土壤電阻率、土壤腐蝕性離子等因素的試驗參數取值范圍可以覆蓋測試數據區間，室內試驗結果見表3。

表1 現場測試結果 Tab.1 Field test results

表2 土樣理化性質分析結果 Tab.2 Results of physical and chemical property analysis of soil

表3 不同腐蝕環境因素下X70 管線鋼母材的腐蝕速率數據 Tab.3 Corrosion rate of X70 pipeline steel base material under different corrosion environment

根據室內試驗結果，采用MATLAΒ 編寫灰色關聯分析計算程序，計算得到各因素關聯度結果，見表4。

表4 灰關聯分析方法運算結果 Tab.4 Results of GRA

為實現判斷矩陣三角模糊數中值的定量選取，根據關聯度數值兩兩比較，確定比值范圍及比值范圍對應的三角模糊數中心值m的取值，具體取值原則見表5。

表5 三角模糊數中心值m 的取值參照 Tab.5 Reference value of triangular fuzzy number center value m

根據上述規則，以1～9 標度法為原則構造因素層三角模糊判斷中值矩陣M：

根據三角模糊判斷矩陣A得出判斷中值矩陣M。計算中值矩陣M的最大特征值λmax。將λmax代入公式進行一致性檢驗。經計算此中值矩陣通過一致性檢驗。

根據公式計算調整判斷矩陣Q，并將矩陣Q對角線歸一化后得到Q'。

用方根法計算各項指標權重，得到因素層對于目標層的權重，見表6。

表6 因素層對于目標層的權重排序 Tab.6 Contribution weight of factor layer for target layer

2.2 腐蝕嚴重管段識別方法及其應用

根據腐蝕嚴重管段識別方法的建立思想，建立如下的評價體系：

式中：S為總評價分數；A為各指標權重系數；SCP為陰極保護評價分數；Ssoil,i為土壤腐蝕評價各指標分數；SAC為交流干擾評價分數；Scoat為防腐層評價分數。

參考相關規范，將0.4、1、10 cm2作為防腐層評價分數的劃分界限。結合得出的權重關系，建立交流干擾下埋地管道腐蝕風險識別方法。針對構造出的評分公式，為了消除乘法的放大敏感影響，將評分公式轉化成對數合成，使得評價值的極差縮小。

對上述總評分式進行對數變換，令S′=lgS，得：

根據埋地管道的浴盆曲線可知，當設計壽命為30 a 的管道服役25 a 后，進入事故頻發階段，因此提出運行年限參數，對受交流干擾嚴重管段評分進行修正。考慮管道服役的時間效應，得到如下評分式：

式中：T為運行年限。

對S′代表總評分式構成的高壓交流干擾下的埋地管道風險識別分值見表7—9。

表7 土壤腐蝕性評價 Tab.7 Soil corrosivity assessment

表8 干擾因素評價 Tab.8 Interference factor assessment

表9 交流干擾腐蝕風險評價 Tab.9 Corrosion risk assessment of AC interference

根據交流干擾腐蝕關鍵因素識別結果，以及構建的風險評價方法，對現場工作提出以下建議：針對土壤腐蝕性參數，YQP-1103、YQP-1105 測試樁土壤pH值小于6.5，LtL-0072、LtL-0154 測試樁氯離子或者硫酸根離子的質量分數大于0.01%，LtL-0072 測試樁可溶鹽總質量分數大于0.75%，YQP-928、YQP-1103、YQP-1105 以及LNG 管道沿海地段的測試樁土壤含水率在10%～30%，需要重點關注。

以華北某LNG 管道中LtL-154 測試樁處進行實施例評價。根據埋片時現場實測數據和室內土壤理化性質分析得到：陰極保護電位為-1.2 V，交流干擾電流密度為1.68 A/m2，pH 值為7.37，氯離子質量分數為0.042 5%，硫酸根離子質量分數為0.033 1%，含鹽量為 0.1%，含水率為 21.32%，防腐破損面積為6.5 cm2。該LNG 管道設計使用壽命30 a，在2013 年11 月投產運行后，運行年限處在設計壽命的80%以內。根據表7—9 可得各因素的評價得分，見表10、11。

表10 陰極保護及土壤腐蝕性評價得分 Tab.10 Assessment score of cathodic protection and soil corrosivity

表11 干擾因素評價得分 Tab.11 Assessment score of interference factor

考慮運行年限對評價分數的修正作用，最終綜合評價評分為1.67。根據表9 可得，該LNG 管道中LtL-184 測試樁處交流干擾腐蝕風險低。對上述提到的華北某LNG 管道和某輸氣管道，選取部分測試樁位置運用建立的方法進行風險識別，結果見表12。對華北某輸氣管道和某LNG 管道，根據2 條管道內檢測報告數據可得到，在管道上所選取的所有測試點處，管道均沒有外部缺陷，管道外壁均沒有明顯減薄，可認為所有測試點處交流干擾腐蝕風險均為低，內檢測結果與評價結果一致。

表12 各參數得分以及風險識別結果 Tab.12 Scores of each parameter and results of risk identification

3 結論

本文將灰色關聯分析和三角模糊層次分析相結合，確定了各個交流干擾腐蝕影響因素的貢獻權重，并構建了一種長輸管道在高壓交流干擾下的腐蝕風險識別方法。

1）交流干擾電流密度、陰極保護電位、pH、土壤含水率、含鹽量、氯離子和硫酸根離子含量是高壓交流干擾條件下影響管道腐蝕的關鍵因素。

2）根據構建的評價方法，應重點關注YQP-1103、YQP-1105、LtL-0072、LtL-0154 等測試樁位置，并對其進行持續監測。

3）建立了一種融合土壤腐蝕性的交流干擾腐蝕風險識別方法，并在現場2 條管道進行了應用，交流干擾腐蝕識別風險均為低，識別結果與內檢測結果有很好的一致性。