城市燃?xì)夤艿腊踩u估中的腐蝕評價

0 引 言 由于燃?xì)獾囊兹家妆匦裕艿廊細(xì)庑孤┩鶗?dǎo)致重大人身傷亡和財產(chǎn)損失，近年來國內(nèi)外發(fā)生過多起惡性事故，教訓(xùn)深刻。為此，要開展城市燃?xì)夤艿赖目煽啃?a href=http://m.cltuan.cn/sggl/aqfx/ target=_blank class=infotextkey>分析和風(fēng)險評估研究，建立綜合安全管理體制，保證在役管道運行的安全可靠。我們對深圳在役的200 km埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿肋M行了系統(tǒng)的安全評估，通過實踐檢驗和修正，進一步完善了埋地管道安全評估手段和評價標(biāo)準(zhǔn)，使其更符合生產(chǎn)實際的需求。下面根據(jù)我國城市燃?xì)夤艿赖奶攸c，探討燃?xì)夤艿赖母g評價問題。 1 城市燃?xì)夤艿赖奶攸c 對于管道的安全評估手段，目前國內(nèi)外比較權(quán)威的資料是美國uhlbauer所著的《管道風(fēng)險管理手冊》一書，該書介紹了美國埋地長輸管道安全評估的經(jīng)典方法，利用大量完整可靠的管道建設(shè)運行數(shù)據(jù)庫，歸納出各影響因素的分值。對于城市燃?xì)夤艿赖陌踩u估，由于該方法不與具體的管道運行工況相聯(lián)系，使用結(jié)果往往與實際情況有較大偏差。究其原因，在于長輸管道與城市燃?xì)夤艿烙幸韵旅黠@差別： (1)長輸管道通常為單管，閥門和變徑管很少。 城市燃?xì)夤艿蓝酁榄h(huán)狀、枝狀，閥門、三通及凝液缸等管件密布，管道變徑較普遍。 (2)長輸管道通常為一次同期建成，有完備的勘察設(shè)計、施工監(jiān)理、竣工驗收程序，質(zhì)量相對均衡且缺陷較少。城市燃?xì)夤艿绖t隨著城市建設(shè)的進展逐步形成，且不斷拓展。由于投資來源復(fù)雜，設(shè)計、施工和驗收標(biāo)準(zhǔn)往往參差不齊，質(zhì)量缺陷相對較多。 (3)長輸管道通常鋪設(shè)在野外，周邊環(huán)境的改變通常為平滑過渡，容易把握，且雜散電流影響較小。城市燃?xì)夤艿乐苓叚h(huán)境復(fù)雜，環(huán)境的改變有時為突變，另外，城市雜散電流干擾很普遍且嚴(yán)重。 (4)長輸管道和國外燃?xì)夤艿烙型陚涞?a href=http://m.cltuan.cn/mkgl/ target=_blank class=infotextkey>管理體系，其日常管理側(cè)重于陰極保護，發(fā)現(xiàn)電位異常時即開始整改。閆內(nèi)城市燃?xì)夤艿拦芾硐鄬Ρ∪酰粘９芾韨?cè)重于巡線檢漏，即使發(fā)現(xiàn)問題，由于涉及市政管理諸多方面，處理手續(xù)較為繁雜，隱患往往無法及時消除。 2 管道腐蝕評價的關(guān)鍵點 分析城市燃?xì)夤艿赖慕ㄔO(shè)和運行管理與長輸管道間的差異可知，《管道風(fēng)險管理手冊》中的腐蝕模型不適用于城市燃?xì)夤艿馈Ｒ暾?、科學(xué)而精確地對城市燃?xì)夤艿肋M行腐蝕評價，就必須建立新的評估模型。根據(jù)國內(nèi)外安全評估的經(jīng)驗，針對城市燃?xì)夤艿赖奶匦?，采用樣本調(diào)查表確定初值、實測數(shù)據(jù)迭代修正、制定檢測評價標(biāo)準(zhǔn)的方法，建立了適合于國內(nèi)城市燃?xì)夤艿赖母g評價體系。 (1)管道腐蝕與環(huán)境結(jié)合評估腐蝕預(yù)期 地下燃?xì)夤艿捞幵谕寥拉h(huán)境中，其腐蝕預(yù)期既取決于管道本身，也取決于環(huán)境，具體地說，環(huán)境的腐蝕性。由于城市燃?xì)夤艿琅c環(huán)境的交互作用相當(dāng)復(fù)雜，土壤理化性能會影響防腐層的老化破損進程，土壤腐蝕性和雜散電流情況又直接決定破損處的腐蝕速度。對于防腐結(jié)構(gòu)良好的長輸管道，腐蝕電流通道幾乎被防腐層完全隔斷，少量破損受到陰極保護電流的作用，也不會受到腐蝕，因而環(huán)境腐蝕性的影響很小。需注意的是，現(xiàn)有一些評估系統(tǒng)都側(cè)重于管道本身，對環(huán)境的影響重視不夠。對于城市燃?xì)夤艿溃栏瘜尤毕莺芏?，陰極保護又不正常，環(huán)境腐蝕性的影響就非常顯著。如果環(huán)境腐蝕性較強，管道很快就會發(fā)生穿孔泄漏，而環(huán)境腐蝕性較弱，則可以在很長時問內(nèi)維持正常運行。因此，城市燃?xì)夤艿赖母g預(yù)期評估，必須將管道腐蝕與環(huán)境腐蝕性綜合考慮。 (2)主要腐蝕因素分級的確定 腐蝕預(yù)期取決于防腐層現(xiàn)狀、陰極保護有效性、土壤理化性能、雜散電流分布等諸多方面，凡是影響上述方面的因素都有可能直接或間接地影響管道的腐蝕預(yù)期。許多因素對腐蝕預(yù)期的影響是非線性的，各因素之間有著不同的相關(guān)程度。這些因素多達40余個，完全測取需要很長時間和巨大投資，且各數(shù)據(jù)間存在大量的信息重復(fù)，使模型變量維數(shù)加大，因而有必要根據(jù)城市燃?xì)夤艿赖木唧w情況，進行降維預(yù)處理。 我們首先通過聚類分析，依據(jù)12個樣本管段檢測數(shù)據(jù)和開挖情況，對影響腐蝕預(yù)期的因素進行相關(guān)分析和聚類分析。結(jié)果表明，影響腐蝕預(yù)期的44個因素在相關(guān)系數(shù)大于0．5的條件下，明顯地聚為8類。為了從同類因素中選取有代表性的特征因素，對同類因素進行主成分分析，以貢獻率作為選擇特征因素的依據(jù)，同時也對44個因素直接進行主成分分析，以避免聚類分析可能產(chǎn)生的漏項。最后通過社會科學(xué)統(tǒng)計軟件包(SSPS)軟件分析可知，整合出的8個主要因素的特征貢獻率已達到92．1％ 。 從而既保證了數(shù)據(jù)的科學(xué)完整，又避免了不必要的工作量。8個主要因素包括防腐層種類、鋼管壁厚、建設(shè)監(jiān)理力度、運行時間、土壤腐蝕性、管地電位、防腐層電阻率和缺陷線密度。 借鑒國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的原理，在21302年年初制訂出了適合于安全評估需要的8個主要因素的分級體系(見表1)。

表1中的建設(shè)監(jiān)理力度意在體現(xiàn)管道建設(shè)原始質(zhì)量的參差不齊，取決于建設(shè)單位的實際資質(zhì)、對其所建工程的普遍評價、建設(shè)時期監(jiān)理制度的總體情況、管道竣工資料的完善程度、管道首次腐蝕泄漏時運行時間等。對防腐層電阻率分級則消化吸取國外檢測技術(shù)，并實現(xiàn)了與國內(nèi)判據(jù)的有機銜接。 我們還通過逾2130 km的實際檢測數(shù)據(jù)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型確定了各影響因素對腐蝕預(yù)期的貢獻，得到較為符合實際情況的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，形成完整的測試體系和分級標(biāo)準(zhǔn)，制定了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地下鋼質(zhì)燃?xì)夤艿婪栏瘷z測與驗收技術(shù)規(guī)程》，并實際應(yīng)用于新建燃?xì)夤艿赖目⒐を炇蘸驮谝酃艿赖闹芷跈z測。同時，在生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)平臺上建立起適合城市燃?xì)夤艿赖馁Y料數(shù)據(jù)庫和外掛評估模塊，為今后動態(tài)評估奠定了堅實的基礎(chǔ)。 (3)防腐層電阻率測定與數(shù)據(jù)制定埋地鋼管的腐蝕絕大多數(shù)為電化學(xué)腐蝕，防腐層是切斷電流通道的主要手段，因而防腐層電阻率是反映防腐層性能的最重要指標(biāo)，也是陰極保護的基本依據(jù)，但是該指標(biāo)的測定迄今尚無公認(rèn)的現(xiàn)場無損檢測手段。 國內(nèi)長輸管道推薦采用選頻變頻法，開發(fā)了專用的儀器，有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和判據(jù)，并有大量實際應(yīng)用案例，國內(nèi)部分燃?xì)馄髽I(yè)的評估都采用此法。另一種方法為在英國雷迪探管儀的基礎(chǔ)上，開發(fā)的管道電流圖(PCM)法。有人曾在長輸管道上進行過兩種方法的測試對比，但其結(jié)論是否適用于城市燃?xì)夤艿烙写炞C。我們在評估工作中，以6條市政道路和6個庭院小區(qū)的燃?xì)夤艿雷鞅容^樣本，分別用兩種方法依次測試，隨后進行開挖驗證，發(fā)現(xiàn)它們用于城市燃?xì)夤艿蓝加休^大局限。 選頻變頻法測試數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好，但管段上的三通將使結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。對有三通的管段，我們先嘗試改進接地極位置以消除三通的影響，但沒有明顯效果。我們又試圖根據(jù)不同情況歸納測試數(shù)據(jù)的修正方法，結(jié)果沒有找到規(guī)律。雷迪PCM法在用于城市燃?xì)夤艿罆r，對外界雜散電流干擾非常敏感，其讀數(shù)重現(xiàn)性較差。 根據(jù)國外資料，我們引進美國的C掃描技術(shù)，可用于有三通的管道，且抗干擾能力較強，但該技術(shù)所測數(shù)據(jù)如何分級，是必須由我們自己解決的難題。以往國內(nèi)防腐層分級判據(jù)是在長輸管道防腐層上用選頻變頻法取得的防腐層電阻率，而美國C掃描的分級判據(jù)是用電流衰減法取得的防腐層電導(dǎo)率。為針對城市燃?xì)夤艿婪栏瘜佑肅掃描制定適合的分級標(biāo)準(zhǔn)，我們進行了大量細(xì)致的摸索。首先選擇滿足選頻變頻操作條件的管段，進行兩種方法的數(shù)據(jù)比較，又通過管道運行記錄和30 km樣本管段開挖檢測結(jié)果進行調(diào)整，找出其中的對應(yīng)關(guān)系，最終確定了與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)銜接并適合城市燃?xì)夤艿婪栏瘜拥姆旨墭?biāo)準(zhǔn)(見表2)。

3 經(jīng)驗與分析 (1)建模前應(yīng)研究對象的內(nèi)在因素 借鑒現(xiàn)有模型可以達到事半功倍的效果，但要注意借鑒的前提是影響研究對象的內(nèi)在因素要基本一致，此時僅進行參數(shù)修正即可，否則應(yīng)尋找更為接近的模型或建立新的模型，而不應(yīng)勉強套用。研究伊始，我們也曾設(shè)想選用《管道風(fēng)險管理手冊》介紹的各個模型，但通過對研究對象的內(nèi)在因素分析可知，有的模型是可以借鑒的，如第三方損壞、設(shè)計因素、操作失誤的評估，在這些方面城市燃?xì)夤艿琅c美國埋地長輸管道的內(nèi)在影響因素沒有根本差別，僅靠調(diào)整參數(shù)值就可以滿足需要。有的模型就不能套用在城市燃?xì)夤艿郎?，如腐蝕評估模型，原因在于以下5點。 ① 《管道風(fēng)險管理手冊》中腐蝕評估模型的內(nèi)腐蝕和大氣腐蝕評價占40％ ，所列內(nèi)防腐措施包括內(nèi)防腐層、緩蝕劑、清管3項，這些措施只可能用于長輸管道，國內(nèi)外所有城市燃?xì)夤艿蓝疾粫捎眠@些措施，也無需考慮大氣腐蝕。 ② 《管道風(fēng)險管理手冊》中對于外防腐：其陰極保護檢測周期和結(jié)果占有率遠超過防腐層的地位，且檢測項目針對外加電流陰極保護。國內(nèi)燃?xì)夤艿狸帢O保護剛剮起步且?guī)缀跞菭奚枠O法，此類數(shù)據(jù)幾近空白，根本無法采集。 ③ 《管道風(fēng)險管理手冊》中對于管體缺陷，模型推薦采用爬行器檢測，賦值與陰極保護檢測結(jié)果相同，但城市燃?xì)夤艿纼?nèi)徑變化頻繁，閥門、凝液缸、三通、彎頭等管件密布，根本無法使用爬行器進行內(nèi)檢測。 ④ 《管道風(fēng)險管理手冊》中對于防腐層缺陷，模型所賦分值很小，僅占5％ ，這是由于長輸管道的缺陷通常較少且會及時修復(fù)，國內(nèi)城市燃?xì)夤艿啦坏毕葺^多，且分布很不均勻，是決定管道安全性能的重要指標(biāo)。 ⑤ 由于存防腐層無缺陷時土壤腐蝕性影響很小，《管道風(fēng)險管理手冊》中模型所賦分值僅占4％ ，且僅依土壤電阻率賦值，而對缺陷較多的城市燃?xì)夤艿?，土壤腐蝕性對腐蝕模型有重大的影響，且需用綜合等級確定。 上述5項指標(biāo)分值已超過《管道風(fēng)險管理手冊》中模型總分的50％ 以上。另外，城市燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)原始質(zhì)量參差不齊更是國內(nèi)特有的。通過上述分析比對，勉強使用現(xiàn)有模型必將產(chǎn)生重大偏差，有必要重新建立評估模型。為建立腐蝕評估模型，我們組織管網(wǎng)、檢測、監(jiān)理、T程、計算機等部門與有關(guān)高校聯(lián)合攻關(guān)，花費了近3年的時間，投入數(shù)百萬資金，終于取得了符合燃?xì)夤艿缹嶋H情況的技術(shù)成果。 (2)引進技術(shù)要注意配套引進并消化其軟件先進的檢測技術(shù)可以提高檢測數(shù)據(jù)的可靠性，進而保證模型的科學(xué)性，但引進國外先進技術(shù)必須注意配套引進并消化其軟件。 引進C掃描之初，我們曾試圖借用國外的設(shè)備，評判分級按照國內(nèi)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行操作，但實際效果很不理想。此時我們沒有盲目堅持或輕言放棄，而是及時分析誤差原因并尋找對策。 首先，我們拿出30 km不同類型的管段，聘請美國腐蝕工程師協(xié)會(NACE)的專家進行現(xiàn)場實測，認(rèn)真分析其操作要領(lǐng)。其次，對美國的防腐層評估標(biāo)準(zhǔn)進行細(xì)致分析，將其制定的原則與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進行比對，尋找其中的內(nèi)在關(guān)系。第三，根據(jù)試驗段檢測和開挖結(jié)果，建立數(shù)學(xué)評估模型，研制出符合國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)系列的軟件。 為不影響腐蝕預(yù)期評估模型建立進度，我們先采用美國標(biāo)準(zhǔn)，用防腐層電導(dǎo)率進行分級。隨著大量開挖實踐，找出防腐層電導(dǎo)率與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的防腐層電阻率間的換算關(guān)系后，適時將模型參數(shù)轉(zhuǎn)換為防腐層電阻率，最終使C掃描檢測結(jié)果與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)實現(xiàn)了有機銜接。