城市燃氣管道安全評估中的腐蝕評價

0 引 言 由于燃氣的易燃易爆特性，管道燃氣泄漏往往會導致重大人身傷亡和財產損失，近年來國內外發(fā)生過多起惡性事故，教訓深刻。為此，要開展城市燃氣管道的可靠性分析和風險評估研究，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埋地鋼質燃氣管道進行了系統的安全評估，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準，使其更符合生產實際的需求。下面根據我國城市燃氣管道的特點，探討燃氣管道的腐蝕評價問題。 1 城市燃氣管道的特點 對于管道的安全評估手段，目前國內外比較權威的資料是美國uhlbauer所著的《管道風險管理手冊》一書，該書介紹了美國埋地長輸管道安全評估的經典方法，利用大量完整可靠的管道建設運行數據庫，歸納出各影響因素的分值。對于城市燃氣管道的安全評估，由于該方法不與具體的管道運行工況相聯系，使用結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氣管道有以下明顯差別： (1)長輸管道通常為單管，閥門和變徑管很少。 城市燃氣管道多為環(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，有完備的勘察設計、施工監(jiān)理、竣工驗收程序，質量相對均衡且缺陷較少。城市燃氣管道則隨著城市建設的進展逐步形成，且不斷拓展。由于投資來源復雜，設計、施工和驗收標準往往參差不齊，質量缺陷相對較多。 (3)長輸管道通常鋪設在野外，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。城市燃氣管道周邊環(huán)境復雜，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重。 (4)長輸管道和國外燃氣管道有完備的管理體系，其日常管理側重于陰極保護，發(fā)現電位異常時即開始整改。閆內城市燃氣管道管理相對薄弱，日常管理側重于巡線檢漏，即使發(fā)現問題，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 管道腐蝕評價的關鍵點 分析城市燃氣管道的建設和運行管理與長輸管道間的差異可知，《管道風險管理手冊》中的腐蝕模型不適用于城市燃氣管道。要完整、科學而精確地對城市燃氣管道進行腐蝕評價，就必須建立新的評估模型。根據國內外安全評估的經驗，針對城市燃氣管道的特性，采用樣本調查表確定初值、實測數據迭代修正、制定檢測評價標準的方法，建立了適合于國內城市燃氣管道的腐蝕評價體系。 (1)管道腐蝕與環(huán)境結合評估腐蝕預期 地下燃氣管道處在土壤環(huán)境中，其腐蝕預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。由于城市燃氣管道與環(huán)境的交互作用相當復雜，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。對于防腐結構良好的長輸管道，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，現有一些評估系統都側重于管道本身，對環(huán)境的影響重視不夠。對于城市燃氣管道，防腐層缺陷很多，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維持正常運行。因此，城市燃氣管道的腐蝕預期評估，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 腐蝕預期取決于防腐層現狀、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期。許多因素對腐蝕預期的影響是非線性的，各因素之間有著不同的相關程度。這些因素多達40余個，完全測取需要很長時間和巨大投資，且各數據間存在大量的信息重復，使模型變量維數加大，因而有必要根據城市燃氣管道的具體情況，進行降維預處理。 我們首先通過聚類分析，依據12個樣本管段檢測數據和開挖情況，對影響腐蝕預期的因素進行相關分析和聚類分析。結果表明，影響腐蝕預期的44個因素在相關系數大于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，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生的漏項。最后通過社會科學統計軟件包(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％ 。 從而既保證了數據的科學完整，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。 借鑒國內外相關標準的原理，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中的建設監(jiān)理力度意在體現管道建設原始質量的參差不齊，取決于建設單位的實際資質、對其所建工程的普遍評價、建設時期監(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，并實現了與國內判據的有機銜接。 我們還通過逾2130 km的實際檢測數據，用神經網絡模型確定了各影響因素對腐蝕預期的貢獻，得到較為符合實際情況的結果。在此基礎上，形成完整的測試體系和分級標準，制定了企業(yè)標準《地下鋼質燃氣管道防腐檢測與驗收技術規(guī)程》，并實際應用于新建燃氣管道的竣工驗收和在役管道的周期檢測。同時，在生產調度管理系統平臺上建立起適合城市燃氣管道的資料數據庫和外掛評估模塊，為今后動態(tài)評估奠定了堅實的基礎。 (3)防腐層電阻率測定與數據制定埋地鋼管的腐蝕絕大多數為電化學腐蝕，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，也是陰極保護的基本依據，但是該指標的測定迄今尚無公認的現場無損檢測手段。 國內長輸管道推薦采用選頻變頻法，開發(fā)了專用的儀器，有相應的行業(yè)標準和判據，并有大量實際應用案例，國內部分燃氣企業(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，但其結論是否適用于城市燃氣管道有待驗證。我們在評估工作中，以6條市政道路和6個庭院小區(qū)的燃氣管道作比較樣本，分別用兩種方法依次測試，隨后進行開挖驗證，發(fā)現它們用于城市燃氣管道都有較大局限。 選頻變頻法測試數據重現性好，但管段上的三通將使結果產生較大偏差。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。我們又試圖根據不同情況歸納測試數據的修正方法，結果沒有找到規(guī)律。雷迪PCM法在用于城市燃氣管道時，對外界雜散電流干擾非常敏感，其讀數重現性較差。 根據國外資料，我們引進美國的C掃描技術，可用于有三通的管道，且抗干擾能力較強，但該技術所測數據如何分級，是必須由我們自己解決的難題。以往國內防腐層分級判據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掃描的分級判據是用電流衰減法取得的防腐層電導率。為針對城市燃氣管道防腐層用C掃描制定適合的分級標準，我們進行了大量細致的摸索。首先選擇滿足選頻變頻操作條件的管段，進行兩種方法的數據比較，又通過管道運行記錄和30 km樣本管段開挖檢測結果進行調整，找出其中的對應關系，最終確定了與國內標準銜接并適合城市燃氣管道防腐層的分級標準(見表2)。

3 經驗與分析 (1)建模前應研究對象的內在因素 借鑒現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在因素要基本一致，此時僅進行參數修正即可，否則應尋找更為接近的模型或建立新的模型，而不應勉強套用。研究伊始，我們也曾設想選用《管道風險管理手冊》介紹的各個模型，但通過對研究對象的內在因素分析可知，有的模型是可以借鑒的，如第三方損壞、設計因素、操作失誤的評估，在這些方面城市燃氣管道與美國埋地長輸管道的內在影響因素沒有根本差別，僅靠調整參數值就可以滿足需要。有的模型就不能套用在城市燃氣管道上，如腐蝕評估模型，原因在于以下5點。 ① 《管道風險管理手冊》中腐蝕評估模型的內腐蝕和大氣腐蝕評價占40％ ，所列內防腐措施包括內防腐層、緩蝕劑、清管3項，這些措施只可能用于長輸管道，國內外所有城市燃氣管道都不會采用這些措施，也無需考慮大氣腐蝕。 ② 《管道風險管理手冊》中對于外防腐：其陰極保護檢測周期和結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。國內燃氣管道陰極保護剛剮起步且?guī)缀跞菭奚枠O法，此類數據幾近空白，根本無法采集。 ③ 《管道風險管理手冊》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果相同，但城市燃氣管道內徑變化頻繁，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檢測。 ④ 《管道風險管理手冊》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，國內城市燃氣管道不但缺陷較多，且分布很不均勻，是決定管道安全性能的重要指標。 ⑤ 由于存防腐層無缺陷時土壤腐蝕性影響很小，《管道風險管理手冊》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氣管道，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項指標分值已超過《管道風險管理手冊》中模型總分的50％ 以上。另外，城市燃氣管道建設原始質量參差不齊更是國內特有的。通過上述分析比對，勉強使用現有模型必將產生重大偏差，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、檢測、監(jiān)理、T程、計算機等部門與有關高校聯合攻關，花費了近3年的時間，投入數百萬資金，終于取得了符合燃氣管道實際情況的技術成果。 (2)引進技術要注意配套引進并消化其軟件先進的檢測技術可以提高檢測數據的可靠性，進而保證模型的科學性，但引進國外先進技術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備，評判分級按照國內的行業(yè)標準進行操作，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會(NACE)的專家進行現場實測，認真分析其操作要領。其次，對美國的防腐層評估標準進行細致分析，將其制定的原則與國內標準進行比對，尋找其中的內在關系。第三，根據試驗段檢測和開挖結果，建立數學評估模型，研制出符合國內標準判據系列的軟件。 為不影響腐蝕預期評估模型建立進度，我們先采用美國標準，用防腐層電導率進行分級。隨著大量開挖實踐，找出防腐層電導率與國內標準的防腐層電阻率間的換算關系后，適時將模型參數轉換為防腐層電阻率，最終使C掃描檢測結果與國內標準判據實現了有機銜接。