燃?xì)夤艿腊踩u(píng)估中鋼管腐蝕評(píng)價(jià)技術(shù)的研究

　　一、前言 　　由于燃?xì)獾囊兹家妆匦?，管道中燃?xì)庖坏┬孤鶗?huì)導(dǎo)致重大人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已發(fā)生過多起惡性事故，教訓(xùn)深刻。為此，國(guó)家建設(shè)部與中國(guó)城市燃?xì)鈪f(xié)會(huì)在2001年共同組織編制了《城市燃?xì)庑袠I(yè)“十五”技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃》，明確要求開展城市燃?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(xiǎn)評(píng)估研究，建立綜合管理體制，保證在役管道運(yùn)行的安全可靠。深圳燃?xì)饧瘓F(tuán)積極響應(yīng)，啟動(dòng)了“城市燃?xì)夤艿?a href=http://m.cltuan.cn target=_blank class=infotextkey>安全狀況評(píng)估”課題研究，2002年項(xiàng)目列入國(guó)家建設(shè)部年度科研計(jì)劃并取得突破性進(jìn)展，在2003年初進(jìn)行的階段成果審定會(huì)上，得到有關(guān)專家的充分肯定。此后我們對(duì)深圳在役的200公里埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行了系統(tǒng)的安全評(píng)估，通過實(shí)際檢驗(yàn)和修正，進(jìn)一步完善了埋地管道安全評(píng)估手段和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使其更符合生產(chǎn)實(shí)用的需求，整個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃在2004年底投入試運(yùn)行。 　　 　　二、城市燃?xì)夤艿赖奶攸c(diǎn) 　　Muhlbauer所著《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》介紹了美國(guó)埋地長(zhǎng)輸管道安全評(píng)估的經(jīng)典方法，其利用海量、完整、可靠的管道建設(shè)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)，歸納出各影響因素的分值。目前，國(guó)內(nèi)部分科研機(jī)構(gòu)借鑒其基本思路，請(qǐng)國(guó)內(nèi)專家憑各自的主觀感覺填寫調(diào)查表，經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理確定各影響因素的分值，不與具體工況相聯(lián)系，使用結(jié)果表明其往往與實(shí)際情況有較大偏差。究其原因，在于與長(zhǎng)輸管道相比，城市燃?xì)夤艿烙忻黠@差別： 　　1、長(zhǎng)輸管道通常為單管，閥門和變徑很少。城市燃?xì)夤艿蓝酁榫W(wǎng)、枝狀，閥門、三通及凝液缸等管件密布，管道變徑較普遍。 　　2、長(zhǎng)輸管道通常為一次同期建成，有完備的勘察設(shè)計(jì)、施工監(jiān)理、竣工驗(yàn)收程序，質(zhì)量相對(duì)均衡且缺陷較少。城市燃?xì)夤艿绖t隨著城市建設(shè)的進(jìn)展逐步形成，且不斷拓展。由于投資來(lái)源復(fù)雜，設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)往往參差不齊，質(zhì)量缺陷相對(duì)較多。 　　3、長(zhǎng)輸管道通常鋪設(shè)在郊野，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，改變有時(shí)為突變，另外城市雜散電流干擾很普遍且嚴(yán)重。 　　4、長(zhǎng)輸管道和國(guó)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(hù)，發(fā)現(xiàn)電位異常時(shí)即開始整改。國(guó)內(nèi)城市燃?xì)夤艿拦芾硐鄬?duì)薄弱，日常管理側(cè)重于巡線查找漏氣點(diǎn)；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(wú)法及時(shí)消除。 　　 　　三、城市燃?xì)夤艿栏g評(píng)價(jià)的技術(shù)難題及突破 　　分析城市燃?xì)夤艿赖慕ㄔO(shè)和運(yùn)行管理與長(zhǎng)輸管道間的差異可知，《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》中的腐蝕模型不適用于燃?xì)夤艿?，要完整、科學(xué)而精確地對(duì)城市燃?xì)夤艿肋M(jìn)行腐蝕評(píng)價(jià)，就必須建立新的評(píng)估模型。我們?cè)谂c國(guó)內(nèi)外管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、大專院校廣泛交流的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)外安全評(píng)估的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)城市燃?xì)夤艿赖奶匦砸l(fā)的技術(shù)難題，采用樣本調(diào)查表確定初值、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)迭代修正、制定檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的方法，建立了適合于國(guó)內(nèi)城市燃?xì)夤艿赖母g評(píng)價(jià)體系。 　　1、將管體腐蝕與環(huán)境結(jié)合考慮，綜合評(píng)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。由于城市燃?xì)夤荏w與環(huán)境的交互作用相當(dāng)復(fù)雜，土壤理化性能會(huì)影響防腐層的老化破損進(jìn)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(duì)于防腐結(jié)構(gòu)良好的長(zhǎng)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(hù)電流的作用，也不會(huì)受到腐蝕，因而環(huán)境腐蝕性的影響很小，現(xiàn)有一些評(píng)估系統(tǒng)都側(cè)重于管體本身，對(duì)環(huán)境的影響重視不夠。對(duì)于城市燃?xì)夤艿?，防腐層缺陷很多，陰極保護(hù)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(qiáng)，管體很快就會(huì)發(fā)生穿孔泄漏，而環(huán)境腐蝕性較弱，則可以在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持正常運(yùn)行。因此，城市燃?xì)夤艿赖母g預(yù)期評(píng)估，必須將管體腐蝕與環(huán)境腐蝕性綜合考慮。 　　腐蝕預(yù)期取決于防腐層現(xiàn)狀、陰極保護(hù)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(duì)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。因素多達(dá)四十余個(gè)，完全測(cè)取需要很長(zhǎng)時(shí)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)無(wú)謂加大，因而有必要根據(jù)城市燃?xì)夤艿赖木唧w情況，進(jìn)行降維預(yù)處理。我們首先通過聚類分析，依據(jù)12個(gè)樣本管段檢測(cè)數(shù)據(jù)和開挖情況，對(duì)影響腐蝕預(yù)期的因素進(jìn)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(gè)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(duì)同類因素進(jìn)行主成份分析，以貢獻(xiàn)率作為選擇特征因素的依據(jù)，同時(shí)也對(duì)44個(gè)因素直接進(jìn)行主成分分析，以避免聚類分析可能產(chǎn)生的漏項(xiàng)。最后通過SSPS軟件分析可知，整合出的8個(gè)主要因素的特征貢獻(xiàn)率已達(dá)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。主要因素包括防腐層種類、鋼管壁厚、建設(shè)監(jiān)理力度、運(yùn)行年數(shù)、土壤腐蝕性、管地電位、防腐層電阻率和缺陷線密度。 　　建設(shè)監(jiān)理力度意在體現(xiàn)管段建設(shè)原始質(zhì)量的參差不齊，取決于建設(shè)單位的實(shí)際資質(zhì)、對(duì)其所建工程的普遍評(píng)價(jià)、建設(shè)時(shí)期監(jiān)理制度的總體情況、管段竣工資料的完善程度、管段首次腐蝕泄漏時(shí)運(yùn)行時(shí)間等。對(duì)土壤腐蝕性分級(jí)方法，我們充分借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的原理，在2002年初制訂出適合于安全評(píng)估需要的綜合分級(jí)體系。對(duì)防腐層電阻率分級(jí)則消化吸取國(guó)外檢測(cè)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了與國(guó)內(nèi)判據(jù)的有機(jī)銜接。

表1主要影響因素及等級(jí)一覽表　　

防腐層種類 鋼管壁厚 建設(shè)監(jiān)理力度 運(yùn)行年數(shù) 土壤腐蝕性 管地電位 防腐層電阻率 缺陷線密度 夾克 <4.0 極強(qiáng) <1 極強(qiáng) <-850 優(yōu) <5 牛油布 ~5.5 強(qiáng) ~2 強(qiáng) ~-600 良 ~10 環(huán)氧煤 ~7.0 中 ~7 中 ~-400 可 ~20 膠帶 ~8.5 弱 ~15 弱 >-400 差 >20 瀝青 >8.5 >15 劣

　　我們還通過200多公里的實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型確定了各影響因素對(duì)腐蝕預(yù)期的貢獻(xiàn)，得到較為符合實(shí)際情況的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，形成完整的測(cè)試體系和分級(jí)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(cè)與驗(yàn)收技術(shù)規(guī)程》，并實(shí)際應(yīng)用于新建燃?xì)夤艿赖目⒐を?yàn)收和在役管道的周期檢測(cè)。同時(shí)，在生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)平臺(tái)上建立起適合城市燃?xì)獾墓艿蕾Y料數(shù)據(jù)庫(kù)和外掛評(píng)估模塊，為今后動(dòng)態(tài)評(píng)估奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 　　2、引進(jìn)測(cè)試技術(shù)，建立適合城市燃?xì)夤艿婪栏瘜与娮杪实姆旨?jí)標(biāo)準(zhǔn) 　　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(hù)的基本依據(jù)，但是該指標(biāo)的測(cè)定迄今尚無(wú)公認(rèn)的現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)手段。 　　國(guó)內(nèi)長(zhǎng)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(shí)際應(yīng)用案例，國(guó)內(nèi)部分燃?xì)馄髽I(yè)的外委評(píng)估都采用此法。但對(duì)于其跨越三通時(shí)(長(zhǎng)輸管道上沒有三通)所測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，一直沒有定論。此后有國(guó)內(nèi)軟件公司在英國(guó)雷迪探管儀的基礎(chǔ)上，開發(fā)了PCM軟件，但并沒有得到雷迪公司的認(rèn)可，該方法在國(guó)內(nèi)部分城市管道上應(yīng)用情況褒貶不一。因此，對(duì)于城市燃?xì)夤艿婪栏瘜与娮杪实臏y(cè)試采用選頻變頻，還是雷迪PCM法，一直存在很大爭(zhēng)議。 　　有人曾在長(zhǎng)輸管道進(jìn)行過兩種方法的測(cè)試對(duì)比，但其結(jié)論是否適用于城市燃?xì)夤艿烙写?yàn)證。我們?cè)谠u(píng)估工作中，以6條市政路和6個(gè)庭院小區(qū)作比較樣本，分別用兩種方法依次測(cè)試，隨后進(jìn)行開挖驗(yàn)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(cè)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(duì)有三通的管段，我們先嘗試改進(jìn)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(cè)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(shí)，對(duì)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(guó)外資料，我們引進(jìn)美國(guó)的C掃描技術(shù)，其可用于有三通的管道，且抗干擾能力較強(qiáng)，但該技術(shù)所測(cè)數(shù)據(jù)如何分級(jí)，是必須由我們自己解決的難題。以往國(guó)內(nèi)防腐層分級(jí)判據(jù)是在長(zhǎng)輸管道防腐層上用選頻變頻取得的防腐層電阻率，而美國(guó)C掃描的分級(jí)判據(jù)是用電流衰減取得的防腐層電導(dǎo)率。為針對(duì)城市燃?xì)夤艿婪栏瘜佑肅掃描制定適合的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，我們進(jìn)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(jìn)行兩種方法的數(shù)據(jù)比較，又通過管道運(yùn)行記錄和13公里樣本管段開挖檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，找出其中的相對(duì)關(guān)系，最終確定了與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)銜接并適合城市燃?xì)夤艿婪栏瘜拥姆旨?jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表2防腐層電阻率判據(jù)對(duì)比表

優(yōu) 良 可 差 劣 C掃描(Ω/m2) >1500000 ~10000 ~2000 ~500 <500 選頻變頻(Ω/m2) >10000 ~5000 ~3000 ~1000 <1000

　　 　　四、經(jīng)驗(yàn)與體會(huì) 　　1、借鑒現(xiàn)有模型前應(yīng)先進(jìn)行研究對(duì)象的內(nèi)在因素分析比對(duì) 　　借鑒現(xiàn)有模型可以達(dá)到事半功倍的效果，但要注意借鑒的前提是影響研究對(duì)象的內(nèi)在因素要基本一致，此時(shí)僅進(jìn)行參數(shù)值修正即可，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(qiáng)套用。 　　研究伊始，我們也曾設(shè)想選用《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》介紹的各個(gè)模型，但通過對(duì)研究對(duì)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(jì)因素、操作失誤的評(píng)估，在這些方面城市燃?xì)夤艿琅c美國(guó)埋地長(zhǎng)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。 　　對(duì)腐蝕評(píng)估模型分析發(fā)現(xiàn)，二者間有本質(zhì)的差別。第一，《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》中腐蝕評(píng)估模型的內(nèi)腐蝕和大氣腐蝕評(píng)價(jià)占40%，所列內(nèi)防腐措施包括內(nèi)防腐層、緩蝕劑、清管三項(xiàng)，這些措施只可能用于長(zhǎng)輸管道，國(guó)內(nèi)外所有城市燃?xì)夤艿蓝疾粫?huì)采用這些措施，也無(wú)需考慮大氣腐蝕。第二，《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》中對(duì)于外防腐，其陰極保護(hù)檢測(cè)周期和結(jié)果占有遠(yuǎn)超過防腐層的地位，且檢測(cè)項(xiàng)目針對(duì)外加電流。國(guó)內(nèi)燃?xì)夤艿狸帢O保護(hù)剛剛起步且?guī)缀跞菭奚?yáng)極，此類數(shù)據(jù)幾近空白，根本無(wú)法采集。第三，《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》中對(duì)于管體缺陷，模型推薦采用爬行器檢測(cè)，賦值與陰極保護(hù)檢測(cè)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(wú)法使用爬行器進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)。第四，《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》中對(duì)于防腐層缺陷，模型所賦分值很小，僅占5%，這是由于長(zhǎng)輸管道的缺陷通常較少且會(huì)及時(shí)修復(fù)，國(guó)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)。第五，由于在防腐層無(wú)缺陷時(shí)土壤腐蝕性影響很小，《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》中模型所賦分值占4%，且僅依土壤電阻率賦值，而對(duì)缺陷較多的城市燃?xì)夤艿?，土壤腐蝕性對(duì)腐蝕模型有重大的影響，且需用綜合等級(jí)確定。上述５項(xiàng)指標(biāo)分值已超過《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》中模型總分的50％以上。另外，城市燃?xì)夤芏谓ㄔO(shè)原始質(zhì)量參差不齊更是國(guó)內(nèi)特有的。通過上述分析比對(duì)，勉強(qiáng)使用現(xiàn)有模型必將產(chǎn)生重大偏差，有必要重新建立評(píng)估模型。 　　為建立腐蝕評(píng)估模型，我們成立了集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)掛帥的城市燃?xì)夤艿腊踩珷顩r評(píng)估課題領(lǐng)導(dǎo)小組，組織管網(wǎng)、客戶服務(wù)、檢測(cè)、監(jiān)理、計(jì)算機(jī)等部門與有關(guān)高校聯(lián)合攻關(guān)，花費(fèi)了近3年的時(shí)間，投入數(shù)百萬(wàn)，終于取得了符合燃?xì)夤艿缹?shí)際情況的成果。 　　2、引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)要注意配套引進(jìn)并消化其軟件 　　先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)可以提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，進(jìn)而保證模型的科學(xué)性，這是無(wú)庸質(zhì)疑的，但引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)必須注意其配套引進(jìn)并消化其軟件。 　　引進(jìn)C掃描之初，我們?cè)噲D借用國(guó)外的設(shè)備，評(píng)判分級(jí)按照國(guó)內(nèi)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，但實(shí)際效果很不理想。此時(shí)我們沒有盲目堅(jiān)持或輕言放棄，而是及時(shí)分析誤差原因并尋找對(duì)策。 　　首先，我們不惜高價(jià)，拿出30公里不同類型的管段，聘請(qǐng)美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)(NACE)的專家直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，認(rèn)真分析其操作要領(lǐng)。其次，對(duì)美國(guó)的防腐層評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)致分析，明確其制定原理，與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，尋找其中的內(nèi)在關(guān)系。第三，積極與C掃描設(shè)備生產(chǎn)商聯(lián)系，介紹國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，配合其研制出符合國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)系列的軟件。 　　為不影響腐蝕預(yù)期評(píng)估模型建立進(jìn)度，我們先完全采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，用防腐層電導(dǎo)率進(jìn)行分級(jí)。隨著大量開挖實(shí)踐，找出防腐層電導(dǎo)率與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的防腐層電阻率間的換算關(guān)系后，適時(shí)將模型參數(shù)轉(zhuǎn)換為防腐層電阻率，最終使C掃描檢測(cè)結(jié)果與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)銜接。