燃氣管道安全評估中鋼管腐蝕評價技術的研究

一、前言　　由於燃氣的易燃易爆特性，管道中燃氣一旦泄漏，往往會導致重大人身傷亡和財產損失，近年來國內外已發生過多起惡性02manbetx.com ，教訓深刻。為此，國家建設部與中國城市燃氣協會在2001年共同組織編製了《城市燃氣行業“十五”技術進步發展規劃》，明確要求開展城市燃氣管道的可靠性03manbetx 和風險評估研究，建立綜合管理體製，保證在役管道運行的安全可靠。深圳燃氣集團積極響應，啟動了“城市燃氣管道安全狀況評估”課題研究，2002年項目列入國家建設部年度科研計劃並取得突破性進展，在2003年初進行的階段成果審定會上，得到有關專家的充分肯定。此後我們對深圳在役的200公裏埋地鋼質燃氣管道進行了係統的安全評估，通過實際檢驗和修正，進一步完善了埋地管道安全評估手段和評價標準，使其更符合生產實用的需求，整個項目計劃在2004年底投入試運行。 　　 　　二、城市燃氣管道的特點　　Muhlbauer所著《管道風險管理手冊》介紹了美國埋地長輸管道安全評估的經典方法，其利用海量、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。目前，國內部分科研機構借鑒其基本思路，請國內專家憑各自的主觀感覺填寫調查表，經統計處理確定各影響因素的分值，不與具體工況相聯係，使用結果表明其往往與實際情況有較大偏差。究其原因，在於與長輸管道相比，城市燃氣管道有明顯差別： 　　1、長輸管道通常為單管，閥門和變徑很少。城市燃氣管道多為網、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。由於投資來源複雜，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郊野，周邊環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境複雜，改變有時為突變，另外城市雜散電流幹擾很普遍且嚴重。 　　4、長輸管道和國外燃氣管道有完備的管理體係，其日常管理側重於陰極保護，發現電位異常時即開始整改。國內城市燃氣管道管理相對薄弱，日常管理側重於巡線查找漏氣點；即使發現問題，由於涉及市政管理諸多方麵，處理手續較為繁雜，隱患往往無法及時消除。 　　 　　三、城市燃氣管道腐蝕評價的技術難題及突破03manbetx 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於燃氣管道，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。我們在與國內外管道運營企業、科研機構、大專院校廣泛交流的基礎上，借鑒國外安全評估的經驗，針對城市燃氣管道的特性引發的技術難題，采用樣本調查表確定初值、實測數據迭代修正、製定檢測評價標準的方法，建立了適合於國內城市燃氣管道的腐蝕評價體係。 　　1、將管體腐蝕與環境結合考慮，綜合評估腐蝕預期　　地下燃氣管道處在土壤環境中，其腐蝕預期既取決於管道本身，也取決於環境。由於城市燃氣管體與環境的交互作用相當複雜，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。對於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，因而環境腐蝕性的影響很小，現有一些評估係統都側重於管體本身，對環境的影響重視不夠。對於城市燃氣管道，防腐層缺陷很多，陰極保護又不正常，環境腐蝕性的影響就非常顯著。如果環境腐蝕性較強，管體很快就會發生穿孔泄漏，而環境腐蝕性較弱，則可以在很長時間內維持正常運行。因此，城市燃氣管道的腐蝕預期評估，必須將管體腐蝕與環境腐蝕性綜合考慮。 　　腐蝕預期取決於防腐層現狀、陰極保護有效性、土壤理化性能、雜散電流分布等諸多方麵，凡是影響上述方麵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。因素多達四十餘個，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複，使模型變量維數無謂加大，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03manbetx ，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03manbetx 和聚類分析。結果表明：影響腐蝕預期的44個因素在相關係數大於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份分析，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。最後通過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。主要因素包括防腐層種類、鋼管壁厚、建設監理力度、運行年數、土壤腐蝕性、管地電位、防腐層電阻率和缺陷線密度。 　　建設監理力度意在體現管段建設原始質量的參差不齊，取決於建設單位的實際資質、對其所建工程的普遍評價、建設時期監理製度的總體情況、管段竣工資料的完善程度、管段首次腐蝕泄漏時運行時間等。對土壤腐蝕性分級方法，我們充分借鑒國內外相關標準的原理，在2002年初製訂出適合於安全評估需要的綜合分級體係。對防腐層電阻率分級則消化吸取國外檢測技術，並實現了與國內判據的有機銜接。

表1主要影響因素及等級一覽表

防腐層種類 鋼管壁厚 建設監理力度 運行年數 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 <1 極強 <-850 優 <5 牛油布 ~5.5 強 ~2 強 ~-600 良 ~10 環氧煤 ~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多公裏的實際檢測數據，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，形成完整的測試體係和分級標準，製定了企業標準《地下鋼質燃氣管道防腐檢測與驗收技術01manbetx 》，並實際應用於新建燃氣管道的竣工驗收和在役管道的周期檢測。同時，在生產調度管理係統平台上建立起適合城市燃氣的管道資料數據庫和外掛評估模塊，為今後動態評估奠定了堅實的基礎。 　　2、引進測試技術，建立適合城市燃氣管道防腐層電阻率的分級標準　　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，開發了專用的儀器，有相應的行業標準和判據，並有大量實際應用案例，國內部分燃氣企業的外委評估都采用此法。但對於其跨越三通時(長輸管道上沒有三通)所測數據的可靠性，一直沒有定論。此後有國內軟件公司在英國雷迪探管儀的基礎上，開發了PCM軟件，但並沒有得到雷迪公司的認可，該方法在國內部分城市管道上應用情況褒貶不一。因此，對於城市燃氣管道防腐層電阻率的測試采用選頻變頻，還是雷迪PCM法，一直存在很大爭議。 　　有人曾在長輸管道進行過兩種方法的測試對比，但其結論是否適用於城市燃氣管道有待驗證。我們在評估工作中，以6條市政路和6個庭院小區作比較樣本，分別用兩種方法依次測試，隨後進行開挖驗證，發現它們用於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，我們先嚐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，結果沒有找到規律。雷迪PCM法在用於城市燃氣管道時，對外界雜散電流幹擾非常敏感，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，其可用於有三通的管道，且抗幹擾能力較強，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掃描製定適合的分級標準，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13公裏樣本管段開挖檢測結果進行調整，找出其中的相對關係，最終確定了與國內標準銜接並適合城市燃氣管道防腐層的分級標準。

表2防腐層電阻率判據對比表

優 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、經驗與體會 1、借鑒現有模型前應先進行研究對象的內在因素分析比對　　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，此時僅進行參數值修正即可，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，在這些方麵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。 　　對腐蝕評估模型分析發現，二者間有本質的差別。第一，《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、清管三項，這些 措施隻可能用於長輸管道，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。第二，《管道風險管理手冊》中對於外防腐，其陰極保護檢測周期和結果占有遠超過防腐層的地位，且檢測項目針對外加電流。國內燃氣管道陰極保護剛剛起步且幾乎全是犧牲陽極，此類數據幾近空白，根本無法采集。第三，《管道風險管理手冊》中對於管體缺陷，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。第四，《管道風險管理手冊》中對於防腐層缺陷，模型所賦分值很小，僅占5%，這是由於長輸管道的缺陷通常較少且會及時修複，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。第五，由於在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，城市燃氣管段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，我們成立了集團領導掛帥的城市燃氣管道安全狀況評估課題領導小組，組織管網、客戶服務、檢測、監理、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，終於取得了符合燃氣管道實際情況的成果。 　 　2、引進國外先進技術要注意配套引進並消化其軟件　　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，這是無庸質疑的，但引進國外先進技術必須注意其配套引進並消化其軟件。 　　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並尋找對策。 　　首先，我們不惜高價，拿出30公裏不同類型的管段，聘請美國腐蝕 工程師協會(NACE)的專家直接進行現場實測，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，明確其製定原理，與國內標準進行比對，尋找其中的內在關係。第三，積極與C掃描設備生產商聯係，介紹國內相關標準，配合其研製出符合國內標準判據係列的軟件。 　　為不影響腐蝕預期評估模型建立進度，我們先完全采用美國標準，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係後，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。