燃气管道安全评估中钢管腐蚀评价技术的研究

　　一、前言
　　由于燃气的易燃易爆特性，管道中燃气一旦泄漏，往往会导致重大人身伤亡和财产损失，近年来国内外已发生过多起恶性事故，教训深刻。为此，国家建设部与中国城市燃气协会在2001年共同组织编制了《城市燃气行业“十五”技术进步发展规划》，明确要求开展城市燃气管道的可靠性分析和风险评估研究，建立综合管理体制，保证在役管道运行的安全可靠。深圳燃气集团积极响应，启动了“城市燃气管道安全状况评估”课题研究，2002年项目列入国家建设部年度科研计划并取得突破性进展，在2003年初进行的阶段成果审定会上，得到有关专家的充分肯定。此后我们对深圳在役的200公里埋地钢质燃气管道进行了系统的安全评估，通过实际检验和修正，进一步完善了埋地管道安全评估手段和评价标准，使其更符合生产实用的需求，整个项目计划在2004年底投入试运行。
　　
　　二、城市燃气管道的特点
　　Muhlbauer所著《管道风险管理手册》介绍了美国埋地长输管道安全评估的经典方法，其利用海量、完整、可靠的管道建设运行数据库，归纳出各影响因素的分值。目前，国内部分科研机构借鉴其基本思路，请国内专家凭各自的主观感觉填写调查表，经统计处理确定各影响因素的分值，不与具体工况相联系，使用结果表明其往往与实际情况有较大偏差。究其原因，在于与长输管道相比，城市燃气管道有明显差别：
　　1、长输管道通常为单管，阀门和变径很少。城市燃气管道多为网、枝状，阀门、三通及凝液缸等管件密布，管道变径较普遍。
　　2、长输管道通常为一次同期建成，有完备的勘察设计、施工监理、竣工验收程序，质量相对均衡且缺陷较少。城市燃气管道则随着城市建设的进展逐步形成，且不断拓展。由于投资来源复杂，设计、施工和验收标准往往参差不齐，质量缺陷相对较多。
　　3、长输管道通常铺设在郊野，周边环境的改变通常为平滑过渡，容易把握，且杂散电流影响较小。城市燃气管道周边环境复杂，改变有时为突变，另外城市杂散电流干扰很普遍且严重。
　　4、长输管道和国外燃气管道有完备的管理体系，其日常管理侧重于阴极保护，发现电位异常时即开始整改。国内城市燃气管道管理相对薄弱，日常管理侧重于巡线查找漏气点；即使发现问题，由于涉及市政管理诸多方面，处理手续较为繁杂，隐患往往无法及时消除。
　　
　　三、城市燃气管道腐蚀评价的技术难题及突破
　　分析城市燃气管道的建设和运行管理与长输管道间的差异可知，《管道风险管理手册》中的腐蚀模型不适用于燃气管道，要完整、科学而精确地对城市燃气管道进行腐蚀评价，就必须建立新的评估模型。我们在与国内外管道运营企业、科研机构、大专院校广泛交流的基础上，借鉴国外安全评估的经验，针对城市燃气管道的特性引发的技术难题，采用样本调查表确定初值、实测数据迭代修正、制定检测评价标准的方法，建立了适合于国内城市燃气管道的腐蚀评价体系。

　　1、将管体腐蚀与环境结合考虑，综合评估腐蚀预期
　　地下燃气管道处在土壤环境中，其腐蚀预期既取决于管道本身，也取决于环境。由于城市燃气管体与环境的交互作用相当复杂，土壤理化性能会影响防腐层的老化破损进程，土壤腐蚀性和杂散电流情况又直接决定破损处的腐蚀速度。对于防腐结构良好的长输管道，腐蚀电流通道几乎被防腐层完全隔断，少量破损受到阴极保护电流的作用，也不会受到腐蚀，因而环境腐蚀性的影响很小，现有一些评估系统都侧重于管体本身，对环境的影响重视不够。对于城市燃气管道，防腐层缺陷很多，阴极保护又不正常，环境腐蚀性的影响就非常显著。如果环境腐蚀性较强，管体很快就会发生穿孔泄漏，而环境腐蚀性较弱，则可以在很长时间内维持正常运行。因此，城市燃气管道的腐蚀预期评估，必须将管体腐蚀与环境腐蚀性综合考虑。
　　腐蚀预期取决于防腐层现状、阴极保护有效性、土壤理化性能、杂散电流分布等诸多方面，凡是影响上述方面的因素都有可能直接或间接地影响管道的腐蚀预期。许多因素对腐蚀预期的影响是非线性的，各因素之间有着不同的相关程度。因素多达四十余个，完全测取需要很长时间和巨大投资，且各数据间存在大量的信息重复，使模型变量维数无谓加大，因而有必要根据城市燃气管道的具体情况，进行降维预处理。我们首先通过聚类分析，依据12个样本管段检测数据和开挖情况，对影响腐蚀预期的因素进行相关分析和聚类分析。结果表明：影响腐蚀预期的44个因素在相关系数大于0.5的条件下，明显地聚为8类。为了从同类因素中选取有代表性的特征因素，对同类因素进行主成份分析，以贡献率作为选择特征因素的依据，同时也对44个因素直接进行主成分分析，以避免聚类分析可能产生的漏项。最后通过SSPS软件分析可知，整合出的8个主要因素的特征贡献率已达到92.1%。从而既保证了数据的科学完整，又避免了不必要的工作量。主要因素包括防腐层种类、钢管壁厚、建设监理力度、运行年数、土壤腐蚀性、管地电位、防腐层电阻率和缺陷线密度。
　　建设监理力度意在体现管段建设原始质量的参差不齐，取决于建设单位的实际资质、对其所建工程的普遍评价、建设时期监理制度的总体情况、管段竣工资料的完善程度、管段首次腐蚀泄漏时运行时间等。对土壤腐蚀性分级方法，我们充分借鉴国内外相关标准的原理，在2002年初制订出适合于安全评估需要的综合分级体系。对防腐层电阻率分级则消化吸取国外检测技术，并实现了与国内判据的有机衔接。

表1主要影响因素及等级一览表　　

防腐层种类	钢管壁厚	建设监理力度	运行年数	土壤腐蚀性	管地电位	防腐层电阻率	缺陷线密度
夹克	<4.0	极强	<1	极强	<-850	优	<5
牛油布	~5.5	强	~2	强	~-600	良	~10
环氧煤	~7.0	中	~7	中	~-400	可	~20
胶带	~8.5	弱	~15	弱	>-400	差	>20
沥青	>8.5		>15			劣

　　我们还通过200多公里的实际检测数据，用神经网络模型确定了各影响因素对腐蚀预期的贡献，得到较为符合实际情况的结果。在此基础上，形成完整的测试体系和分级标准，制定了企业标准《地下钢质燃气管道防腐检测与验收技术规程》，并实际应用于新建燃气管道的竣工验收和在役管道的周期检测。同时，在生产调度管理系统平台上建立起适合城市燃气的管道资料数据库和外挂评估模块，为今后动态评估奠定了坚实的基础。

　　2、引进测试技术，建立适合城市燃气管道防腐层电阻率的分级标准
　　埋地钢管的腐蚀绝大多数为电化学腐蚀，防腐层是切断电流通道的主要手段，因而防腐层电阻率是反映防腐层性能的最重要指标，也是阴极保护的基本依据，但是该指标的测定迄今尚无公认的现场无损检测手段。
　　国内长输管道推荐采用选频变频法，开发了专用的仪器，有相应的行业标准和判据，并有大量实际应用案例，国内部分燃气企业的外委评估都采用此法。但对于其跨越三通时(长输管道上没有三通)所测数据的可靠性，一直没有定论。此后有国内软件公司在英国雷迪探管仪的基础上，开发了PCM软件，但并没有得到雷迪公司的认可，该方法在国内部分城市管道上应用情况褒贬不一。因此，对于城市燃气管道防腐层电阻率的测试采用选频变频，还是雷迪PCM法，一直存在很大争议。
　　有人曾在长输管道进行过两种方法的测试对比，但其结论是否适用于城市燃气管道有待验证。我们在评估工作中，以6条市政路和6个庭院小区作比较样本，分别用两种方法依次测试，随后进行开挖验证，发现它们用于城市燃气管道都有较大局限。
　　选频变频法测试数据重现性好，但管段上的三通将使结果产生较大偏差。对有三通的管段，我们先尝试改进接地极位置以消除三通的影响，但没有明显效果。我们又试图根据不同情况归纳测试数据的修正方法，结果没有找到规律。雷迪PCM法在用于城市燃气管道时，对外界杂散电流干扰非常敏感，其读数重现性较差。
　　根据国外资料，我们引进美国的C扫描技术，其可用于有三通的管道，且抗干扰能力较强，但该技术所测数据如何分级，是必须由我们自己解决的难题。以往国内防腐层分级判据是在长输管道防腐层上用选频变频取得的防腐层电阻率，而美国C扫描的分级判据是用电流衰减取得的防腐层电导率。为针对城市燃气管道防腐层用C扫描制定适合的分级标准，我们进行了大量细致的摸索。首先选择满足选频变频操作条件的管段，进行两种方法的数据比较，又通过管道运行记录和13公里样本管段开挖检测结果进行调整，找出其中的相对关系，最终确定了与国内标准衔接并适合城市燃气管道防腐层的分级标准。

表2防腐层电阻率判据对比表

	优	良	可	差	劣
C扫描(Ω/m2)	>1500000	~10000	~2000	~500	<500
选频变频(Ω/m2)	>10000	~5000	~3000	~1000	<1000

　　
　　四、经验与体会
　　1、借鉴现有模型前应先进行研究对象的内在因素分析比对
　　借鉴现有模型可以达到事半功倍的效果，但要注意借鉴的前提是影响研究对象的内在因素要基本一致，此时仅进行参数值修正即可，否则应寻找更为接近的模型或建立新的模型，而不应勉强套用。
　　研究伊始，我们也曾设想选用《管道风险管理手册》介绍的各个模型，但通过对研究对象的内在因素分析可知，有的模型是可以借鉴的，如第三方损坏、设计因素、操作失误的评估，在这些方面城市燃气管道与美国埋地长输管道的内在影响因素没有根本差别，仅靠调整参数值就可以满足需要。
　　对腐蚀评估模型分析发现，二者间有本质的差别。第一，《管道风险管理手册》中腐蚀评估模型的内腐蚀和大气腐蚀评价占40%，所列内防腐措施包括内防腐层、缓蚀剂、清管三项，这些措施只可能用于长输管道，国内外所有城市燃气管道都不会采用这些措施，也无需考虑大气腐蚀。第二，《管道风险管理手册》中对于外防腐，其阴极保护检测周期和结果占有远超过防腐层的地位，且检测项目针对外加电流。国内燃气管道阴极保护刚刚起步且几乎全是牺牲阳极，此类数据几近空白，根本无法采集。第三，《管道风险管理手册》中对于管体缺陷，模型推荐采用爬行器检测，赋值与阴极保护检测结果相同，但城市燃气管道内径变化频繁，阀门、凝液缸、三通、弯头等管件密布，根本无法使用爬行器进行内检测。第四，《管道风险管理手册》中对于防腐层缺陷，模型所赋分值很小，仅占5%，这是由于长输管道的缺陷通常较少且会及时修复，国内城市燃气管道不但缺陷较多，且分布很不均匀，是决定管道安全性能的重要指标。第五，由于在防腐层无缺陷时土壤腐蚀性影响很小，《管道风险管理手册》中模型所赋分值占4%，且仅依土壤电阻率赋值，而对缺陷较多的城市燃气管道，土壤腐蚀性对腐蚀模型有重大的影响，且需用综合等级确定。上述５项指标分值已超过《管道风险管理手册》中模型总分的50％以上。另外，城市燃气管段建设原始质量参差不齐更是国内特有的。通过上述分析比对，勉强使用现有模型必将产生重大偏差，有必要重新建立评估模型。
　　为建立腐蚀评估模型，我们成立了集团领导挂帅的城市燃气管道安全状况评估课题领导小组，组织管网、客户服务、检测、监理、计算机等部门与有关高校联合攻关，花费了近3年的时间，投入数百万，终于取得了符合燃气管道实际情况的成果。

　　2、引进国外先进技术要注意配套引进并消化其软件
　　先进的检测技术可以提高检测数据的可靠性，进而保证模型的科学性，这是无庸质疑的，但引进国外先进技术必须注意其配套引进并消化其软件。
　　引进C扫描之初，我们曾试图借用国外的设备，评判分级按照国内的行业标准进行操作，但实际效果很不理想。此时我们没有盲目坚持或轻言放弃，而是及时分析误差原因并寻找对策。
　　首先，我们不惜高价，拿出30公里不同类型的管段，聘请美国腐蚀工程师协会(NACE)的专家直接进行现场实测，认真分析其操作要领。其次，对美国的防腐层评估标准进行细致分析，明确其制定原理，与国内标准进行比对，寻找其中的内在关系。第三，积极与C扫描设备生产商联系，介绍国内相关标准，配合其研制出符合国内标准判据系列的软件。
　　为不影响腐蚀预期评估模型建立进度，我们先完全采用美国标准，用防腐层电导率进行分级。随着大量开挖实践，找出防腐层电导率与国内标准的防腐层电阻率间的换算关系后，适时将模型参数转换为防腐层电阻率，最终使C扫描检测结果与国内标准判据实现了有机衔接。