基于層次分析法的輸氣管道綜合腐蝕行為研究

中國石油管道局工程有限公司

西氣東輸管線為我國戰略性能源通道，已經建設至第三期，大多采用X70管線鋼。管線西起塔里木盆地的輪南，東至上海，全長4 200 km，供氣范圍覆蓋中原、華東、長江三角洲地區，具有輸氣管道口徑大、距離長、跨度廣等特點。長輸天然氣管道的腐蝕及防護工作已成為保障西氣東輸的重要內容之一，針對輸氣管道腐蝕防護，國內外研究者開展了大量的研究工作。秦風等介紹了埋地管道的失效原因以及各類檢測方法的優缺點，并且提出了相應的防腐蝕措施[1]；柳華偉等以模糊數學理論為基礎，結合管道的實際運營參數建立了模糊綜合評價模型，評價了埋地管道腐蝕狀況[2]；王洪志等介紹了輸氣管道外腐蝕檢測技術在我國某管道上的應用實踐，用多種間接檢測方法和矩陣綜合評價方法篩選直接開挖點[3]；楊晶華等介紹了吉林東大天然氣管道防腐工藝措施，提出了一系列的防腐方式[4]。總體來看，諸多的輸氣管道腐蝕及防護研究，大都側重于管道內外腐蝕檢測、室內試樣掛片腐蝕分析以及防腐措施的完善，對于長輸管道綜合腐蝕情況分析評價有待進一步研究[5-8]。本文以西氣東輸輸氣管道為實例，分析了管道穿越區現場不同土壤環境下管道的真實腐蝕情況，利用數學建模理論進行層次分析（AHP）建模，可為判別輸氣管道沿線腐蝕情況及腐蝕防護措施的制定提供借鑒。

1 層次分析法

層次分析法計算步驟如下[9]：

（1）確定問題，構建物理模型并收集數據。

（2）依次構建最高層（目標層）、中間層（準則層）、最低層（方案層）的層次結構模型。

（3）兩兩比較打分，確定下層對上層的分數。

準則層中的各準則在目標衡量中所占的比重并不一定相同，在決策者的心目中，它們各占有一定的比例。用數字1～9及其倒數作為標度來定義判斷矩陣A=(aij)n×n（表1）。

表1 判斷矩陣標度定義Tab.1 Scaling definition of judgment matrix

（4）一致性檢驗。計算一致性指標CI

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值。

查找一致性指標RI，計算一致性比例CR

當CR＜0.10時，認為通過了一次性檢驗，否則應做適當修正。

（5）計算權重向量Wi。層次分析法有幾種計算方法求權重：算術平均法、幾何平均法、特征向量法。本文選用幾何平均法（方根法）。

幾何平均法求權重公式為

計算步驟：①A的元素按行相乘得一新向量；②將新向量的每個分量開n次方；③將所得向量歸一化即為權重向量。

2 不同土壤環境的管道腐蝕情況

（1）寧夏中衛中性土壤。通過某陰極防腐站實地土壤X70鋼掛片埋藏試驗及其上報的數據可知，掛片埋藏60天內腐蝕一直在發生，且速率變化未達到穩定值，其腐蝕情況與溫度升高成正比。根據當前已有數據整理后暫時認定為：環境溫度45 ℃、10%含水率條件下的土壤中，埋藏至15天時X70鋼掛片腐蝕率最大，但后續如繼續埋藏則腐蝕仍然進行。

（2）江西樟樹酸性土壤。酸性土壤會導致鋼結構的多種腐蝕，其中應力腐蝕開裂（SCC）最具代表性，裂紋擴展機制多為穿晶裂紋。根據某陰極防腐站實地土壤X70鋼掛片埋藏結果來看，土壤環境含水率與腐蝕速率成正比，當土壤達到最高飽和含水率時其腐蝕速率最大。金屬表面腐蝕情況由點蝕發展至局部環狀腐蝕最后發展至全面均勻腐蝕，據核算，該站點實地土壤情況下13%含水率時腐蝕情況達到頂峰。

（3）大港濱海鹽堿土壤。堿性土壤環境下的腐蝕情況會因為不同鹽堿類型而產生細微變化，從大港濱海鹽堿土壤X70鋼腐蝕情況上報數據可以看出，土壤含水率為發生腐蝕的主導性因素，其中土壤含水率達到25%時腐蝕速率最大。從掛片腐蝕形貌可以看出，當含水率在25%以下時掛片表面顯示為局部腐蝕，當含水率達到30%時表面腐蝕轉變為均勻腐蝕。

（4）庫爾勒鹽堿土。在西北內陸堿性土壤環境中，庫爾勒鹽堿土極具代表性。其中該區域X70鋼耐腐蝕程度較好，腐蝕主要由Cl-及全鹽含量主導，含水量只對早期腐蝕發展產生一定的影響，但總體影響不大，更不會對腐蝕產物的化學結構及其元素構成造成影響。通過掛片腐蝕形貌特征來看，早期以點狀腐蝕為主，隨后開始縱/橫向的腐蝕性擴散，其中橫向發展較快，其腐蝕產物主要為氧化鐵產物，偶見氯化鐵產物，狀態顯疏松。

通過對上述西氣東輸沿線各站點不同土壤環境X70鋼真實腐蝕情況進行收集，運用層次分析法建立相應數學模型進行權重化分析，進而進行綜合腐蝕研究性預測。綜合腐蝕行為結構模型如圖1所示。

3 模擬仿真

綜合腐蝕行為分析各判斷矩陣如表2～表13所列。通過以上西氣東輸各種土壤類型實地腐蝕性對比可知，酸性、堿性土壤相對中性土壤具有一定腐蝕性，而酸性土壤相對堿性土壤腐蝕性稍強，所以進行矩陣構造時需要兩兩打分，結果如表2所示。

圖1 X70鋼綜合腐蝕行為結構模型Fig.1 Structural model of comperehensive corrosion behavior of X70 steel

表2 矩陣A 運算Tab.2 Operation of matrix A

通過酸性土壤環境下真實X70鋼管網腐蝕情況可得，江蘇南京段腐蝕情況相比江西樟樹段略微嚴重，所以兩兩對比打分設為2，稍微重要，如表3所示。

表3 矩陣B1 運算Tab.3 Operation of matrix B1

通過江蘇南京段腐蝕情況反饋結果進行該段酸性土壤環境下各腐蝕因素兩兩對比。其中土壤環境含水率與腐蝕速率成正比，當土壤達到最高飽和含水率時其腐蝕速率最大。酸性土壤環境下含水率腐蝕與交流電腐蝕占主導地位，其中氯離子、含水率、交流電對于腐蝕發生有互助作用。通過現場反饋結果，江蘇南京段腐蝕主要由含水率造成，其中氯離子有促進作用，所以依次進行相關性打分。而硫酸鹽還原菌（SRB）作用尚不明確，但也不能排除其對腐蝕的影響，所以暫時將其設定為最弱，與交流電對腐蝕影響貢獻相當，如表4所示。

通過江西樟樹段腐蝕情況反饋結果進行該段酸性土壤環境下各腐蝕因素兩兩對比。酸性土壤環境下含水率腐蝕與交流電腐蝕占主導地位，其中氯離子、含水率、交流電對于腐蝕發生有互助作用。與江蘇南京段腐蝕情況略微不同的是，江西段酸性土壤環境下的X70鋼應力腐蝕開裂與外加電位有關。若環境中外加電位強，則裂尖（或點蝕坑底）與非裂尖區受陽極控制力度大，發生應力腐蝕開裂概率低。當電位持續降低時，X70鋼腐蝕受混合電極作用，裂尖與非裂尖區分別受陽/陰陽極過程控制，所以暫且判定交流電對腐蝕影響貢獻較大，依舊判定SRB細菌作用尚不明確，且SRB作用/交流電權重打分為1/3，含水率/交流電為2，氯離子/交流電為1/2。其余判定含水率與氯離子腐蝕貢獻相當，對比結果為1，而SRB作用/含水率為1/3；SRB作用/氯離子為1/2區別對待，最終形成的矩陣構造如表5所示。

表4 矩陣C1運算Tab.4 Operation of matrix C1

表5 矩陣C2運算Tab.5 Operation of matrix C2

通過堿性土壤環境下真實X70鋼管網腐蝕情況可得，大港濱海段腐蝕情況相比庫爾勒段略微嚴重，所以兩兩對比打分設為2，稍微重要，如表6所示。

表6 矩陣B2運算Tab.6 Operation of matrix B2

對堿性土壤中大港濱海段海洋氣候土壤環境下各腐蝕因素兩兩對比，其中海洋環境堿性土壤環境中腐蝕情況會因為不同鹽堿類型而產生細微變化。在此對比判定時認定為土壤含水率與離子活躍程度對腐蝕發生貢獻率較高，所以設SRB作用/含水率為1/3，SRB作用/氯離子為1/2，同樣不否認土壤SRB作用對腐蝕有一定影響，但因現場上報數據及試驗手段影響，未對該因素產生有效描述。為區別對待，設SRB作用/交流電權重打分為1。通過現場試驗數據可知，X70鋼在大港濱海鹽漬土中隨著含水率增加自腐蝕電位負移，傾向增加，電極表面狀態穩定時間縮短，腐蝕電流密度隨含水率的增加呈拋物線趨勢（先增后減）。可見交流電與含水率在一定范圍內進行交叉互促影響，所以設含水率/交流電權重為1。氯離子相對含水率與交流電對腐蝕發生影響有限，故含水率/氯離子為2，氯離子/交流電設為1/2，最終形成的矩陣構造如表7所示。

表7 矩陣C3運算Tab.7 Operation of matrix C3

對堿性土壤中西北干旱地區庫爾勒段土壤環境下各腐蝕因素兩兩對比。由于該地區較為干旱，所以含水率只對早期腐蝕發展產生一定影響，該區域X70鋼耐腐蝕程度較好，腐蝕主要由Cl-及全鹽含量主導。所以設含水率/氯離子為1/3，含水率/交流電為3，最后設氯離子/交流電為3。同樣根據上報數據和現場試驗設施現狀無法進行SRB腐蝕作用測定，所以設SRB作用/含水率為1，最終形成的矩陣構造如表8所示。

表8 矩陣C4運算Tab.8 Operation of matrix C4

通過中性土壤環境下真實X70鋼管網腐蝕情況可得，同種土壤環境及氣候條件下的寧夏中衛段與甘肅酒泉段X70鋼掛片腐蝕程度相當，所以兩兩對比打分設為1，如表9所示。

表9 矩陣B3運算Tab.9 Operation of matrix B3

對典型西北中性土壤環境下寧夏中衛段各腐蝕因素兩兩對比。首先根據該站上報腐蝕數據綜合分析得知，寧夏中衛中性土壤礦物質含量有限，且土壤較為干燥，電化學腐蝕與離子作用影響較弱。該種環境下土壤在20%含水率時腐蝕作用反而相對較小，而當地干旱少雨氣候常導致土壤含水在10%左右。所以認定該地含水率對其腐蝕發生貢獻率最大，設SRB作用/含水率和SRB作用/交流電權重打分為1/2，SRB作用/氯離子和含水率/氯離子權重打分為1，含水率/交流電權重打分為3，氯離子/交流電權重打分為2，最終形成的矩陣構造如表10所示。

表10 矩陣C5運算Tab.10 Operation of matrix C5

由于中性土壤氣候環境大同小異，其土壤腐蝕特征相當。為區別對待，在甘肅酒泉段中性土壤環境矩陣構造下略微修改權重比值，在此不一一介紹該矩陣構造思路，如表11所示。

表11 矩陣C6運算Tab.11 Operation of matrix C6

通過一致性檢測，以上矩陣構造準確無誤，一致性檢測通過，數模可行。綜上所述，其X70鋼管線在實際土壤環境中的腐蝕影響有著權重性先后次序。以西氣東輸管網為例，其腐蝕行為影響因素權重從大到小排列順序為：含水率D2、氯離子D3、交流電D4、SRB作用D1。其在不同土壤環境下腐蝕程度排序為：酸性土壤環境B1、堿性土壤環境B2、中性土壤環境B3（表12、表13）。所以下步應針對不同土壤環境下的腐蝕影響細則進行腐蝕性影響因素預測，并以此制定相應防腐措施，綜合保護管網。

表12 中間層權重排序Tab.12 Intermediate weight ranking

表13 方案層權重排序Tab.13 Schemes layer weight ranking

在酸性土壤中，各方案層中的因素靈敏度分析預測曲線斜率較為平穩。唯獨D2顯現為活躍靈敏度變化，且隨酸性土壤環境的變化，含水率呈正相關性，進一步證明酸性土壤環境下含水率對于腐蝕的貢獻大。而D3在酸性土壤環境下對腐蝕影響呈負相關，且與D2呈線性反向變化，證明當含水率增加到一定程度時其D3對于腐蝕影響貢獻率低。而D1和D4在酸性土壤腐蝕過程中的靈敏度表現不活躍，所以一直對整個腐蝕行為產生貢獻，周期性長但顯著性不明顯，可與其他腐蝕影響因素發生交互作用，共同促進腐蝕的發生。值得注意的是D3和D4在全過程預測中有點交互現象，而進一步研究可以看出，D4在中性土壤中對腐蝕貢獻成弱遞減趨勢，說明離子增加與否對于電化學腐蝕影響不顯著，反而是D2線性變化與D4的腐蝕貢獻率表現相當，進一步證明含水對于腐蝕發生的首要貢獻性（圖2）。

圖2 酸性土壤靈敏度分析預測曲線Fig.2 Prediction curve of sensitivity analysis for acidic soil

在堿性土壤中，各方案層中的因素靈敏度分析預測曲線斜率較為平穩。唯獨D2和D3顯現為活躍靈敏度變化，且呈負相關性。在堿性土壤環境中，含水率對腐蝕影響越來越小，而D3越來越大。進一步證明堿性土壤環境下腐蝕發生主要由D3及全鹽含量主導，而隨著含水率的變化而變化，說明含水率與氯離子存在具有負相關性。而D1和D4在堿性土壤腐蝕過程中的靈敏度表現不活躍，所以一直對整個腐蝕行為產生貢獻，周期性長但顯著性不明顯，可和其他腐蝕影響因素發生交互作用，共同促進腐蝕的發生。值得注意的是，離子活動和電化學反應息息相關，所以氯離子對于腐蝕的貢獻在堿性土壤中會和交流電化學反應產生交互促進（圖3）。

在中性土壤中，除了D1線性斜率平穩，對腐蝕影響較低但存在于全過程外，其余各方案層中的因素靈敏度分析預測曲線斜率都較為顯著。首先可以看出D2和D3在全腐蝕預測中發生了一次點狀交互，證明在中性土壤中的腐蝕貢獻率最高點并不是單一線性的。通過以上真實腐蝕研究情況，寧夏中衛中性土壤中，根據當前已有數據整理后暫時認定為，環境溫度為45 ℃的10%含水條件下的土壤中，埋藏至15天X70鋼掛片腐蝕率最大，說明預測模型可行。而進一步研究可以看出，D4在中性土壤中對腐蝕貢獻呈弱遞減趨勢，說明離子增加與否對于電化學腐蝕影響不顯著，反而是D2線性變化與D4的腐蝕貢獻率表現相當。進一步證明含水對于腐蝕發生的首要貢獻性（圖4）。

圖3 堿性土壤靈敏度分析預測曲線Fig.3 Prediction curve for sensitivity analysis of alkaline soil

圖4 中性土壤靈敏度分析預測曲線Fig.4 Prediction curve for sensitivity analysis of neutral soil

4 結論

從西氣東輸各站點實地腐蝕研究情況可以看出，腐蝕的發生需要多重因素的共同促進，且真實土壤環境下的腐蝕情況更為復雜。通過數據收集與AHP建模可以得出：在不同土壤環境下管道腐蝕程度大小排序為酸性土壤環境、堿性土壤環境、中性土壤環境。以西氣東輸管網為例，其腐蝕行為影響因素權重從大到小排列順序為含水率、氯離子、交流電、SRB作用。