技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
应力条件下油气管道用高强钢直流杂散电流腐蚀评价方法，属于油气管道检测与评价领域。
背景技术
[0002] 管道运输由于具有高效率、低成本、占地少、连续性强，并且不易受运输周围环境的影响等优势，在
能源供应、石油化工和居民生活系统中的应用越来越广，并已成为油气运输的首选方案，被称为国家的“生命线”。近年来，为了提高输送效益、降低能耗，长距离管线输送正向大口径、高压力方向发展，这使得高强管线钢广泛的应用于长距离油气输送管道。高强钢管线运行过程中由于输送压力、
土壤压力、残余应力等因素的存在不可避免的受到应力的作用，同时直流牵引系统、高压超高压输电系统、
阴极保护系统等常与管线并行或交叉敷设导致管中直流杂散电流产生。此外，管线所穿过的土壤环境本身也具有腐蚀性，因此，多因素影响下的腐蚀问题严重威胁着埋地高强钢管线的安全运行。
[0003] 目前，
现有技术中还没有专
门针对应力条件下高强钢油气管线直流杂散电流腐蚀的评价标准和方法，现有标准和评价方法如《GB/T19285-2003埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》、《SY/T0087.1-2006钢质管道及储罐腐蚀评价标准埋地钢质管道外腐蚀直接评价》等仅对土壤腐蚀性、杂散电流干扰检测结果进行单一评价，未进行综合评价，无法对管线应力状况进行评价，未针对X70、X80、X100等高强钢管线，无法得到直流杂散电流
密度，不能对腐蚀速率进行预测及对腐蚀程度，评价结果不够科学合理。因此，建立应力条件下油气管道用高强钢直流杂散电流腐蚀评价方法已十分必要。
发明内容
[0004] 为了克服现有的评价方法未考虑在役管线应力影响，不能对直流杂散电流密度进行计算和评价，不能预测腐蚀速率，评价结果不科学等
缺陷，本发明通过管线的基本信息、管线故障与维修信息、评价结果对管线进行整体管理；利用多元线性回归获得应力条件下高强钢油气管道直流杂散电流腐蚀速率与各种环境因素(土壤电导率、pH值、直流杂散电流密度、应力
水平)之间的数学关系，通过该关系预测高强钢的腐蚀速率并对腐蚀速率危害性进行评价；通过计算在役管线所受应力水平结合评价指标对管线应力状况进行评价；通过检测获得的土壤电导率和pH值并结合评价指标对土壤腐蚀性进行评价；通过调查杂散电流干扰源、检测管地电位偏移量或土壤表面电位梯度、计算直流杂散电流密度进行杂散电流干扰评价并对管线阴极保护和排流作出指导。腐蚀速率预测及评价部分是该评价方法的核心，应力状况评价、土壤腐蚀性评价、杂散电流干扰评价是该评价方法的
基础，杂散电流密度、应力水平的计算以及土壤电导率的检测是该评价方法的关键点。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种应力条件下油气管道用高强钢直流杂散电流腐蚀评价方法，该方法的实施步骤如下，
[0006] S1管线信息管理
[0007] 管线信息包括管线基本信息、管线故障与维修信息、管线评价结果三部分。基本信息管理可对管道的基本信息、故障与维修记录进行录入、
修改以及删除操作还可以输出管线的最终评价结果。
[0008] 管线基本信息包括管段名称、管段编号、使用单位、所属单位、检测单位、运行压力、管道埋深、管道外径、管道壁厚、管道材质、管材密度、管材电导率、防腐层状况、阴极保护状况。通过基本信息管理可对管线整体状况进行宏观认识，可对进一步的评价做好准备。
[0009] 故障与维修信息包括检测时间、故障点的
位置、故障原因、维修时间、维修单位、维修措施。通过该信息了解管线故障与维修的状况，并对将来可能发生故障的位置和危险程度进行初步预测。
[0010] 管线评价结果包括多因素腐蚀速率评价结果、单因素评价结果、综合评价结果。通过评价结果对管线剩余寿命进行初步预测。
[0011] S2应力状况评价
[0012] 埋地高强钢管线所受应力可以抽象或分解为三向应力即径向、轴向、轴向，三向应力状态的三个主应力中，周向应力最大，径向应力最小，轴向应力介于二者之间。周向应力同轴向应力的比值最小为2，在管子内壁其比值永远大于2。为便于计算，本部分评价采用最大的周向应力作为埋地管线所受的主应力并进行危害性评价。
[0013] 埋地高强钢油气管道的直管段轴向应力可按下式计算：
[0014] σα＝Eα(t1-t2)+μσk (1)
[0015]
[0016] 式中，σα为由于内压和
温度变化产生的轴向应力，负值为轴向压应力，正值为轴向拉应力，MPa；E为钢材的
弹性模量，取2.05×105MPa；α为钢材的线膨胀系数，取1.2×10-5m/(m·℃)；t1为管道安装闭合时的大气温度，℃；t2为管道内被输送介质的温度，℃；μ为泊松比，取0.3；σk为内压产生的环向应力，MPa；P为管线的输送压力，MPa；d为管道的内直径，m；d为管道的公称壁厚，m。
[0017] 可计算管线所受周向应力为：
[0018]
[0019] 依现有技术方案，埋地输油管线要承受的应力为管线钢最小
屈服强度40％，输气管线要承受的应力为管线钢最小屈服强度的70％。埋地高强钢油气管线直管段应力危害性评价如表1所示。
[0020] 表1 管线直管段应力危害性评价指标
[0021]
[0022] S3杂散电流干扰评价
[0023] 杂散电流干扰分为直流干扰和交流干扰。
[0024] 干扰源侧调查内容一般包括：交直流
铁路供电系统分布与运行情况、交直流
铁路轨道电位分布与
泄漏电流趋向与地电位梯度、高压输电线路运行情况与线塔接地情况、构筑物阴极保护系统的电位分布、电车运行情况，以及其他需调查的内容。
[0025] 被干扰管道侧调查内容包括：腐蚀案例、交直
流管地电位分布(包括沿管道的管地电位分布以及随时间变化的分布)、流入流出管道的干扰电流大小以及装置、管道沿线大地的的土壤电位梯度、管道阴保设施与排流设施运行参数与状况、管道与铁路之间的
电压及方向。
[0026] 高强钢油气管道的直流干扰采用管道任一点上的管地电位较自然电位的偏移量来进行测量和评价；当难以测量时，采用管道附近土壤表面电位梯度来进行测量和评价；当电位偏移≥20mV或土壤表面电位梯度>0.5mV/m时，确认为有直流干扰；用电压降法计算管内ab段电流公式为：
[0027]
[0028] 式中，I为流过ab段的管内电流，mA；Vab为ab段电压，mV；D为管道外径，mm；δ为管道壁厚，mm；ρ为管材
电阻率，Ω·mm2/m；Lab为ab间的管道长度，m。
[0029] 涂层破损点面积公式：
[0030] S＝πd (5)
[0031] 式中，S为涂层破损点面积mm，d为破损点直径，m。
[0032] 评估的直流电流密度公式为：
[0033]
[0034] 干扰程度的评价见表2。
[0035] 表2 直流干扰程度评价指标
[0036]
[0037] 当管道任意点上的管地电位较自然电位正向偏移≥100mV或者管道附近土壤表2
面电位梯度>2.5mV/m，管道涂层破损点处直流杂散电流密度>20mA/m 应及时采取直流排流保护或其它防护措施。
[0038] S4土壤腐蚀性评价
[0039] 土壤腐蚀性包括土壤电阻率、
氧化还原电位、管地电位、土壤pH值、土壤质地、土-壤含水率、土壤含盐量、土壤Cl 含量参数的测试，测试数据宜视不同季节分别给出，并据此对土壤腐蚀性做出评价。本评价方法考虑工程勘探中常用的土壤电阻率和pH值，并对这两项特性进行评价。
[0040] 下表3为土壤电阻率评价指标。
[0041] 表3 土壤电阻率评价指标
[0042]
[0043] 下表4为土壤pH评价指标。
[0044] 表4 土壤pH值指标评价指标
[0045]
[0046] S5腐蚀速率预测及评价
[0047] 将检测到的土壤电导率、土壤pH值、计算得到的直流杂散电流密度和应力值，通过多元线性回归获得应力条件下高强钢油气管道直流杂散电流腐蚀速率与以上因素的数学关系，据此得到相应管材的腐蚀速率值，根据腐蚀速率进行危害性评价。
[0048] S5.1管道腐蚀速率通常由电化学原理和失重法计算得出，基于电化学原理的腐蚀速率预测公式为：
[0049]
[0050] 式中，I—
阳极电流强度，A；M—反应物质的摩尔
质量，kg/mol；F—法拉第常数，96485C/mol；n—阳极
金属化合价。
[0051] S5.2基于失重法的腐蚀速率计算公式如下：
[0052]
[0053] 式中，vcorr为试样腐蚀速率，单位为g/(m2·h)；W0为试样腐蚀前重量，单位为g；W2为试样腐蚀后重量，单位为g；A为试样暴露表面积，单位为m2；t为试样腐蚀时间，单位为h。
[0054] 也可用腐蚀深度来表征腐蚀速率的大小，其表达式为：
[0055]
[0056] 式中：Cr为年腐蚀速率，单位为mm/a；ρ为高强管线钢的密度，单位为g/cm3。
[0057] S5.3管道腐蚀速率与危害等级间的关系如表5所示，根据该表可对高强钢管线腐蚀速率进行评价。
[0058] 表5 基于腐蚀速率的危害性评价指标
[0059]
[0060] S5.4利用Matlab平台，采用多元线性回归分析方法求出X65管线钢在弹性形变范围内的腐蚀速率Vcorr与屈服强度Ys、直流杂散电流密DI度、土壤电导率λ间相关关系。通过拟合得到的关系表达式为：
[0061] Vcorr＝-4.4×10-3+4×10-4Ys+2.1×10-3DI+2.01×10-2λ (10)
[0062] 为了检验线性回归方程的有效性与
精度，利用F检验与标准差σ对回归方程进行分析。
[0063] (1)有效性检验：通常采用F检验来验证线性回归方程的有效性。取置信区间为1-σ＝0.95，若F>F1-σ，则认为Vcorr与λ、DI、YS显著线性相关。根据结果F＝197.7153，查表得F0.95(3,76)(2.68,2.76)，则F>F0.95，说明Vcorr与λ、DI、YS有显著的线性相关关系。
[0064] (2)相关系数R：相关系数R反映了因变量与自变量之间的相关程度大小。由R＝0.944可知，Vcorr与λ、DI、YS之间线性相关性极高。
[0065] 以上两种检验结果说明回归方程(10)是可靠的。从式(10)可知，土壤电导率λ、直流杂散电流密度DI对Vcorr的影响较大，应力对Vcorr的影响次之，在实际中，电导率与直流杂散电流密度直接相关，电导率对腐蚀速率的影响程度直接反映在杂散电流密度对腐蚀速率的影响程度。
[0066] 运用此方程能很好地预测X65管线钢腐蚀速率Vcorr与土壤电导率λ、直流杂散电流密度DI和所受应力之间的关系，并且能够直观地描述各参数之间的关系密切性。
[0067] 同理，可求出X70、X80管线钢在弹性形变范围内的腐蚀速率Vcorr与屈服强度YS、直流杂散电流密度DI、土壤电导率λ间相关关系分别为。
[0068] Vcorr＝-2.9×10-3+5.0×10-4Ys+1.3×10-3DI+1.99×10-2λ (11)[0069] Vcorr＝-3.1×10-3+1.4×10-3DI+3.0×10-4Ys+2.04×10-2λ (12)[0070] 经检验，上述表达式的显著性和精度符合要求。
[0071] 根据公式(10)、(11)、(12)对三种管材的埋地管道腐蚀速率进行预测，并根据评价指标对腐蚀速率危害性进行评价。
[0072] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
[0073] 本发明方法针对现有标准和评价方法对土壤腐蚀性、杂散电流干扰检测结果进行综合评价，实现了对管线应力状况进行评价，针对X70、X80、X100等高强钢管线得到直流杂散电流密度，并对腐蚀速率进行预测及对腐蚀程度进行评价，评价结果科学合理。
附图说明
[0074] 图1.1为本发明整体结构图，
[0077] 图3为应力状况评价流程图。
[0078] 图4为直流杂散电流干扰评价流程图。
[0079] 图5为土壤腐蚀性评价流程图。
[0080] 图6为腐蚀速率预测及评价流程图。
具体实施方式
[0081] 以下结合附图和
实施例对本发明作进一步详细说明。
[0082] 如图1.1-6所示，一种应力条件下油气管道用高强钢直流杂散电流腐蚀评价方法，该方法的实施步骤如下，
[0083] S1管线信息管理
[0084] 图1.1展示了应力条件下高强钢油气管道直流杂散电流腐蚀评价方法结构关系图。该方法工作流程图图1.2所示。管线信息包括管线基本信息、管线故障与维修信息、管线评价结果三部分。基本信息管理可对管道的基本信息、故障与维修记录进行录入、修改以及删除操作还可以输出管线的最终评价结果。管线信息管理可用框图2进行说明。
[0085] 管线基本信息包括管段名称、管段编号、使用单位、所属单位、检测单位、运行压力、管道埋深、管道外径、管道壁厚、管道材质、管材密度、管材电导率、防腐层状况、阴极保护状况。通过基本信息管理可对管线整体状况进行宏观认识，可对进一步的评价做好准备。
[0086] 故障与维修信息包括检测时间、故障点的位置、故障原因、维修时间、维修单位、维修措施。通过该信息可了解管线故障与维修的状况，并对将来可能发生故障的位置和危险程度进行初步预测。
[0087] 管线评价结果包括多因素腐蚀速率评价结果、单因素评价结果、综合评价结果。通过评价结果可对管线剩余寿命进行初步预测。
[0088] S2应力状况评价
[0089] 如图3为应力状况评价流程图，埋地高强钢管线所受应力可以抽象或分解为三向应力即径向、轴向、轴向，三向应力状态的三个主应力中，周向应力最大，径向应力最小，轴向应力介于二者之间。周向应力同轴向应力的比值最小为2，在管子内壁其比值永远大于2。为便于计算，本部分评价采用最大的周向应力作为埋地管线所受的主应力并进行危害性评价。
[0090] 埋地高强钢油气管道的直管段轴向应力可按下式计算：
[0091] σα＝Eα(t1-t2)+μσh (1)
[0092]
[0093] 式中，σα为由于内压和温度变化产生的轴向应力，负值为轴向压应力，正值5
为轴向拉应力，MPa；E为钢材的弹性模量，取2.05×10MPa；α为钢材的线膨胀系数，取-5
1.2×10 m/(m·℃)；t1为管道安装闭合时的大气温度，℃；t2为管道内被输送介质的温度，℃；μ为泊松比，取0.3；σk为内压产生的环向应力，MPa；P为管线的输送压力，MPa；d为管道的内直径，m；d为管道的公称壁厚，m。
[0094] 可计算管线所受周向应力为：
[0095]
[0096] 依现有技术方案，埋地输油管线要承受的应力为管线钢最小屈服强度40％，输气管线要承受的应力为管线钢最小屈服强度的70％。埋地高强钢油气管线直管段应力危害性评价如表1所示。
[0097] 表1 管线直管段应力危害性评价指标
[0098]
[0099] S3杂散电流干扰评价
[0100] 如图4所示为杂散电流干扰评价流程图
[0101] 杂散电流干扰分为直流干扰和交流干扰。
[0102] 干扰源侧调查内容一般包括：交直流铁路供电系统分布与运行情况、交直流铁路轨道电位分布与泄
漏电流趋向与地电位梯度、高压输电线路运行情况与线塔接地情况、构筑物阴极保护系统的电位分布、电车运行情况，以及其他需调查的内容。
[0103] 被干扰管道侧调查内容包括：腐蚀案例、交直流管地电位分布(包括沿管道的管地电位分布以及随时间变化的分布)、流入流出管道的干扰电流大小以及装置、管道沿线大地的的土壤电位梯度、管道阴保设施与排流设施运行参数与状况、管道与铁路之间的电压及方向。
[0104] 高强钢油气管道的直流干扰采用管道任一点上的管地电位较自然电位的偏移量来进行测量和评价；当难以测量时，采用管道附近土壤表面电位梯度来进行测量和评价；当电位偏移≥20mV或土壤表面电位梯度>0.5mV/m时，确认为有直流干扰；用电压降法计算管内ab段电流公式为：
[0105]
[0106] 式中，I为流过ab段的管内电流，mA；Vab为ab段电压，mV；D为管道外径，mm；δ2
为管道壁厚，mm；ρ为管材电阻率，Ω·mm/m；Lab为ab间的管道长度，m。
[0107] 涂层破损点面积公式：
[0108] S＝πd (5)
[0109] 式中，S为涂层破损点面积mm，d为破损点直径，m。
[0110] 评估的直流电流密度公式为：
[0111]
[0112] 干扰程度的评价见表2。
[0113] 表2 直流干扰程度评价指标
[0114]
[0115] 当管道任意点上的管地电位较自然电位正向偏移≥100mV或者管道附近土壤表面电位梯度>2.5mV/m，管道涂层破损点处直流杂散电流密度>20mA/m2应及时采取直流排流保护或其它防护措施。
[0116] S4土壤腐蚀性评价
[0117] 土壤腐蚀性包括土壤电阻率、氧化还原电位、管地电位、土壤pH值、土壤质地、土-壤含水率、土壤含盐量、土壤Cl 含量参数的测试，测试数据宜视不同季节分别给出，并据此对土壤腐蚀性做出评价。本评价方法考虑工程勘探中常用的土壤电阻率和pH值，并对这两项特性进行评价。该部分评价过程如图5所示。
[0118] 下表3为土壤电阻率评价指标。
[0119] 表3 土壤电阻率评价指标
[0120]
[0121] 下表4为土壤pH评价指标。
[0122] 表4 土壤pH值指标评价指标
[0123]
[0124] S5腐蚀速率预测及评价
[0125] 将检测到的土壤电导率、土壤pH值、计算得到的直流杂散电流密度和应力值，通过多元线性回归获得应力条件下高强钢油气管道直流杂散电流腐蚀速率与以上因素的数学关系，据此得到相应管材的腐蚀速率值，根据腐蚀速率进行危害性评价。该部分的流程图如图6所示。
[0126] S5.1管道腐蚀速率通常由电化学原理和失重法计算得出，基于电化学原理的腐蚀速率预测公式为：
[0127]
[0128] 式中，I—阳极电流强度，A；M—反应物质的摩尔质量，kg/mol；F—法拉第常数，96485C/mol；n—阳极金属化合价。
[0129] S5.2基于失重法的腐蚀速率计算公式如下：
[0130]
[0131] 式中，vcorr为试样腐蚀速率，单位为g/(m2·h)；W0为试样腐蚀前重量，单位为g；W2为试样腐蚀后重量，单位为g；A为试样暴露表面积，单位为m2；t为试样腐蚀时间，单位为h。
[0132] 也可用腐蚀深度来表征腐蚀速率的大小，其表达式为：
[0133]
[0134] 式中：Cr为年腐蚀速率，单位为mm/a；ρ为高强管线钢的密度，单位为g/cm3。
[0135] S5.3管道腐蚀速率与危害等级间的关系如表5所示，根据该表可对高强钢管线腐蚀速率进行评价。
[0136] 表5 基于腐蚀速率的危害性评价指标
[0137]
[0138] S5.4利用Matlab平台，采用多元线性回归分析方法求出X65管线钢在弹性形变范围内的腐蚀速率Vcorr与屈服强度Ys、直流杂散电流密DI度、土壤电导率λ间相关关系。通过拟合得到的关系表达式为：-3 -4 -3 -2
[0139] Vcorr＝-4.4×10 +4×10 Ys+2.1×10 DI+2.01×10 λ (10)
[0140] 为了检验线性回归方程的有效性与精度，利用F检验与标准差σ对回归方程进行分析。
[0141] (1)有效性检验：通常采用F检验来验证线性回归方程的有效性。取置信区间为1-σ＝0.95，若F>F1-σ，则认为Vcorr与λ、DI、YS显著线性相关。根据结果F＝197.7153，查表得F0.95(3,76)(2.68,2.76)，则F>F0.95，说明Vcorr与λ、DI、YS有显著的线性相关关系。
[0142] (2)相关系数R：相关系数R反映了因变量与自变量之间的相关程度大小。由R＝0.944可知，Vcorr与λ、DI、YS之间线性相关性极高。
[0143] 以上两种检验结果说明回归方程(10)是可靠的。从式(10)可知，土壤电导率λ、直流杂散电流密度DI对Vcorr的影响较大，应力对Vcorr的影响次之，在实际中，电导率与直流杂散电流密度直接相关，电导率对腐蚀速率的影响程度直接反映在杂散电流密度对腐蚀速率的影响程度。
[0144] 运用此方程能很好地预测X65管线钢腐蚀速率Vcorr与土壤电导率λ、直流杂散电流密度DI和所受应力之间的关系，并且能够直观地描述各参数之间的关系密切性。
[0145] 同理，可求出X70、X80管线钢在弹性形变范围内的腐蚀速率Vcorr与屈服强度YS、直流杂散电流密度DI、土壤电导率λ间相关关系分别为。-3 -4 -3 -2
[0146] Vcorr＝-2.9×10 +5.0×10 Ys+1.3×10 DI+1.99×10 λ (11)-3 -3 -4 -2
[0147] Vcorr＝-3.1×10 +1.4×10 DI+3.0×10 Ys+2.04×10 λ (12)
[0148] 经检验，上述表达式的显著性和精度符合要求。
[0149] 根据公式(10)、(11)、(12)对三种管材的埋地管道腐蚀速率进行预测，并根据评价指标对腐蚀速率危害性进行评价。
[0150] 综上所述，在高强钢管线弹性形变范围仅考虑应力、土壤电导率、杂散电流、
土壤酸碱度四因素时，杂散电流密度、土壤电导率对腐蚀速率的影响更为显著，应力对腐蚀速率的影响次之，土壤酸碱度对腐蚀速率的影响较小，这就要求工程技术人员在管道检测中对杂散电流和土壤电导率两因素要格外重视。
[0151] 该评价方法具有能够对高强钢管道受力状况、直流杂散电流干扰及土壤腐蚀性进行评价；能够对多因素影响下的腐蚀速率进行预测并结合评价指标给出评价结果；能够综合单因素评价和腐蚀速率评价结果得到综合评价结果；能够计算管线应力水平、直流杂散电流密度的功能。
