[發(fā)明專利]應(yīng)力條件下油氣管道用高強(qiáng)鋼直流雜散電流腐蝕評(píng)價(jià)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410334257.0
• 申請(qǐng)日: 2014-07-15
• 公開（公告）號(hào): CN104122196B
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王新華;唐興華;王翠;周文清;郭真真
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N17/02
• 分類號(hào): G01N17/02;G01N27/04;G01N33/24
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11203
• 代理人: 沈波

1.一種應(yīng)力條件下油氣管道用高強(qiáng)鋼直流雜散電流腐蝕評(píng)價(jià)方法，其特征在于：該方法的實(shí)施步驟如下，

S1管線信息管理

管線信息包括管線基本信息、管線故障與維修信息、管線評(píng)價(jià)結(jié)果三部分；基本信息管理能夠?qū)艿赖幕拘畔ⅰ⒐收吓c維修記錄進(jìn)行錄入、修改以及刪除操作，還可以輸出管線的最終評(píng)價(jià)結(jié)果；

管線基本信息包括管段名稱、管段編號(hào)、使用單位、所屬單位、檢測(cè)單位、運(yùn)行壓力、管道埋深、管道外徑、管道壁厚、管道材質(zhì)、管材密度、管材電導(dǎo)率、防腐層狀況、陰極保護(hù)狀況；通過(guò)基本信息管理能夠?qū)芫€整體狀況進(jìn)行宏觀認(rèn)識(shí)，可對(duì)進(jìn)一步的評(píng)價(jià)做好準(zhǔn)備；

故障與維修信息包括檢測(cè)時(shí)間、故障點(diǎn)的位置、故障原因、維修時(shí)間、維修單位、維修措施；通過(guò)該信息了解管線故障與維修的狀況，并對(duì)將來(lái)可能發(fā)生故障的位置和危險(xiǎn)程度進(jìn)行初步預(yù)測(cè)；

管線評(píng)價(jià)結(jié)果包括多因素腐蝕速率評(píng)價(jià)結(jié)果、單因素評(píng)價(jià)結(jié)果、綜合評(píng)價(jià)結(jié)果；通過(guò)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)管線剩余壽命進(jìn)行初步預(yù)測(cè)；

S2應(yīng)力狀況評(píng)價(jià)

埋地高強(qiáng)鋼管線所受應(yīng)力抽象或分解為三向應(yīng)力即徑向、軸向、周向，三向應(yīng)力狀態(tài)的三個(gè)主應(yīng)力中，周向應(yīng)力最大，徑向應(yīng)力最小，軸向應(yīng)力介于二者之間；周向應(yīng)力同軸向應(yīng)力的比值最小為2，在管子內(nèi)壁其比值永遠(yuǎn)大于2；為便于計(jì)算，本部分評(píng)價(jià)采用最大的周向應(yīng)力作為埋地管線所受的主應(yīng)力并進(jìn)行危害性評(píng)價(jià)；

埋地高強(qiáng)鋼油氣管道的直管段軸向應(yīng)力按下式計(jì)算：

σ_α＝Eα(t₁-t₂)+μσ_k (1)

${\mathrm{\σ}}_k=\frac{{\mathrm{Pd}}_1}{2{\mathrm{\δ}}_1}---\left(2\right)$

式中，σ_α為由于內(nèi)壓和溫度變化產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，負(fù)值為軸向壓應(yīng)力，正值為軸向拉應(yīng)力，MPa；E為鋼材的彈性模量，取2.05×10⁵MPa；α為鋼材的線膨脹系數(shù)，取1.2×10^-5m/(m·℃)；t₁為管道安裝閉合時(shí)的大氣溫度，℃；t₂為管道內(nèi)被輸送介質(zhì)的溫度，℃；μ為泊松比，取0.3；σ_k為內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力，MPa；P為管線的輸送壓力，MPa；d₁為管道的內(nèi)直徑，m；δ₁為管道的公稱壁厚，m；

計(jì)算管線所受周向應(yīng)力為：

$\mathrm{\ζ}=2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}}=2E\mathrm{\α}(t_1-t_2)+\frac{{\mathrm{\μPd}}_1}{{\mathrm{\δ}}_1}---\left(3\right)$

依現(xiàn)有技術(shù)方案，埋地輸油管線要承受的應(yīng)力為管線鋼最小屈服強(qiáng)度40％，輸氣管線要承受的應(yīng)力為管線鋼最小屈服強(qiáng)度的70％；埋地高強(qiáng)鋼油氣管線直管段應(yīng)力危害性評(píng)價(jià)如表1所示；

表1管線直管段應(yīng)力危害性評(píng)價(jià)指標(biāo)

S3雜散電流干擾評(píng)價(jià)

雜散電流干擾分為直流干擾和交流干擾；

干擾源側(cè)調(diào)查內(nèi)容包括：交直流鐵路供電系統(tǒng)分布與運(yùn)行情況、交直流鐵路軌道電位分布與泄漏電流趨向與地電位梯度、高壓輸電線路運(yùn)行情況與線塔接地情況、構(gòu)筑物陰極保護(hù)系統(tǒng)的電位分布、電車運(yùn)行情況；

被干擾管道側(cè)調(diào)查內(nèi)容包括：腐蝕案例、交直流管地電位分布、流入流出管道的干擾電流大小以及裝置、管道沿線大地的土壤電位梯度、管道陰保設(shè)施與排流設(shè)施運(yùn)行參數(shù)與狀況、管道與鐵路之間的電壓及方向；交直流管地電位分布包括沿管道的管地電位分布以及隨時(shí)間變化的分布；

高強(qiáng)鋼油氣管道的直流干擾采用管道任一點(diǎn)上的管地電位較自然電位的偏移量來(lái)進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)；當(dāng)難以測(cè)量時(shí)，采用管道附近土壤表面電位梯度來(lái)進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)；當(dāng)電位偏移≥20mV或土壤表面電位梯度>0.5mV/m時(shí)，確認(rèn)為有直流干擾；用電壓降法計(jì)算管內(nèi)ab段電流公式：

$I=\frac{V_{ab}\·\mathrm{\π}(D-{\mathrm{\δ}}_2){\mathrm{\δ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1{L}_{ab}}---\left(4\right)$

式中，I為流過(guò)ab段的管內(nèi)電流，mA；V_ab為ab段電壓，mV；D為管道外徑，mm；δ₂為管道壁厚，mm；ρ₁為管材電阻率，Ω·mm²/m；L_ab為ab間的管道長(zhǎng)度，m；

涂層破損點(diǎn)面積公式：

S＝π(d₂/2)²(5)

式中，S為涂層破損點(diǎn)面積，mm²，d₂為破損點(diǎn)直徑，mm；

評(píng)估的直流雜散電流密度公式：

$D_I=\frac{V_{ab}\·(D-{\mathrm{\δ}}_2){\mathrm{\δ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1{(d_2/2)}^2{L}_{ab}}---\left(6\right)$

干擾程度的評(píng)價(jià)見(jiàn)表2；

表2直流干擾程度評(píng)價(jià)指標(biāo)

當(dāng)管道任意點(diǎn)上的管地電位較自然電位正向偏移≥100mV或者管道附近土壤表面電位梯度>2.5mV/m，管道涂層破損點(diǎn)處直流雜散電流密度>20mA/m²，應(yīng)及時(shí)采取直流排流保護(hù)或其它防護(hù)措施；

S4土壤腐蝕性評(píng)價(jià)

土壤腐蝕性包括土壤電阻率、氧化還原電位、管地電位、土壤pH值、土壤質(zhì)地、土壤含水率、土壤含鹽量、土壤Cl^-含量參數(shù)的測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)宜視不同季節(jié)分別給出，并據(jù)此對(duì)土壤腐蝕性做出評(píng)價(jià)；本評(píng)價(jià)方法考慮工程勘探中常用的土壤電阻率和pH值，并對(duì)這兩項(xiàng)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)；

下表3為土壤電阻率評(píng)價(jià)指標(biāo)：

表3土壤電阻率評(píng)價(jià)指標(biāo)

下表4為土壤pH評(píng)價(jià)指標(biāo)：

表4土壤pH值指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)

S5腐蝕速率預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)

將檢測(cè)到的土壤電導(dǎo)率、計(jì)算得到的直流雜散電流密度和應(yīng)力值，通過(guò)多元線性回歸獲得應(yīng)力條件下高強(qiáng)鋼油氣管道直流雜散電流腐蝕速率與以上因素的數(shù)學(xué)關(guān)系，據(jù)此得到相應(yīng)管材的腐蝕速率值，根據(jù)腐蝕速率進(jìn)行危害性評(píng)價(jià)；

S5.1管道腐蝕速率通常由電化學(xué)原理和失重法計(jì)算得出，基于電化學(xué)原理的腐蝕速率預(yù)測(cè)公式為：

$v_{corr}=\frac{M\·I}{F\·n}---\left(7\right)$

式中，I—陽(yáng)極電流強(qiáng)度，A；M—反應(yīng)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，kg/mol；F—法拉第常數(shù)，96485C/mol；n—陽(yáng)極金屬化合價(jià)；

S5.2基于失重法的腐蝕速率計(jì)算公式如下：

$v_{corr}=\frac{W_0-W_1}{A\·t}---\left(8\right)$

式中，v_corr為試樣腐蝕速率，單位為g/(m²·h)；W₀為試樣腐蝕前重量，單位為g；W₁為試樣腐蝕后重量，單位為g；A為試樣暴露表面積，單位為m²；t為試樣腐蝕時(shí)間，單位為h；

也能夠用腐蝕深度來(lái)表征腐蝕速率的大小，其表達(dá)式為：

$C_r=\frac{v_{corr}\×365\×24}{{10}^4{\mathrm{\ρ}}_2}\×10=\frac{8.76}{{\mathrm{\ρ}}_2}{v}_{corr}---\left(9\right)$

式中：C_r為年腐蝕速率，單位為mm/a；ρ₂為高強(qiáng)管線鋼的密度，單位為g/cm³；

S5.3管道腐蝕速率與危害等級(jí)間的關(guān)系如表5所示，根據(jù)該表對(duì)高強(qiáng)鋼管線腐蝕速率進(jìn)行評(píng)價(jià)；

表5基于腐蝕速率的危害性評(píng)價(jià)指標(biāo)

S5.4利用Matlab平臺(tái)，采用多元線性回歸分析方法求出X65管線鋼在彈性形變范圍內(nèi)的腐蝕速率V_corr與屈服強(qiáng)度Y_s、直流雜散電流密D_I、土壤電導(dǎo)率λ間相關(guān)關(guān)系；通過(guò)擬合得到的關(guān)系表達(dá)式為：

V_corr＝-4.4×10^-3+4×10^-4Y_s+2.1×10^-3D_I+2.01×10^-2λ(10)

為了檢驗(yàn)線性回歸方程的有效性與精度，利用F檢驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)差σ對(duì)回歸方程進(jìn)行分析；

(1)有效性檢驗(yàn)：通常采用F檢驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證線性回歸方程的有效性；取置信區(qū)間為1-σ＝0.95，若F>F_1-σ，則認(rèn)為V_corr與λ、D_I、Y_S顯著線性相關(guān)；根據(jù)結(jié)果F＝197.7153，查表得F_0.95(3,76)(2.68,2.76)，則F>F_0.95，說(shuō)明V_corr與λ、D_I、Y_S有顯著的線性相關(guān)關(guān)系；

(2)相關(guān)系數(shù)R：相關(guān)系數(shù)R反映了因變量與自變量之間的相關(guān)程度大小；由R＝0.944可知，V_corr與λ、D_I、Y_S之間線性相關(guān)性極高；

以上兩種檢驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明回歸方程(10)是可靠的；從式(10)可知，土壤電導(dǎo)率λ、直流雜散電流密度D_I對(duì)V_corr的影響較大，應(yīng)力對(duì)V_corr的影響次之，在實(shí)際中，電導(dǎo)率與直流雜散電流密度直接相關(guān)，電導(dǎo)率對(duì)腐蝕速率的影響程度直接反映雜散電流密度對(duì)腐蝕速率的影響程度；

同理，求出X70、X80管線鋼在彈性形變范圍內(nèi)的腐蝕速率V_corr與屈服強(qiáng)度Y_S、直流雜散電流密度D_I、土壤電導(dǎo)率λ間相關(guān)關(guān)系分別為：

V_corr＝-2.9×10^-3+5.0×10^-4Y_s+1.3×10^-3D_I+1.99×10^-2λ (11)

V_corr＝-3.1×10^-3+1.4×10^-3D_I+3.0×10^-4Y_s+2.04×10^-2λ (12)

經(jīng)檢驗(yàn)，上述表達(dá)式的有效性和精度符合要求；

根據(jù)公式(10)、(11)、(12)對(duì)三種管材的埋地管道腐蝕速率進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)腐蝕速率危害性進(jìn)行評(píng)價(jià)。