應力條件下油氣管道用高強鋼直流雜散電流腐蝕評價方法
【專利摘要】一種應力條件下油氣管道用高強鋼直流雜散電流腐蝕評價方法，屬于油氣管道檢測與評價領域。該方法的實施步驟如下，S1管線信息管理；S2應力狀況評價；S3雜散電流干擾評價，雜散電流干擾分為直流干擾和交流干擾；S4土壤腐蝕性評價；S5腐蝕速率預測及評價，將檢測到的土壤電導率、土壤pH值、計算得到的直流雜散電流密度和應力水平進行處理得到腐蝕速率與以上因素的數(shù)學關系，進行腐蝕速率預測及評價。本發(fā)明方法針對現(xiàn)有標準和評價方法對土壤腐蝕性、雜散電流干擾檢測結果進行綜合評價，實現(xiàn)了對管線應力狀況進行評價，針對高強鋼管線得到直流雜散電流密度及應力水平，并對腐蝕速率進行預測及對腐蝕程度進行評價。
【專利說明】應力條件下油氣管道用高強鋼直流雜散電流腐蝕評價方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種應力條件下油氣管道用高強鋼直流雜散電流腐蝕評價方法，屬于 油氣管道檢測與評價領域。

【背景技術】
[0002] 管道運輸由于具有高效率、低成本、占地少、連續(xù)性強，并且不易受運輸周圍環(huán)境 的影響等優(yōu)勢，在能源供應、石油化工和居民生活系統(tǒng)中的應用越來越廣，并已成為油氣運 輸?shù)氖走x方案，被稱為國家的"生命線"。近年來，為了提高輸送效益、降低能耗，長距離管 線輸送正向大口徑、高壓力方向發(fā)展，這使得高強管線鋼廣泛的應用于長距離油氣輸送管 道。高強鋼管線運行過程中由于輸送壓力、土壤壓力、殘余應力等因素的存在不可避免的受 到應力的作用，同時直流牽引系統(tǒng)、高壓超高壓輸電系統(tǒng)、陰極保護系統(tǒng)等常與管線并行或 交叉敷設導致管中直流雜散電流產(chǎn)生。此外，管線所穿過的土壤環(huán)境本身也具有腐蝕性，因 此，多因素影響下的腐蝕問題嚴重威脅著埋地高強鋼管線的安全運行。
[0003] 目前，現(xiàn)有技術中還沒有專門針對應力條件下高強鋼油氣管線直流雜散電流腐蝕 的評價標準和方法，現(xiàn)有標準和評價方法如《GB/T19285-2003埋地鋼質管道腐蝕防護工程 檢驗》、《SY/T0087. 1-2006鋼質管道及儲罐腐蝕評價標準埋地鋼質管道外腐蝕直接評價》等 僅對土壤腐蝕性、雜散電流干擾檢測結果進行單一評價，未進行綜合評價，無法對管線應力 狀況進行評價，未針對X70、X80、X100等高強鋼管線，無法得到直流雜散電流密度，不能對 腐蝕速率進行預測及對腐蝕程度，評價結果不夠科學合理。因此，建立應力條件下油氣管道 用高強鋼直流雜散電流腐蝕評價方法已十分必要。


【發(fā)明內容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有的評價方法未考慮在役管線應力影響，不能對直流雜散電流密度進 行計算和評價，不能預測腐蝕速率，評價結果不科學等缺陷，本發(fā)明通過管線的基本信息、 管線故障與維修信息、評價結果對管線進行整體管理；利用多元線性回歸獲得應力條件下 高強鋼油氣管道直流雜散電流腐蝕速率與各種環(huán)境因素（土壤電導率、pH值、直流雜散電 流密度、應力水平）之間的數(shù)學關系，通過該關系預測高強鋼的腐蝕速率并對腐蝕速率危 害性進行評價；通過計算在役管線所受應力水平結合評價指標對管線應力狀況進行評價； 通過檢測獲得的土壤電導率和pH值并結合評價指標對土壤腐蝕性進行評價；通過調查雜 散電流干擾源、檢測管地電位偏移量或土壤表面電位梯度、計算直流雜散電流密度進行雜 散電流干擾評價并對管線陰極保護和排流作出指導。腐蝕速率預測及評價部分是該評價方 法的核心，應力狀況評價、土壤腐蝕性評價、雜散電流干擾評價是該評價方法的基礎，雜散 電流密度、應力水平的計算以及土壤電導率的檢測是該評價方法的關鍵點。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為一種應力條件下油氣管道用高強鋼直 流雜散電流腐蝕評價方法，該方法的實施步驟如下，
[0006] S1管線信息管理
[0007] 管線信息包括管線基本信息、管線故障與維修信息、管線評價結果三部分?；拘?息管理可對管道的基本信息、故障與維修記錄進行錄入、修改以及刪除操作還可以輸出管 線的最終評價結果。
[0008] 管線基本信息包括管段名稱、管段編號、使用單位、所屬單位、檢測單位、運行壓 力、管道埋深、管道外徑、管道壁厚、管道材質、管材密度、管材電導率、防腐層狀況、陰極保 護狀況。通過基本信息管理可對管線整體狀況進行宏觀認識，可對進一步的評價做好準備。
[0009] 故障與維修信息包括檢測時間、故障點的位置、故障原因、維修時間、維修單位、維 修措施。通過該信息了解管線故障與維修的狀況，并對將來可能發(fā)生故障的位置和危險程 度進行初步預測。
[0010] 管線評價結果包括多因素腐蝕速率評價結果、單因素評價結果、綜合評價結果。通 過評價結果對管線剩余壽命進行初步預測。
[0011] S2應力狀況評價
[0012] 埋地高強鋼管線所受應力可以抽象或分解為三向應力即徑向、軸向、軸向，三向應 力狀態(tài)的三個主應力中，周向應力最大，徑向應力最小，軸向應力介于二者之間。周向應力 同軸向應力的比值最小為2,在管子內壁其比值永遠大于2。為便于計算，本部分評價采用 最大的周向應力作為埋地管線所受的主應力并進行危害性評價。
[0013] 埋地高強鋼油氣管道的直管段軸向應力可按下式計算：
[0014] σ α = E a (tftj + y 〇 k (1)
[0015]

【權利要求】
1. 一種應力條件下油氣管道用高強鋼直流雜散電流腐蝕評價方法，其特征在于：該方 法的實施步驟如下， 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、管線評價結果三部分；基本信息管 理可對管道的基本信息、故障與維修記錄進行錄入、修改以及刪除操作還可以輸出管線的 最終評價結果； 管線基本信息包括管段名稱、管段編號、使用單位、所屬單位、檢測單位、運行壓力、管 道埋深、管道外徑、管道壁厚、管道材質、管材密度、管材電導率、防腐層狀況、陰極保護狀 況；通過基本信息管理可對管線整體狀況進行宏觀認識，可對進一步的評價做好準備； 故障與維修信息包括檢測時間、故障點的位置、故障原因、維修時間、維修單位、維修措 施；通過該信息了解管線故障與維修的狀況，并對將來可能發(fā)生故障的位置和危險程度進 行初步預測； 管線評價結果包括多因素腐蝕速率評價結果、單因素評價結果、綜合評價結果；通過評 價結果對管線剩余壽命進行初步預測； S2應力狀況評價 埋地高強鋼管線所受應力可以抽象或分解為三向應力即徑向、軸向、軸向，三向應力狀 態(tài)的三個主應力中，周向應力最大，徑向應力最小，軸向應力介于二者之間；周向應力同軸 向應力的比值最小為2,在管子內壁其比值永遠大于2 ;為便于計算，本部分評價采用最大 的周向應力作為埋地管線所受的主應力并進行危害性評價； 埋地高強鋼油氣管道的直管段軸向應力可按下式計算： σ α = Ea (t「t2) + y 〇 k (1)
Π 式中，σ α為由于內壓和溫度變化產(chǎn)生的軸向應力，負值為軸向壓應力，正值為軸向拉 應力，MPa ;Ε為鋼材的彈性模量，取2. 05Χ 105MPa ; α為鋼材的線膨脹系數(shù)，取1. 2Χ 10_5m/ 〇11*°〇山為管道安裝閉合時的大氣溫度，1：;〖2為管道內被輸送介質的溫度，1：0為 泊松比，取〇· 3 ; σ k為內壓產(chǎn)生的環(huán)向應力，MPa ;P為管線的輸送壓力，MPa ;d為管道的內 直徑，m ;d為管道的公稱壁厚，m ; 可計算管線所受周向應力為：
⑶ 依現(xiàn)有技術方案，埋地輸油管線要承受的應力為管線鋼最小屈服強度40%，輸氣管線 要承受的應力為管線鋼最小屈服強度的70% ;埋地高強鋼油氣管線直管段應力危害性評價 如表1所示； 表1管線直管段應力危害性評價指標
S3雜散電流干擾評價 雜散電流干擾分為直流干擾和交流干擾； 干擾源側調查內容一般包括：交直流鐵路供電系統(tǒng)分布與運行情況、交直流鐵路軌道 電位分布與泄漏電流趨向與地電位梯度、高壓輸電線路運行情況與線塔接地情況、構筑物 陰極保護系統(tǒng)的電位分布、電車運行情況，以及其他需調查的內容； 被干擾管道側調查內容包括：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、管道沿線大地的的土壤電位梯度、管道陰保設施與排流設施運行參數(shù)與 狀況、管道與鐵路之間的電壓及方向； 高強鋼油氣管道的直流干擾采用管道任一點上的管地電位較自然電位的偏移量來進 行測量和評價；當難以測量時，采用管道附近土壤表面電位梯度來進行測量和評價；當電 位偏移> 20mV或土壤表面電位梯度>0. 5mV/m時，確認為有直流干擾；用電壓降法計算管內 ab段電流公式為：
(4) 式中，I為流過ab段的管內電流，mA ;Vab為ab段電壓，mV ;D為管道外徑，mm ; δ為管 道壁厚，mm ; Ρ為管材電阻率，Ω · mm2/m ;Lab為ab間的管道長度，m ; 涂層破損點面積公式： S = π d (5) 式中，S為涂層破損點面積mm, d為破損點直徑，m ; 評估的直流電流密度公式為：
((> 干擾程度的評價見表2 ; 表2直流干擾程度評價指標
當管道任意點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，管道涂層破損點處直流雜散電流密度>20mA/m2應及時采取直流排流保護 或其它防護措施； S4 土壤腐蝕性評價 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、土壤質地、土壤含 水率、土壤含鹽量、土壤cr含量參數(shù)的測試，測試數(shù)據(jù)宜視不同季節(jié)分別給出，并據(jù)此對土 壤腐蝕性做出評價；本評價方法考慮工程勘探中常用的土壤電阻率和pH值，并對這兩項特 性進行評價； 下表3為土壤電阻率評價指標； 表3 土壤電阻率評價指標
下表4為土壤pH評價指標； 表4 土壤pH值指標評價指標
S5腐蝕速率預測及評價 將檢測到的土壤電導率、土壤pH值、計算得到的直流雜散電流密度和應力值，通過多 元線性回歸獲得應力條件下高強鋼油氣管道直流雜散電流腐蝕速率與以上因素的數(shù)學關 系，據(jù)此得到相應管材的腐蝕速率值，根據(jù)腐蝕速率進行危害性評價； S5. 1管道腐蝕速率通常由電化學原理和失重法計算得出，基于電化學原理的腐蝕速率 預測公式為：
(7) 式中，I一陽極電流強度，A ;M -反應物質的摩爾質量，kg/mol ;F -法拉第常數(shù)， 96485C/mol ；n一陽極金屬化合價； S5. 2基于失重法的腐蝕速率計算公式如下：
(8) 式中,為試樣腐蝕速率，單位為gAm2 ·1ι) 為試樣腐蝕前重量，單位為g ;W2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為試樣腐蝕時間，單位為h ; 也可用腐蝕深度來表征腐蝕速率的大小，其表達式為：
(9) 式中：?為年腐蝕速率,單位為mm/a ; P為高強管線鋼的密度,單位為g/cm3 ; S5. 3管道腐蝕速率與危害等級間的關系如表5所示，根據(jù)該表可對高強鋼管線腐蝕速 率進行評價； 表5基于腐蝕速率的危害性評價指標
S5. 4利用Matlab平臺，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 的腐蝕速率￥。。"與屈服強度Ys、直流雜散電流密01度、土壤電導率λ間相關關系；通過擬 合得到的關系表達式為： Vcorr = -4· 4X 1(Γ3+4Χ 10氣+2· IX 1(^+2. 01X 1(Γ2 λ (10) 為了檢驗線性回歸方程的有效性與精度，利用F檢驗與標準差〇對回歸方程進行分 析； (1) 有效性檢驗：通常采用F檢驗來驗證線性回歸方程的有效性；取置信區(qū)間為1-〇 =0. 95,若F>Fi_。，則認為Vra"與λ、DpYs顯著線性相關；根據(jù)結果F = 197. 7153,查表得 FQ.95(3, 76) (2. 68, 2. 76)，則F>Fa95，說明火。"與λ七、Ys有顯著的線性相關關系； (2) 相關系數(shù)R :相關系數(shù)R反映了因變量與自變量之間的相關程度大小；由R = 0. 944 可知，與λ、Dp Ys之間線性相關性極高； 以上兩種檢驗結果說明回歸方程（10)是可靠的；從式（10)可知，土壤電導率λ、直流 雜散電流密度Di對的影響較大，應力對火。"的影響次之，在實際中，電導率與直流雜散 電流密度直接相關，電導率對腐蝕速率的影響程度直接反映在雜散電流密度對腐蝕速率的 影響程度； 運用此方程能很好地預測Χ65管線鋼腐蝕速率火。"與土壤電導率λ、直流雜散電流密 度h和所受應力之間的關系，并且能夠直觀地描述各參數(shù)之間的關系密切性； 同理，可求出X70、X80管線鋼在彈性形變范圍內的腐蝕速率Vra"與屈服強度Ys、直流 雜散電流密度Di、土壤電導率λ間相關關系分別為； Vcorr = -2· 9Χ1(Γ3+5· 0X1(T4YS+1· 3X101^+1· 99Χ1(Γ2λ (11) Vcorr = -3. IX 10_3+1. 4Χ IO^Dj+3. ΟΧ 10_4Ys+2. 04Χ ΙΟ-2 λ (12) 經(jīng)檢驗，上述表達式的顯著性和精度符合要求； 根據(jù)公式（10)、（11)、（12)對三種管材的埋地管道腐蝕速率進行預測，并根據(jù)評價指 標對腐蝕速率危害性進行評價。
【文檔編號】G01N17/02GK104122196SQ201410334257
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權日:2014年7月15日
【發(fā)明者】王新華, 唐興華, 王翠, 周文清, 郭真真 申請人:北京工業(yè)大學