牙哈装车南站土壤腐蚀性评价

王 东，廖柯熹，李月霄，徐继承

（1.西南石油大学 石油与天然气工程学院，成都610500；2.塔里木油田公司油气运销部，库尔勒841000）

原油储罐是油库中储存原油的重要设备。由于储罐在生产运行的过程当中，储罐底板经常要受到内、外环境介质的腐蚀，这些腐蚀严重影响了储罐的使用寿命和安全运行，严重时会造成油品泄露带来巨大的经济损失，影响正常的生产秩序，将会对环境造成严重的污染，甚至在某些情况下会引发火灾与爆炸，造成人员伤亡等重大事故。对于罐底板腐蚀比较严重的储油罐，5～7年就会发生不同程度的腐蚀穿孔而需要维修补强或更换底板。储罐的安全、稳定运行对整个站场的长期正常运行起着十分重要的作用。

一般原油储罐的外底板是储罐腐蚀最严重的部位［1］。造成储罐外底板腐蚀的因素也有很多种，其中土壤腐蚀、细菌腐蚀最为常见。土壤是一种复杂的多相非均匀体系，影响土壤腐蚀性的因素有土壤电阻率、pH、含水率、总含盐量、氧化还原电位、氯离子、硫酸根离子含量等。氯离子容易吸附在罐底板腐蚀缺陷部位，与金属形成氯化物，造成罐底板处点蚀。点蚀处与点蚀外部形成微电池，进一步加速腐蚀速度，使腐蚀更加严重［2］。土壤中含有水分，适合细菌等微生物生存，其中硫酸盐还原菌（Sulfate-Reducing Bacteria，简称SRB）对储罐外底板腐蚀起着重要的作用，这种微生物可以在无氧或极少氧情况下，将硫酸盐还原成硫化氢，生成硫化亚铁，由于该氧化还原反应消耗了金属腐蚀反应生成的氢原子，所以加速了储罐外底板的腐蚀［3］。土壤对储罐底板外侧的腐蚀严重威胁站内储罐的安全生产运行，有可能造成严重的环境污染和非常大的经济损失。所以应加强站场内土壤腐蚀性的研究，以便采取相应的防腐蚀措施。利用SPSS软件对测试的数据进行处理，采用主分量方法，在众多腐蚀因素中排除掉含重复信息或有误差的数据，找到最佳的关键因素组合对管道土壤腐蚀进行准确评价。

1 站场概况

牙哈装车南站是一个集塔里木油田凝析油、液化气、轻烃储存与销售于一体的综合性储运站库，站内有3座1×104m3的凝析油罐，2座2 200m3的消防水罐。所有储罐都采取外加强制电流保护方式。

2 评价方法

2.1 主成分分析法

主成分分析利用降维思想，把多指标转化为少数几个综合指标［4-6］。为全面、系统地分析问题，在土壤腐蚀性究中，需考虑影响土壤腐蚀性的土壤电阻率、pH、含水率、总含盐量、氧化还原电位、氯离子、硫酸根离子含量等因素。根据现场测试数据与实验室土壤理化性质试验数据为信息量基础，为减小分析问题的复杂性，从众多影响腐蚀的因素中剔除含重复信息或测量误差太大的因素，找到最佳的关键因素组合［7］，得到土壤腐蚀性的控制因素，利用控制因素对土壤腐蚀性进行评价。

2.2 主成分分析数学模型

假设有m个样本，每个样本共有n个指标描述，这样构成了一个m×n的数据资料矩阵X。

其矩阵元素xij代表第i个样本的第j个指标值。为了消除不同单位的影响，使各个指标具有可比性，以利于主分量的含义解释，对原始数据进行标准化处理：

标准化后矩阵：

首先求解协方差：

求出斜方差矩阵C的特征值λij，以及相应的特征向量v（i），由特征向量构成正交矩阵V。

使新的变量y1，y2，…，yn两两不相关。

前面p个主分量y1，y2，…，yp，（p＞n）的方差占总方差的百分比：

当ρ的贡献率大到满足条件（如，ρ≥0.75以上），前p个主分量就能够替代n个变量，并且原来n个变量的信息基本能够保留。前p个主分量y1，y2，…，yp称之为公共因子。通常情况下，公共因子包含前两个主分量就能够达到要求［8］。

下式称之为变量的公共性：

hj反映变量j重要性程度。对m个变量的公共性进行比较，找出作用大的那一个变量。每个变量的权重就是该变量公共性的方根hj，从而构成一个综合指标，能够判断土壤腐蚀性强弱［9］：

式中：zj为标准化之后的用样本表示的某样本的第j种测值；hj为第j种参数的权重。

根据式（8）可以得出站内土壤腐蚀性的综合指标，并可以进行比较和评价。

3 SPSS软件主分量法计算与分析

通过运用SPSS软件可以对多种土壤腐蚀因素的数据进行主成分分析计算［10-12］。

在采集土样过程中，应开挖取样坑，尽量采集靠近金属构筑物的土壤，同时埋设检查片。用主成分分析法处理站场内的土壤腐蚀数据时，在储罐周围和站内埋地管线密集区域采集18个土壤样本，每个样本测出6个理化性质参数数据，构成一个18×6的数据矩阵X，其矩阵元素xij代表第i个样本的第j个指标值。

如表1所示，其中6、9、15、18号取样点的土壤电阻率明显小于其他取样点土壤的电阻率。发现以上4处土壤都比较湿润。土壤中含水率越高，土壤电阻率越小，说明含水率高是影响以上4处土壤电阻率较低的原因。

表1 储罐底板腐蚀速率与影响因素数据Tab.1 Data of tank bottom corrosion rate and influencing factors

用SPSS统计分析软件处理数据矩阵。将表1中所列的土壤电阻率、氧化还原电位、氯离子含量、硫酸根离子含量、pH、含水量等6个参数的18组数据进行标准化处理，构成6个参数的标准化矩阵Z，它的元素如表2所示。

对矩阵Z进行主分量分析，求出Z的协方差矩阵的特征值λi（i＝1，2，…6），计算结果如表3所示。

由表3可知，特征值λ1＝1.959，λ2＝1.344，λ3＝1.128，第一、二、三主分量占总方差的相对贡献为76.850%，因此可以把第一、二、三主分量作为公共因子。6个参数在第一、二、三公共因子上的载荷向量如表4所示。

根据初始载荷因子矩阵中的两列数据，通过SPSS计算，可以得到对应于特征值λ1、λ2、λ3特征向量vi（i＝1，2，…6）。如表5所示。

表2 标准化矩阵Z元素分布表Tab.2 Standardization of matrix elements of Z distribution table

表3 方差分解主成分提取分析表Tab.3 Variance decomposition principal component extraction analysis table

表4 初始因子载荷矩阵Tab.4 The initial factor loading matrix

经过计算可分别得到土壤电阻率、氧化还原电位、氯离子含量、硫酸根离子含量、pH、含水量等6个变量的公共性：h1＝0.63，h2＝0.70，h3＝0.84，h4＝0.59，h5＝0.75，h6＝0.69。

表5 一、二、三主分量相对应的特征向量Tab.5 The first and second principal components corresponding eigenvectors

因此，构造牙哈装车南站土壤腐蚀性的综合指标：

由于主分量法计算出来的土壤腐蚀综合指标还需要标准规范去衡量土壤腐蚀的强弱，因此以中国腐蚀与防护协会制定的单因素腐蚀等级评价指标为基础（表6），代入主分量分析法评价模型，通过计算得到主分量法土壤腐蚀等级的评价标准（表7）［13-14］。

表6 单因素的腐蚀评价等级对应指标Tab.6 Corrosion evaluation level corresponding to a single factor index

表7 主分量法土壤腐蚀性等级综合评价标准Tab.7 Principal component method of soil corrosion grade comprehensive evaluation standard

采用规格为50mm×25mm×5mm的Q235钢试片，按照SY／T 0029-1998规范的要求，采用埋片失重法，埋设1个月后，测得不同土壤样品中检查片的腐蚀速率：

式中：W为检查片的失重；A为检查片的暴露面积；t为检查片埋设时间。

根据《材料土壤腐蚀试验方法》，将我国土壤腐蚀性划分为5级标准，如表8所示。

表8 土壤腐蚀分级表Tab.8 Soil corrosion grades

将经过标准化处理的单因素腐蚀评价等级指标和18组土壤的标准化值（矩阵Z）分别代入上述表达式，可以得到主分量法土壤腐蚀等级综合评价标准和土壤各样本综合指标评价值，评价结果如表9所示。

表9 牙哈装车南站主分量法土壤腐蚀性评价Tab.9 Principal component method of soil corrosion evaluation of Yaha loading south station

通过对比可以发现，利用主分量法对牙哈装车南站土壤腐蚀等级评价准确率达到了77.8%，说明主分量法对于土壤腐蚀等级评价是有效的。

4 结论

（1）根据影响牙哈装车南站土壤腐蚀的关键因素，建立了基于主分量分析法的腐蚀分析数学模型。

（2）对于影响牙哈装车南站土壤腐蚀性因素中，土壤电阻率、氧化还原电位与氯离子含量是影响其腐蚀的主要因素。

（3）建立的土壤腐蚀性等级综合评价标准能够比较准确的预测土壤腐蚀等级，评价效果较好。

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