基于层次分析法的输气管道综合腐蚀行为研究

中国石油管道局工程有限公司

西气东输管线为我国战略性能源通道，已经建设至第三期，大多采用X70管线钢。管线西起塔里木盆地的轮南，东至上海，全长4 200 km，供气范围覆盖中原、华东、长江三角洲地区，具有输气管道口径大、距离长、跨度广等特点。长输天然气管道的腐蚀及防护工作已成为保障西气东输的重要内容之一，针对输气管道腐蚀防护，国内外研究者开展了大量的研究工作。秦风等介绍了埋地管道的失效原因以及各类检测方法的优缺点，并且提出了相应的防腐蚀措施[1]；柳华伟等以模糊数学理论为基础，结合管道的实际运营参数建立了模糊综合评价模型，评价了埋地管道腐蚀状况[2]；王洪志等介绍了输气管道外腐蚀检测技术在我国某管道上的应用实践，用多种间接检测方法和矩阵综合评价方法筛选直接开挖点[3]；杨晶华等介绍了吉林东大天然气管道防腐工艺措施，提出了一系列的防腐方式[4]。总体来看，诸多的输气管道腐蚀及防护研究，大都侧重于管道内外腐蚀检测、室内试样挂片腐蚀分析以及防腐措施的完善，对于长输管道综合腐蚀情况分析评价有待进一步研究[5-8]。本文以西气东输输气管道为实例，分析了管道穿越区现场不同土壤环境下管道的真实腐蚀情况，利用数学建模理论进行层次分析（AHP）建模，可为判别输气管道沿线腐蚀情况及腐蚀防护措施的制定提供借鉴。

1 层次分析法

层次分析法计算步骤如下[9]：

（1）确定问题，构建物理模型并收集数据。

（2）依次构建最高层（目标层）、中间层（准则层）、最低层（方案层）的层次结构模型。

（3）两两比较打分，确定下层对上层的分数。

准则层中的各准则在目标衡量中所占的比重并不一定相同，在决策者的心目中，它们各占有一定的比例。用数字1～9及其倒数作为标度来定义判断矩阵A=(aij)n×n（表1）。

表1 判断矩阵标度定义Tab.1 Scaling definition of judgment matrix

（4）一致性检验。计算一致性指标CI

式中：λmax为判断矩阵的最大特征值。

查找一致性指标RI，计算一致性比例CR

当CR＜0.10时，认为通过了一次性检验，否则应做适当修正。

（5）计算权重向量Wi。层次分析法有几种计算方法求权重：算术平均法、几何平均法、特征向量法。本文选用几何平均法（方根法）。

几何平均法求权重公式为

计算步骤：①A的元素按行相乘得一新向量；②将新向量的每个分量开n次方；③将所得向量归一化即为权重向量。

2 不同土壤环境的管道腐蚀情况

（1）宁夏中卫中性土壤。通过某阴极防腐站实地土壤X70钢挂片埋藏试验及其上报的数据可知，挂片埋藏60天内腐蚀一直在发生，且速率变化未达到稳定值，其腐蚀情况与温度升高成正比。根据当前已有数据整理后暂时认定为：环境温度45 ℃、10%含水率条件下的土壤中，埋藏至15天时X70钢挂片腐蚀率最大，但后续如继续埋藏则腐蚀仍然进行。

（2）江西樟树酸性土壤。酸性土壤会导致钢结构的多种腐蚀，其中应力腐蚀开裂（SCC）最具代表性，裂纹扩展机制多为穿晶裂纹。根据某阴极防腐站实地土壤X70钢挂片埋藏结果来看，土壤环境含水率与腐蚀速率成正比，当土壤达到最高饱和含水率时其腐蚀速率最大。金属表面腐蚀情况由点蚀发展至局部环状腐蚀最后发展至全面均匀腐蚀，据核算，该站点实地土壤情况下13%含水率时腐蚀情况达到顶峰。

（3）大港滨海盐碱土壤。碱性土壤环境下的腐蚀情况会因为不同盐碱类型而产生细微变化，从大港滨海盐碱土壤X70钢腐蚀情况上报数据可以看出，土壤含水率为发生腐蚀的主导性因素，其中土壤含水率达到25%时腐蚀速率最大。从挂片腐蚀形貌可以看出，当含水率在25%以下时挂片表面显示为局部腐蚀，当含水率达到30%时表面腐蚀转变为均匀腐蚀。

（4）库尔勒盐碱土。在西北内陆碱性土壤环境中，库尔勒盐碱土极具代表性。其中该区域X70钢耐腐蚀程度较好，腐蚀主要由Cl-及全盐含量主导，含水量只对早期腐蚀发展产生一定的影响，但总体影响不大，更不会对腐蚀产物的化学结构及其元素构成造成影响。通过挂片腐蚀形貌特征来看，早期以点状腐蚀为主，随后开始纵/横向的腐蚀性扩散，其中横向发展较快，其腐蚀产物主要为氧化铁产物，偶见氯化铁产物，状态显疏松。

通过对上述西气东输沿线各站点不同土壤环境X70钢真实腐蚀情况进行收集，运用层次分析法建立相应数学模型进行权重化分析，进而进行综合腐蚀研究性预测。综合腐蚀行为结构模型如图1所示。

3 模拟仿真

综合腐蚀行为分析各判断矩阵如表2～表13所列。通过以上西气东输各种土壤类型实地腐蚀性对比可知，酸性、碱性土壤相对中性土壤具有一定腐蚀性，而酸性土壤相对碱性土壤腐蚀性稍强，所以进行矩阵构造时需要两两打分，结果如表2所示。

图1 X70钢综合腐蚀行为结构模型Fig.1 Structural model of comperehensive corrosion behavior of X70 steel

表2 矩阵A 运算Tab.2 Operation of matrix A

通过酸性土壤环境下真实X70钢管网腐蚀情况可得，江苏南京段腐蚀情况相比江西樟树段略微严重，所以两两对比打分设为2，稍微重要，如表3所示。

表3 矩阵B1 运算Tab.3 Operation of matrix B1

通过江苏南京段腐蚀情况反馈结果进行该段酸性土壤环境下各腐蚀因素两两对比。其中土壤环境含水率与腐蚀速率成正比，当土壤达到最高饱和含水率时其腐蚀速率最大。酸性土壤环境下含水率腐蚀与交流电腐蚀占主导地位，其中氯离子、含水率、交流电对于腐蚀发生有互助作用。通过现场反馈结果，江苏南京段腐蚀主要由含水率造成，其中氯离子有促进作用，所以依次进行相关性打分。而硫酸盐还原菌（SRB）作用尚不明确，但也不能排除其对腐蚀的影响，所以暂时将其设定为最弱，与交流电对腐蚀影响贡献相当，如表4所示。

通过江西樟树段腐蚀情况反馈结果进行该段酸性土壤环境下各腐蚀因素两两对比。酸性土壤环境下含水率腐蚀与交流电腐蚀占主导地位，其中氯离子、含水率、交流电对于腐蚀发生有互助作用。与江苏南京段腐蚀情况略微不同的是，江西段酸性土壤环境下的X70钢应力腐蚀开裂与外加电位有关。若环境中外加电位强，则裂尖（或点蚀坑底）与非裂尖区受阳极控制力度大，发生应力腐蚀开裂概率低。当电位持续降低时，X70钢腐蚀受混合电极作用，裂尖与非裂尖区分别受阳/阴阳极过程控制，所以暂且判定交流电对腐蚀影响贡献较大，依旧判定SRB细菌作用尚不明确，且SRB作用/交流电权重打分为1/3，含水率/交流电为2，氯离子/交流电为1/2。其余判定含水率与氯离子腐蚀贡献相当，对比结果为1，而SRB作用/含水率为1/3；SRB作用/氯离子为1/2区别对待，最终形成的矩阵构造如表5所示。

表4 矩阵C1运算Tab.4 Operation of matrix C1

表5 矩阵C2运算Tab.5 Operation of matrix C2

通过碱性土壤环境下真实X70钢管网腐蚀情况可得，大港滨海段腐蚀情况相比库尔勒段略微严重，所以两两对比打分设为2，稍微重要，如表6所示。

表6 矩阵B2运算Tab.6 Operation of matrix B2

对碱性土壤中大港滨海段海洋气候土壤环境下各腐蚀因素两两对比，其中海洋环境碱性土壤环境中腐蚀情况会因为不同盐碱类型而产生细微变化。在此对比判定时认定为土壤含水率与离子活跃程度对腐蚀发生贡献率较高，所以设SRB作用/含水率为1/3，SRB作用/氯离子为1/2，同样不否认土壤SRB作用对腐蚀有一定影响，但因现场上报数据及试验手段影响，未对该因素产生有效描述。为区别对待，设SRB作用/交流电权重打分为1。通过现场试验数据可知，X70钢在大港滨海盐渍土中随着含水率增加自腐蚀电位负移，倾向增加，电极表面状态稳定时间缩短，腐蚀电流密度随含水率的增加呈抛物线趋势（先增后减）。可见交流电与含水率在一定范围内进行交叉互促影响，所以设含水率/交流电权重为1。氯离子相对含水率与交流电对腐蚀发生影响有限，故含水率/氯离子为2，氯离子/交流电设为1/2，最终形成的矩阵构造如表7所示。

表7 矩阵C3运算Tab.7 Operation of matrix C3

对碱性土壤中西北干旱地区库尔勒段土壤环境下各腐蚀因素两两对比。由于该地区较为干旱，所以含水率只对早期腐蚀发展产生一定影响，该区域X70钢耐腐蚀程度较好，腐蚀主要由Cl-及全盐含量主导。所以设含水率/氯离子为1/3，含水率/交流电为3，最后设氯离子/交流电为3。同样根据上报数据和现场试验设施现状无法进行SRB腐蚀作用测定，所以设SRB作用/含水率为1，最终形成的矩阵构造如表8所示。

表8 矩阵C4运算Tab.8 Operation of matrix C4

通过中性土壤环境下真实X70钢管网腐蚀情况可得，同种土壤环境及气候条件下的宁夏中卫段与甘肃酒泉段X70钢挂片腐蚀程度相当，所以两两对比打分设为1，如表9所示。

表9 矩阵B3运算Tab.9 Operation of matrix B3

对典型西北中性土壤环境下宁夏中卫段各腐蚀因素两两对比。首先根据该站上报腐蚀数据综合分析得知，宁夏中卫中性土壤矿物质含量有限，且土壤较为干燥，电化学腐蚀与离子作用影响较弱。该种环境下土壤在20%含水率时腐蚀作用反而相对较小，而当地干旱少雨气候常导致土壤含水在10%左右。所以认定该地含水率对其腐蚀发生贡献率最大，设SRB作用/含水率和SRB作用/交流电权重打分为1/2，SRB作用/氯离子和含水率/氯离子权重打分为1，含水率/交流电权重打分为3，氯离子/交流电权重打分为2，最终形成的矩阵构造如表10所示。

表10 矩阵C5运算Tab.10 Operation of matrix C5

由于中性土壤气候环境大同小异，其土壤腐蚀特征相当。为区别对待，在甘肃酒泉段中性土壤环境矩阵构造下略微修改权重比值，在此不一一介绍该矩阵构造思路，如表11所示。

表11 矩阵C6运算Tab.11 Operation of matrix C6

通过一致性检测，以上矩阵构造准确无误，一致性检测通过，数模可行。综上所述，其X70钢管线在实际土壤环境中的腐蚀影响有着权重性先后次序。以西气东输管网为例，其腐蚀行为影响因素权重从大到小排列顺序为：含水率D2、氯离子D3、交流电D4、SRB作用D1。其在不同土壤环境下腐蚀程度排序为：酸性土壤环境B1、碱性土壤环境B2、中性土壤环境B3（表12、表13）。所以下步应针对不同土壤环境下的腐蚀影响细则进行腐蚀性影响因素预测，并以此制定相应防腐措施，综合保护管网。

表12 中间层权重排序Tab.12 Intermediate weight ranking

表13 方案层权重排序Tab.13 Schemes layer weight ranking

在酸性土壤中，各方案层中的因素灵敏度分析预测曲线斜率较为平稳。唯独D2显现为活跃灵敏度变化，且随酸性土壤环境的变化，含水率呈正相关性，进一步证明酸性土壤环境下含水率对于腐蚀的贡献大。而D3在酸性土壤环境下对腐蚀影响呈负相关，且与D2呈线性反向变化，证明当含水率增加到一定程度时其D3对于腐蚀影响贡献率低。而D1和D4在酸性土壤腐蚀过程中的灵敏度表现不活跃，所以一直对整个腐蚀行为产生贡献，周期性长但显著性不明显，可与其他腐蚀影响因素发生交互作用，共同促进腐蚀的发生。值得注意的是D3和D4在全过程预测中有点交互现象，而进一步研究可以看出，D4在中性土壤中对腐蚀贡献成弱递减趋势，说明离子增加与否对于电化学腐蚀影响不显著，反而是D2线性变化与D4的腐蚀贡献率表现相当，进一步证明含水对于腐蚀发生的首要贡献性（图2）。

图2 酸性土壤灵敏度分析预测曲线Fig.2 Prediction curve of sensitivity analysis for acidic soil

在碱性土壤中，各方案层中的因素灵敏度分析预测曲线斜率较为平稳。唯独D2和D3显现为活跃灵敏度变化，且呈负相关性。在碱性土壤环境中，含水率对腐蚀影响越来越小，而D3越来越大。进一步证明碱性土壤环境下腐蚀发生主要由D3及全盐含量主导，而随着含水率的变化而变化，说明含水率与氯离子存在具有负相关性。而D1和D4在碱性土壤腐蚀过程中的灵敏度表现不活跃，所以一直对整个腐蚀行为产生贡献，周期性长但显著性不明显，可和其他腐蚀影响因素发生交互作用，共同促进腐蚀的发生。值得注意的是，离子活动和电化学反应息息相关，所以氯离子对于腐蚀的贡献在碱性土壤中会和交流电化学反应产生交互促进（图3）。

在中性土壤中，除了D1线性斜率平稳，对腐蚀影响较低但存在于全过程外，其余各方案层中的因素灵敏度分析预测曲线斜率都较为显著。首先可以看出D2和D3在全腐蚀预测中发生了一次点状交互，证明在中性土壤中的腐蚀贡献率最高点并不是单一线性的。通过以上真实腐蚀研究情况，宁夏中卫中性土壤中，根据当前已有数据整理后暂时认定为，环境温度为45 ℃的10%含水条件下的土壤中，埋藏至15天X70钢挂片腐蚀率最大，说明预测模型可行。而进一步研究可以看出，D4在中性土壤中对腐蚀贡献呈弱递减趋势，说明离子增加与否对于电化学腐蚀影响不显著，反而是D2线性变化与D4的腐蚀贡献率表现相当。进一步证明含水对于腐蚀发生的首要贡献性（图4）。

图3 碱性土壤灵敏度分析预测曲线Fig.3 Prediction curve for sensitivity analysis of alkaline soil

图4 中性土壤灵敏度分析预测曲线Fig.4 Prediction curve for sensitivity analysis of neutral soil

4 结论

从西气东输各站点实地腐蚀研究情况可以看出，腐蚀的发生需要多重因素的共同促进，且真实土壤环境下的腐蚀情况更为复杂。通过数据收集与AHP建模可以得出：在不同土壤环境下管道腐蚀程度大小排序为酸性土壤环境、碱性土壤环境、中性土壤环境。以西气东输管网为例，其腐蚀行为影响因素权重从大到小排列顺序为含水率、氯离子、交流电、SRB作用。