[发明专利]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

权利要求书

1.一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，其特征在于：该方法的实施步骤如下，

S1管线信息管理

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；基本信息管理能够对管道的基本信息、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；通过基本信息管理能够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；

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；

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；

S2应力状况评价

埋地高强钢管线所受应力抽象或分解为三向应力即径向、轴向、周向，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；

埋地高强钢油气管道的直管段轴向应力按下式计算：

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；σ_k为内压产生的环向应力，MPa；P为管线的输送压力，MPa；d₁为管道的内直径，m；δ₁为管道的公称壁厚，m；

计算管线所受周向应力为：

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

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；

表1管线直管段应力危害性评价指标

S3杂散电流干扰评价

杂散电流干扰分为直流干扰和交流干扰；

干扰源侧调查内容包括：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；

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、流入流出管道的干扰电流大小以及装置、管道沿线大地的土壤电位梯度、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；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；

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：

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

式中，I为流过ab段的管内电流，mA；V_ab为ab段电压，mV；D为管道外径，mm；δ₂为管道壁厚，mm；ρ₁为管材电阻率，Ω·mm²/m；L_ab为ab间的管道长度，m；

涂层破损点面积公式：

S＝π(d₂/2)²(5)

式中，S为涂层破损点面积，mm²，d₂为破损点直径，mm；

评估的直流杂散电流密度公式：

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

干扰程度的评价见表2；

表2直流干扰程度评价指标

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；

S4土壤腐蚀性评价

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；

下表3为土壤电阻率评价指标：

表3土壤电阻率评价指标

下表4为土壤pH评价指标：

表4土壤pH值指标评价指标

S5腐蚀速率预测及评价

将检测到的土壤电导率、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；

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：

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

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；

S5.2基于失重法的腐蚀速率计算公式如下：

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

式中，v_corr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；W₁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；

也能够用腐蚀深度来表征腐蚀速率的大小，其表达式为：

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

式中：C_r为年腐蚀速率，单位为mm/a；ρ₂为高强管线钢的密度，单位为g/cm³；

S5.3管道腐蚀速率与危害等级间的关系如表5所示，根据该表对高强钢管线腐蚀速率进行评价；

表5基于腐蚀速率的危害性评价指标

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V_corr与屈服强度Y_s、直流杂散电流密D_I、土壤电导率λ间相关关系；通过拟合得到的关系表达式为：

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

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；

(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>F_1-σ，则认为V_corr与λ、D_I、Y_S显著线性相关；根据结果F＝197.7153，查表得F_0.95(3,76)(2.68,2.76)，则F>F_0.95，说明V_corr与λ、D_I、Y_S有显著的线性相关关系；

(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，V_corr与λ、D_I、Y_S之间线性相关性极高；

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D_I对V_corr的影响较大，应力对V_corr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杂散电流密度对腐蚀速率的影响程度；

同理，求出X70、X80管线钢在弹性形变范围内的腐蚀速率V_corr与屈服强度Y_S、直流杂散电流密度D_I、土壤电导率λ间相关关系分别为：

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)

经检验，上述表达式的有效性和精度符合要求；

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。