平臺(tái)鋼在海洋環(huán)境中腐蝕因子的灰色關(guān)聯(lián)分析

蘭志剛, 侯保榮, 宋積文, 陳勝利, 張 杰

（1. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司北京分公司, 北京 100027;3. 中國(guó)科學(xué)院 研究生院, 北京 100039）

平臺(tái)鋼在海洋環(huán)境中腐蝕因子的灰色關(guān)聯(lián)分析

蘭志剛1,2,3, 侯保榮1, 宋積文2, 陳勝利2, 張 杰2

（1. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司北京分公司, 北京 100027;3. 中國(guó)科學(xué)院 研究生院, 北京 100039）

結(jié)合海洋平臺(tái)實(shí)測(cè)的pH值、溫度、溶解氧、鹽度、生物附著等數(shù)據(jù), 通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)算法分析了海水腐蝕因子對(duì)平臺(tái)鋼腐蝕的影響, 并按實(shí)際影響大小進(jìn)行了排序。結(jié)果表明海水腐蝕因子對(duì)于A537-1鋼和SM50B-ZC鋼平均腐蝕速率的影響主次順序不同。對(duì)平臺(tái)鋼的腐蝕規(guī)律研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了可參考的依據(jù)。

灰色關(guān)聯(lián)分析; 腐蝕因子; 海洋腐蝕

腐蝕因子分析及腐蝕預(yù)測(cè)一直是腐蝕領(lǐng)域中重要的研究?jī)?nèi)容[1]。在海洋環(huán)境中, 金屬的腐蝕受到各種環(huán)境因素, 如海水溫度、溶解氧含量、鹽度、pH值、生物活性等的影響。由于海水環(huán)境中許多因素之間是相互聯(lián)系的, 其中某一因素變化會(huì)影響其他因素的數(shù)值, 因此很難區(qū)分每個(gè)因素的單獨(dú)作用?；疑P(guān)聯(lián)技術(shù)可以方便地對(duì)部分信息確定、部分信息不確定的系統(tǒng)進(jìn)行分析, 進(jìn)而確定各因素的影響大小, 因此可以用來(lái)分析各種海洋環(huán)境因子對(duì)金屬腐蝕的影響。王海濤等[2,3]應(yīng)用灰色理論中的 GM（1,1）灰色模型和灰色關(guān)聯(lián)分析預(yù)測(cè)了碳鋼、低合金鋼在青島、廈門(mén)和榆林全浸區(qū)的海水腐蝕速率并研究了海水環(huán)境對(duì)腐蝕速率的影響。模型經(jīng)后驗(yàn)差檢驗(yàn)顯示有很好的精度, 通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析建立的海水環(huán)境和腐蝕速率關(guān)聯(lián)度顯示, 海水腐蝕的主要影響因素是溶解氧濃度、pH值和平均鹽度。楊曉明[4]等對(duì)海水腐蝕的主要影響因素進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)。但是尚無(wú)針對(duì)海洋平臺(tái)區(qū)域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行腐蝕因子的灰色關(guān)聯(lián)分析報(bào)道。作者利用海洋石油平臺(tái)在多個(gè)海區(qū)實(shí)測(cè)相關(guān)的腐蝕因子, 進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)分析。

1 海洋環(huán)境中腐蝕因子的灰色關(guān)聯(lián)分析的研究方法

灰色關(guān)聯(lián)度理論是一種利用數(shù)據(jù)相對(duì)較少的幾何分析方法。它根據(jù)因素之間發(fā)展態(tài)勢(shì)的相似程度來(lái)衡量因素間關(guān)聯(lián)程度。它對(duì)樣本量的多少?zèng)]有過(guò)分要求, 也不需要典型的分布規(guī)律, 且計(jì)算量小。

設(shè)有m個(gè)與母序列x0有一定關(guān)聯(lián)作用的子序列（x1, x2,…, xm）它們有N組數(shù)據(jù)或序列。其中母序列表示為 x0（k）, 式中k=1, 2,…, N; 子序列表示為 xi（k）,式中k=1, 2,…, N; i=1, 2,…, m。對(duì)上述數(shù)據(jù)序列作均值化處理, 求得:

因各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)量綱不同, 數(shù)量級(jí)差也是懸殊, 故對(duì)各原始數(shù)據(jù)進(jìn)行變換, 消除量綱, 合并量級(jí),使其具有可比性, 則將原始母序列和子序列變換為母序列和子序列的相對(duì)值

利用母序列和子序列的相對(duì)值計(jì)算各點(diǎn)上母序列和子序列差值的絕對(duì)值?i（k）,

計(jì)算各點(diǎn)母序列與子序列的關(guān)聯(lián)系數(shù):

式中 ρ為分辨系數(shù), 0＜ρ＜1。各子序列和母序列之間的關(guān)聯(lián)度為:

通常情況下 ri＞0.6, 即認(rèn)為子母因素之間有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián); 如果 ri＞rj, 則認(rèn)為 xi對(duì) x0的關(guān)聯(lián)程度大于xj。關(guān)聯(lián)序是各子序列對(duì)母序列的關(guān)聯(lián)程度的大小排列, 從關(guān)聯(lián)序中可以看出: 同一母序列來(lái)講, 哪種因子的關(guān)聯(lián)度大, 則它對(duì)母序列的影響亦大; 反之,哪種因子的關(guān)聯(lián)度小, 則它對(duì)母序列的影響亦小。

2 海洋環(huán)境中腐蝕因子的灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

試驗(yàn)鋼種見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)鋼材的化學(xué)成分Tab. 1 The chemical components of steel sample

在海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中, 平臺(tái)所在海區(qū)環(huán)境腐蝕要素, 海區(qū)污損生物生長(zhǎng)范圍和厚度以及各種平臺(tái)鋼耐腐蝕性能等資料是必不可少的參數(shù)。為此, 20世紀(jì)80年代和90年代在南海多個(gè)海區(qū)利用浮標(biāo)技術(shù)開(kāi)展了測(cè)量周期1 a的實(shí)海腐蝕掛片試驗(yàn)和環(huán)境參數(shù)測(cè)量。利用2種鋼樣（鋼材成分見(jiàn)表1）以絕緣串掛方式進(jìn)行掛片試驗(yàn), 試樣加工成 200 mm×100 mm×5 mm。每個(gè)鋼樣投放3個(gè)平行樣, 獲得了鋼樣在表層全浸區(qū)（海平面下 2 m 處）的平均腐蝕速度（表2）。同時(shí)利用HP-2型顛倒溫度計(jì)、HD-2型鹽度計(jì)、G3D型數(shù)字式pH計(jì)、賽克盤(pán)、水色計(jì)、直讀式海流計(jì)、溶解氧儀獲得了相應(yīng)海區(qū)的溫度、鹽度、pH、透明度、水色、海流流速、溶解氧、生物附著等腐蝕環(huán)境參數(shù)（表 3）。其中站位 B1（108°35′00″E,21°00′12″N）、B2（109°00′00″E, 20°40′00″N）是指北部灣海區(qū), Y1（108°49′18″E, 18°08′48″N）、Y2（109°06′47″E,17°48′00″N）指鶯歌海海區(qū), Z1（115°36′29″E,20°41′34″N）指 珠 江 口 海 區(qū) , W1（112°19′55″E, 19°40′39″N）、 J1（115°36′29″E, 20°41′34″N）指文昌海區(qū)。

表2 不同站位全浸區(qū)腐蝕速率統(tǒng)計(jì)Tab. 2 Statistics of corrosion rates in submerged zone at different sites

表3 全浸區(qū)平均腐蝕速率與腐蝕環(huán)境參數(shù)灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果Tab. 3 Grey relation analysis between mean corrosion rates and marine environmental factors in submerged zone at different sites

現(xiàn)以上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本, 用灰色關(guān)聯(lián)方法研究溫度、鹽度、pH、透明度、水色、海流流速, 溶解氧, 生物附著對(duì)A537-1和SM50B-ZC兩種不同鋼樣腐蝕率的影響程度。分析中, 以兩種鋼樣的平均腐蝕率為母序列, 以上述環(huán)境因子位子序列。將表2、表3的數(shù)據(jù)代入上述灰色關(guān)聯(lián)計(jì)算公式可以算出腐蝕速率與不同海洋腐蝕環(huán)境參數(shù)之間關(guān)聯(lián)度（表3）。

從表2看出, 與SM50B-ZC號(hào)鋼材相比, A537-1號(hào)鋼材腐蝕速率低。從表3的計(jì)算結(jié)果可以看出, 對(duì)于A537-1號(hào)鋼而言, 影響平均腐蝕速率的環(huán)境因子主次順序依次為: 流速、水溫、生物附著、溶解氧、pH、鹽度、透明度、水色; 而對(duì)于 SM50B-ZC號(hào)鋼而言, 影響平均腐蝕速率的環(huán)境因子主次順序依次為: 水溫、溶解氧、生物附著、pH、鹽度、流速、水色、透明度。

流速之所以會(huì)增加腐蝕速度, 是因?yàn)樗娜O化作用。流動(dòng)海水會(huì)破壞銹層和提供更多的氧。沖擊腐蝕會(huì)促使快速蝕穿, 空泡腐蝕損壞鋼露出新鮮的表面而進(jìn)一步腐蝕。在作者的浮標(biāo)掛片試驗(yàn)中, 這種影響不僅來(lái)自于平流, 還來(lái)自波浪影響浮標(biāo)上下運(yùn)動(dòng)引起對(duì)試樣垂直方向上的作用。北部灣海區(qū)腐蝕速度較小與其風(fēng)浪較小, 垂直方向的沖擊小有一定的關(guān)系。

從以上測(cè)得的腐蝕數(shù)據(jù)還可以看出, 北部灣B2站海水溶解氧比鶯歌海 Y1站大, 海水溫度比 Y1低,鋼的平均腐蝕率也比Y1小。由此可見(jiàn), 鋼的平均腐蝕率并不隨氧的濃度變化而變化, 而是隨著海水溫度降低而減小?？梢哉J(rèn)為, 在海水溶解氧達(dá)到一定濃度時(shí)的腐蝕電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中, 電極表面的擴(kuò)散速度是反應(yīng)速度的阻滯步驟, 也是反應(yīng)速度的控制步驟。海水溫度升高不僅使電極反應(yīng)速度加快, 并且使氧向陰極表面擴(kuò)散加快, 陰極和陽(yáng)極的反應(yīng)產(chǎn)物向海水本體中擴(kuò)散加速, 從而加劇鋼的腐蝕。

3 結(jié)論

本文以海洋平臺(tái)區(qū)域?qū)崪y(cè)的pH值、溫度、溶解氧、鹽度、生物附著等海洋環(huán)境因子, 利用灰色關(guān)聯(lián)技術(shù)分析了上述環(huán)境影響因子對(duì)海洋平臺(tái)鋼腐蝕的影響, 并按實(shí)際影響大小進(jìn)行了排序。對(duì)各個(gè)影響因素的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行了分析, 結(jié)果表明對(duì)于A537-1號(hào)鋼而言, 影響平均腐蝕速率的環(huán)境因子主次順序依次為: 流速、水溫、生物附著、溶解氧、pH、鹽度、透明度、水色; 而對(duì)于SM50B-ZC號(hào)鋼而言, 影響平均腐蝕速率的環(huán)境因子主次順序依次為: 水溫、溶解氧、生物附著、pH、鹽度、流速、水色、透明度。

[1] Cottis R A, Turega M. Neural Network Applications in Corrosion Engineering[M]. Chicago: Engineering Books Inc., 1993. 201-204

[2] 王海濤, 韓恩厚, 柯偉. 灰色理論對(duì)碳鋼、低合金鋼海水腐蝕的預(yù)測(cè)和分析[J]. 腐蝕與防護(hù), 2005, 26（9）:373-374.

[3] 王海濤, 韓恩厚, 柯偉. 碳鋼、低合金鋼大氣腐蝕的灰色模型預(yù)測(cè)及灰色關(guān)聯(lián)分析[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù), 2006, 18（4）: 278-280.

[4] 楊曉明, 陳明文. 海水對(duì)金屬腐蝕因素的分析及預(yù)測(cè)[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 21（2）: 185-187.

Received: May, 4, 2010

Key words:grey relation analysis; corrosion indicator, marine corrosion

Abstract:Influence of marine corrosion indicators on platform steel was studied by grey relation analysis based on in-situ measured pH, temperature, dissolved oxygen, salinity, and bio-fouling. The relation was arranged by actual effects. The results show that the influence orders of marine corrosion indicators on corrosion for A537-1 and SM50B-ZC are difference. Our results are useful to understand the corrosion behavior of marine platform steel.

（本文編輯:劉珊珊）

Grey relation analysis of steel corrosion and marine environmental factors

LAN Zhi-gang1,2,3, HOU Bao-rong1, SONG Ji-wen2, CHEN Sheng-li2, ZHANG Jie2
（1. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. CNOOC Energy Technology & Services Limited, Beijing Branch, Beijing 100027, China; 3. Graduate School, the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China）

TG174

A

1000-3096（2010）11-0069-03

2010-05-04;

2010-08-24

海洋石油總公司綜合科研項(xiàng)目

蘭志剛（1963-）, 男, 山東青島人, 高級(jí)工程師, 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所在讀博士, 從事海洋工程環(huán)境和海洋工程防腐工作, E-mail:lanzhg@cnooc.com.cn; 侯保榮, 通信作者, 中國(guó)工程院院士, 電話:0532-82898731, E-mail: baoronghou@qdio.ac.cn