埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)分析*

朱慶杰 胡士明 陳艷華 李雪 趙炫皓 萬(wàn)永華

1常州大學(xué)石油工程學(xué)院

2華北理工大學(xué)地震工程研究中心

埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕是指土壤的不同組分和性質(zhì)對(duì)埋地天然氣管網(wǎng)產(chǎn)生的腐蝕破壞現(xiàn)象，它是導(dǎo)致埋地天然氣管網(wǎng)泄漏的重要原因之一[1]。埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕主要有土壤電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕、微生物腐蝕和雜散電流腐蝕[2]。由于土壤的組分和性質(zhì)比較復(fù)雜，致使埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的影響因素較多，主要包括電阻率、氧化還原電位、含水量、含鹽量、土壤pH值[3]。本文將造成埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的五種主要因素與地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合，建立五種影響因子的風(fēng)險(xiǎn)隸屬度函數(shù)，并運(yùn)用層次分析法（AHP）計(jì)算出其權(quán)重系數(shù)，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)圖像[4-5]。

1 土壤腐蝕影響因素

某埋地天然氣管網(wǎng)如圖1所示，由中壓A級(jí)PE管以及中壓B級(jí)PE管組成，其鋪設(shè)在人口密集的城區(qū)地下且分布密集，使埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)十分復(fù)雜。五類影響因素會(huì)導(dǎo)致埋地天然氣管網(wǎng)發(fā)生爆炸、泄漏等一系列問題[6]，直接影響著埋地天然氣管網(wǎng)的安全使用和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[7]。

圖1 某埋地天然氣管網(wǎng)Fig.1 A buried natural gas pipeline network

（1）電阻率是反映土壤腐蝕性等級(jí)最重要的參數(shù)，體現(xiàn)土壤的導(dǎo)電性能。

（2）氧化還原電位體現(xiàn)了土壤氧化還原程度的強(qiáng)度。當(dāng)氧化還原電位高時(shí)，表明土壤體系通氣性較好，氧化性強(qiáng)；當(dāng)氧化還原電位低時(shí)，表明氧化劑占的比例小，土壤體系通氣性較差，氧化性差，使管壁因失去電子而造成腐蝕。

（3）含水量代表了土壤的物理性質(zhì)，水分的存在使土壤成為電解質(zhì)，造成電化學(xué)腐蝕。在臨界濕度之前，土壤的腐蝕性隨著濕度的增加而增加；當(dāng)濕度大于臨界濕度值時(shí)，含水量的增加會(huì)引起其他因素改變，土壤的腐蝕性隨著濕度的增加而降低。當(dāng)土壤中含有適當(dāng)?shù)暮亢脱鯐r(shí)，氧的去極化作用增強(qiáng)，土壤的腐蝕性相應(yīng)增強(qiáng)[8]。

（4）土壤中的鹽分參與土壤腐蝕介質(zhì)的導(dǎo)電過程和電化學(xué)反應(yīng)，土壤中的含鹽量和腐蝕性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤的腐蝕性隨著土壤中含鹽量的增大而降低。Cl-是土壤破壞金屬鈍性的一種陰離子，腐蝕性極強(qiáng)；且Cl-的存在會(huì)促進(jìn)SO42-和HCO3

-對(duì)管壁的點(diǎn)蝕作用，含量越高，土壤的電阻率就越小，土壤對(duì)管道的腐蝕性也就越強(qiáng)。

（5）土壤pH值是土壤的酸堿性強(qiáng)弱指標(biāo)，酸性土壤對(duì)管道的腐蝕最強(qiáng)，中性、堿性土壤的腐蝕性依次減弱。pH值會(huì)對(duì)金屬的電極電位產(chǎn)生影響，pH值越低，H+在酸性土壤中的去極化能力越強(qiáng)，管道表面對(duì)金屬管壁起保護(hù)作用的鈍化膜不易產(chǎn)生，因而土壤腐蝕性就越強(qiáng)。因此，可以通過測(cè)定pH值來判定土壤的腐蝕性[9]。

2 土壤腐蝕綜合風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

權(quán)重線性組合法（WLC）是一種基于多準(zhǔn)則條件下的決策評(píng)價(jià)方法，它賦予每一個(gè)影響因素不同的權(quán)重系數(shù)，乘以各影響因素分別對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行求和就可以生成埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)圖像。其權(quán)重線性組合法的土壤腐蝕綜合風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型用公式（1）表示

式中：R為風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果；wi為土壤腐蝕中各影響因素之間的權(quán)重系數(shù)；xi為土壤腐蝕中各影響因素的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

在土壤腐蝕風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)過程中，通過賦予各影響因素一定的權(quán)重系數(shù)來定量表示該影響因素的重要性程度，權(quán)重系數(shù)的確定方法通常為主觀想法以及專家評(píng)定，具有主觀性；但在某些情況下決策者根據(jù)實(shí)際情況，借助數(shù)學(xué)方法進(jìn)行主觀判斷，也具有客觀性[10-11]。權(quán)重系數(shù)的確定在某種程度上會(huì)決定決策者的判斷是否合理正確。因此，具有嚴(yán)格的邏輯性數(shù)學(xué)方法是確定權(quán)重系數(shù)的最佳方法，使權(quán)重系數(shù)更具有客觀性，符合客觀事實(shí)[12-13]。

確定權(quán)重系數(shù)的數(shù)學(xué)方法較多，有學(xué)者利用專家評(píng)估法、層次分析法、序列綜合法和德爾菲法分別對(duì)幾個(gè)城市的發(fā)展水平進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)層次分析法不僅計(jì)算量小，花費(fèi)的時(shí)間短，而且計(jì)算出的權(quán)重系數(shù)更準(zhǔn)確；因此，通常使用層次分析法計(jì)算權(quán)重系數(shù)。

3 各影響因素的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的五種主要影響因素建立了五個(gè)風(fēng)險(xiǎn)隸屬度函數(shù)，通過風(fēng)險(xiǎn)隸屬度函數(shù)計(jì)算各影響因素的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

3.1 電阻率

當(dāng)土壤電阻率低于5 Ω·m時(shí)，該區(qū)域處于高腐蝕區(qū)；當(dāng)電阻率處于5～20 Ω·m時(shí)，該區(qū)域處于稍高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；當(dāng)電阻率處于20～500 Ω·m時(shí)，該區(qū)域處于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；當(dāng)電阻率處于50～150 Ω·m時(shí)，該區(qū)域處于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，電阻率越小，該區(qū)域越危險(xiǎn)。研究區(qū)塊中大部分區(qū)域位于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，因此，選擇呈下降趨勢(shì)的隸屬函數(shù)，取點(diǎn)a=0、b=20、 c=50、d=150（Ω·m）。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（2）所示，其函數(shù)圖像如圖2所示。

圖2 土壤電阻率風(fēng)險(xiǎn)隸屬度函數(shù)Fig.2 Risk membership function of soil resistivity

3.2 氧化還原電位

當(dāng)土壤氧化還原電位低于100 mV時(shí)，該區(qū)域處于高腐蝕區(qū)；當(dāng)氧化還原電位處于100～200 mV時(shí)，該區(qū)域處于稍高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；當(dāng)氧化還原電位處于200～400 mV時(shí)，該區(qū)域處于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；當(dāng)氧化還原電位處于400～500 mV時(shí)，該區(qū)域處于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，氧化還原電位越小，該區(qū)域越危險(xiǎn)。研究區(qū)塊中大部分區(qū)域位于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和稍高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，因此，其隸屬函數(shù)曲線呈下降趨勢(shì)，取點(diǎn)a=0、b=100、c=200、d=500（mV）。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（3）所示，其函數(shù)圖像如圖3所示。hi=0.000 2x2-0.603 2x+255 （3）

圖3 土壤氧化還原電位風(fēng)險(xiǎn)隸屬度函數(shù)Fig.3 Risk membership function of soil redox potential

3.3 含水量

當(dāng)土壤含水量低于7%時(shí)，該區(qū)域處于低腐蝕區(qū)；當(dāng)含水量處于7%～10%時(shí)，該區(qū)域處于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；當(dāng)含水量處于10%～12%時(shí)，該區(qū)域處于較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；當(dāng)含水量處于12%～25%時(shí)，該區(qū)域處于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，含水量越高，該區(qū)域越危險(xiǎn)。研究區(qū)塊中大部分區(qū)域位于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和稍高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，因此，其隸屬函數(shù)曲線呈上升趨勢(shì)，取點(diǎn)a=0、b=10、c=12、 d=25。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（4）所示，其函數(shù)圖像如圖4所示。

圖4 土壤含水量風(fēng)險(xiǎn)隸屬度函數(shù)Fig.4 Risk membership function of soil water content

3.4 含鹽量

當(dāng)土壤含鹽量低于0.01%時(shí)，該區(qū)域處于低腐蝕區(qū)；當(dāng)含鹽量處于0.01%～0.05%時(shí)，該區(qū)域處于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；當(dāng)含鹽量處于0.05%～0.1%時(shí)，該區(qū)域處于稍高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；當(dāng)含鹽量處于0.1%～0.75%時(shí)，該區(qū)域處于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，含鹽量越高，該區(qū)域越危險(xiǎn)。研究區(qū)塊中大部分區(qū)域位于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和稍高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，因此，其隸屬函數(shù)曲線呈上升趨勢(shì)，取點(diǎn)a=0、 b=0.05、 c=0.10、 d=0.75。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（5）所示，其函數(shù)圖像如圖5所示。

圖5 土壤含鹽量風(fēng)險(xiǎn)隸屬度函數(shù)Fig.5 Risk membership function of soil salt content

3.5 土壤pH值

經(jīng)調(diào)查研究，土壤pH值在4.1～10.4之間。當(dāng)土壤pH值小于4.5時(shí)，該區(qū)域處于極強(qiáng)腐蝕區(qū)；當(dāng)土壤pH值處于4.5～5.5時(shí)，該區(qū)域處于強(qiáng)腐蝕區(qū)；當(dāng)土壤pH值處于5.5～7時(shí)，該區(qū)域處于中等腐蝕區(qū)；當(dāng)土壤pH值處于7～8.5時(shí)，該區(qū)域處于弱腐蝕區(qū)；當(dāng)土壤pH值大于8.5時(shí)，該區(qū)域處于極弱腐蝕區(qū)。研究區(qū)塊中大部分區(qū)域位于中等腐蝕區(qū)，因此，其隸屬函數(shù)曲線呈下降趨勢(shì)，取點(diǎn)a=4、b=4.5、 c=7、 d=10.5。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（6）所示，其函數(shù)圖像如圖6所示。

圖6 土壤pH值風(fēng)險(xiǎn)隸屬度函數(shù)Fig.6 Risk membership function of soil pH value

4 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)隸屬度函數(shù)，采用層次分析法的1～9標(biāo)度法，綜合考慮各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子對(duì)土壤腐蝕的影響程度，構(gòu)建五種土壤腐蝕因子的判斷矩陣，并對(duì)各土壤腐蝕因子的相對(duì)重要性進(jìn)行比較判定[14]，如表1所示。

表1 五種土壤腐蝕因子的相對(duì)重要性比較Tab.1 Comparison of the relative importance of five soil corrosion factors

將判斷矩陣的下三角值輸入到WEIGHT模塊，計(jì)算土壤腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重及其一致性比率。電阻率、氧化還原電位、含水量、含鹽量、土壤pH值的準(zhǔn)則權(quán)重依次為0.261 5、0.063 4、0.033 3、0.129 0、0.512 8，一致性比率為0.05，小于0.1，因此認(rèn)為該判斷矩陣是可靠的。

確定了各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子的準(zhǔn)則權(quán)重后，埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的綜合風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型如公式（7）所示

式中：R為風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果；di為土壤電阻率的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)；hi為土壤氧化還原電位的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)；si為土壤含水量的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)；yi為土壤含鹽量的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)； pi為土壤pH值的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

依據(jù)公式（7）計(jì)算得到埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)圖像，如圖7所示。

圖7 某埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.7 Risk prediction results of soil corrosion in a buried natural gas pipeline network

由圖7可知，土壤腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)性是從中部地區(qū)向四周擴(kuò)散，最危險(xiǎn)區(qū)域位于東南方向，風(fēng)險(xiǎn)值超過120，而其周圍的風(fēng)險(xiǎn)值都處于偏高狀態(tài)；因此，應(yīng)該采取有效措施來降低這些區(qū)域的安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，北部和西部地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)值維持在50左右，相對(duì)比較安全。

在今后的管道鋪設(shè)過程中，應(yīng)盡量避開風(fēng)險(xiǎn)程度較高的區(qū)域，并采取防腐措施，比如陰極保護(hù)、管道內(nèi)外壁刷防腐涂料等，進(jìn)一步促使埋地天然氣管網(wǎng)平穩(wěn)安全發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

詳細(xì)分析了某埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的五種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子：電阻率、氧化還原電位、含水量、含鹽量、土壤pH值。根據(jù)各個(gè)影響因素的風(fēng)險(xiǎn)隸屬度函數(shù)，計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，借助層次分析法構(gòu)建了判斷矩陣，計(jì)算出五種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子的準(zhǔn)則權(quán)重，最后得到某埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果。根據(jù)某埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果，確定高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)位于東南區(qū)域，應(yīng)采取必要措施來保障埋地天然氣管網(wǎng)的安全運(yùn)行。