蘭志剛, 侯保榮, 宋積文, 陳勝利, 張 杰

（1. 中國科學(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. 中國科學(xué)院 研究生院, 北京 100039）

平臺鋼在海洋環(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. 中國科學(xué)院 研究生院, 北京 100039）

結(jié)合海洋平臺實測的pH值、溫度、溶解氧、鹽度、生物附著等數(shù)據(jù), 通過灰色關(guān)聯(lián)算法分析了海水腐蝕因子對平臺鋼腐蝕的影響, 并按實際影響大小進行了排序。結(jié)果表明海水腐蝕因子對于A537-1鋼和SM50B-ZC鋼平均腐蝕速率的影響主次順序不同。對平臺鋼的腐蝕規(guī)律研究及現(xiàn)場應(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)測一直是腐蝕領(lǐng)域中重要的研究內(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影響其他因素的數(shù)值, 因此很難區(qū)分每個因素的單獨作用?；疑P(guān)聯(lián)技術(shù)可以方便地對部分信息確定、部分信息不確定的系統(tǒng)進行分析, 進而確定各因素的影響大小, 因此可以用來分析各種海洋環(huán)境因子對金屬腐蝕的影響。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)測了碳鋼、低合金鋼在青島、廈門和榆林全浸區(qū)的海水腐蝕速率并研究了海水環(huán)境對腐蝕速率的影響。模型經(jīng)后驗差檢驗顯示有很好的精度, 通過灰色關(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]等對海水腐蝕的主要影響因素進行了分析預(yù)測。但是尚無針對海洋平臺區(qū)域的實測數(shù)據(jù)進行腐蝕因子的灰色關(guān)聯(lián)分析報道。作者利用海洋石油平臺在多個海區(qū)實測相關(guān)的腐蝕因子, 進行了灰色關(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)相對較少的幾何分析方法。它根據(jù)因素之間發(fā)展態(tài)勢的相似程度來衡量因素間關(guān)聯(lián)程度。它對樣本量的多少沒有過分要求, 也不需要典型的分布規(guī)律, 且計算量小。

設(shè)有m個與母序列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)量級差也是懸殊, 故對各原始數(shù)據(jù)進行變換, 消除量綱, 合并量級,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值

利用母序列和子序列的相對值計算各點上母序列和子序列差值的絕對值?i（k）,

計算各點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, 即認為子母因素之間有較強的關(guān)聯(lián); 如果 ri＞rj, 則認為 xi對 x0的關(guān)聯(lián)程度大于xj。關(guān)聯(lián)序是各子序列對母序列的關(guān)聯(lián)程度的大小排列, 從關(guān)聯(lián)序中可以看出: 同一母序列來講, 哪種因子的關(guān)聯(lián)度大, 則它對母序列的影響亦大; 反之,哪種因子的關(guān)聯(lián)度小, 則它對母序列的影響亦小。

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

試驗鋼種見表1。

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

在海洋石油平臺設(shè)計過程中, 平臺所在海區(qū)環(huán)境腐蝕要素, 海區(qū)污損生物生長范圍和厚度以及各種平臺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年代在南海多個海區(qū)利用浮標(biāo)技術(shù)開展了測量周期1 a的實海腐蝕掛片試驗和環(huán)境參數(shù)測量。利用2種鋼樣（鋼材成分見表1）以絕緣串掛方式進行掛片試驗, 試樣加工成 200 mm×100 mm×5 mm。每個鋼樣投放3個平行樣, 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）。同時利用HP-2型顛倒溫度計、HD-2型鹽度計、G3D型數(shù)字式pH計、賽克盤、水色計、直讀式海流計、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號鋼材相比, A537-1號鋼材腐蝕速率低。從表3的計算結(jié)果可以看出, 對于A537-1號鋼而言, 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; 而對于 SM50B-ZC號鋼而言, 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。

流速之所以會增加腐蝕速度, 是因為它的去極化作用。流動海水會破壞銹層和提供更多的氧。沖擊腐蝕會促使快速蝕穿, 空泡腐蝕損壞鋼露出新鮮的表面而進一步腐蝕。在作者的浮標(biāo)掛片試驗中, 這種影響不僅來自于平流, 還來自波浪影響浮標(biāo)上下運動引起對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, 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為, 在海水溶解氧達到一定濃度時的腐蝕電化學(xué)反應(yīng)過程中, 電極表面的擴散速度是反應(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散加快, 陰極和陽極的反應(yīng)產(chǎn)物向海水本體中擴散加速, 從而加劇鋼的腐蝕。

3 結(jié)論

本文以海洋平臺區(qū)域?qū)崪y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)境影響因子對海洋平臺鋼腐蝕的影響, 并按實際影響大小進行了排序。對各個影響因素的關(guān)聯(lián)度進行了分析, 結(jié)果表明對于A537-1號鋼而言, 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; 而對于SM50B-ZC號鋼而言, 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. 灰色理論對碳鋼、低合金鋼海水腐蝕的預(yù)測和分析[J]. 腐蝕與防護, 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)測及灰色關(guān)聯(lián)分析[J]. 腐蝕科學(xué)與防護技術(shù), 2006, 18（4）: 278-280.

[4] 楊曉明, 陳明文. 海水對金屬腐蝕因素的分析及預(yù)測[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報, 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目

蘭志剛（1963-）, 男, 山東青島人, 高級工程師, 中國科學(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, 中國工程院院士, 電話:0532-82898731, E-mail: baoronghou@qdio.ac.cn