朱慶杰 胡士明 陳艷華 李雪 趙炫皓 萬永華

1常州大學石油工程學院

2華北理工大學地震工程研究中心

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)對埋地天然氣管網(wǎng)產(chǎn)生的腐蝕破壞現(xiàn)象，它是導致埋地天然氣管網(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腐蝕、化學腐蝕、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險隸屬度函數(shù)，并運用層次分析法（AHP）計算出其權(quán)重系數(shù)，再根據(jù)計算結(jié)果得到埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的風險預測圖像[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PE管以及中壓B級PE管組成，其鋪設在人口密集的城區(qū)地下且分布密集，使埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的風險十分復雜。五類影響因素會導致埋地天然氣管網(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最重要的參數(shù)，體現(xiàn)土壤的導電性能。

（2）氧化還原電位體現(xiàn)了土壤氧化還原程度的強度。當氧化還原電位高時，表明土壤體系通氣性較好，氧化性強；當氧化還原電位低時，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；當濕度大于臨界濕度值時，含水量的增加會引起其他因素改變，土壤的腐蝕性隨著濕度的增加而降低。當土壤中含有適當?shù)暮亢脱鯐r，氧的去極化作用增強，土壤的腐蝕性相應增強[8]。

（4）土壤中的鹽分參與土壤腐蝕介質(zhì)的導電過程和電化學反應，土壤中的含鹽量和腐蝕性呈負相關(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；且Cl-的存在會促進SO42-和HCO3

-對管壁的點蝕作用，含量越高，土壤的電阻率就越小，土壤對管道的腐蝕性也就越強。

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

2 土壤腐蝕綜合風險預測

權(quán)重線性組合法（WLC）是一種基于多準則條件下的決策評價方法，它賦予每一個影響因素不同的權(quán)重系數(shù)，乘以各影響因素分別對應的風險指標，對得到的結(jié)果進行求和就可以生成埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的風險預測圖像。其權(quán)重線性組合法的土壤腐蝕綜合風險預測模型用公式（1）表示

式中：R為風險預測結(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險指標。

在土壤腐蝕風險預測過程中，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定，具有主觀性；但在某些情況下決策者根據(jù)實際情況，借助數(shù)學方法進行主觀判斷，也具有客觀性[10-11]。權(quán)重系數(shù)的確定在某種程度上會決定決策者的判斷是否合理正確。因此，具有嚴格的邏輯性數(shù)學方法是確定權(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[12-13]。

確定權(quán)重系數(shù)的數(shù)學方法較多，有學者利用專家評估法、層次分析法、序列綜合法和德爾菲法分別對幾個城市的發(fā)展水平進行了綜合評價，發(fā)現(xiàn)層次分析法不僅計算量小，花費的時間短，而且計算出的權(quán)重系數(shù)更準確；因此，通常使用層次分析法計算權(quán)重系數(shù)。

3 各影響因素的風險指標計算

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風險隸屬度函數(shù)，通過風險隸屬度函數(shù)計算各影響因素的風險指標。

3.1 電阻率

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

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

3.2 氧化還原電位

當土壤氧化還原電位低于100 mV時，該區(qū)域處于高腐蝕區(qū)；當氧化還原電位處于100～200 mV時，該區(qū)域處于稍高風險區(qū)；當氧化還原電位處于200～400 mV時，該區(qū)域處于中風險區(qū)；當氧化還原電位處于400～500 mV時，該區(qū)域處于低風險區(qū)，氧化還原電位越小，該區(qū)域越危險。研究區(qū)塊中大部分區(qū)域位于高風險區(qū)和稍高風險區(qū)，因此，其隸屬函數(shù)曲線呈下降趨勢，取點a=0、b=100、c=200、d=500（mV）。其數(shù)學表達式如式（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險隸屬度函數(shù)Fig.3 Risk membership function of soil redox potential

3.3 含水量

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

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

3.4 含鹽量

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

圖5 土壤含鹽量風險隸屬度函數(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。當土壤pH值小于4.5時，該區(qū)域處于極強腐蝕區(qū)；當土壤pH值處于4.5～5.5時，該區(qū)域處于強腐蝕區(qū)；當土壤pH值處于5.5～7時，該區(qū)域處于中等腐蝕區(qū)；當土壤pH值處于7～8.5時，該區(qū)域處于弱腐蝕區(qū)；當土壤pH值大于8.5時，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，取點a=4、b=4.5、 c=7、 d=10.5。其數(shù)學表達式如式（6）所示，其函數(shù)圖像如圖6所示。

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

4 風險預測結(jié)果

根據(jù)風險隸屬度函數(shù)，采用層次分析法的1～9標度法，綜合考慮各風險評價因子對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，并對各土壤腐蝕因子的相對重要性進行比較判定[14]，如表1所示。

表1 五種土壤腐蝕因子的相對重要性比較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，計算土壤腐蝕風險評價因子的權(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，因此認為該判斷矩陣是可靠的。

確定了各風險評價因子的準則權(quán)重后，埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的綜合風險預測模型如公式（7）所示

式中：R為風險預測結(jié)果；di為土壤電阻率的風險指標；hi為土壤氧化還原電位的風險指標；si為土壤含水量的風險指標；yi為土壤含鹽量的風險指標； pi為土壤pH值的風險指標。

依據(jù)公式（7）計算得到埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的風險預測圖像，如圖7所示。

圖7 某埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的風險預測結(jié)果Fig.7 Risk prediction results of soil corrosion in a buried natural gas pipeline network

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

在今后的管道鋪設過程中，應盡量避開風險程度較高的區(qū)域，并采取防腐措施，比如陰極保護、管道內(nèi)外壁刷防腐涂料等，進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

詳細分析了某埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的五種風險評價因子：電阻率、氧化還原電位、含水量、含鹽量、土壤pH值。根據(jù)各個影響因素的風險隸屬度函數(shù)，計算出風險指標，借助層次分析法構(gòu)建了判斷矩陣，計算出五種風險評價因子的準則權(quán)重，最后得到某埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的風險預測結(jié)果。根據(jù)某埋地天然氣管網(wǎng)土壤腐蝕的風險預測結(jié)果，確定高風險區(qū)位于東南區(qū)域，應采取必要措施來保障埋地天然氣管網(wǎng)的安全運行。