一、前言
    由于燃氣的易燃易爆特性，管道中燃氣一旦泄漏，往往會導致重大人身傷亡和財產(chǎn)損失，近年來國內(nèi)外已發(fā)生過多起惡性事故，教訓深刻。為此，國家建設部與中國城市燃氣協(xié)會在2001年共同組織編制了《城市燃氣行業(yè)“十五”技術(shù)進步發(fā)展規(guī)劃》，明確要求開展城市燃氣管道的可靠性分析和風險評估研究，建立綜合管理體制，保證在役管道運行的安全可靠。深圳燃氣集團積極響應，啟動了“城市燃氣管道安全狀況評估”課題研究，2002年項目列入國家建設部年度科研計劃并取得突破性進展，在2003年初進行的階段成果審定會上，得到有關(guān)專家的充分肯定。此后我們對深圳在役的200公里埋地鋼質(zhì)燃氣管道進行了系統(tǒng)的安全評估，通過實際檢驗和修正，進一步完善了埋地管道安全評估手段和評價標準，使其更符合生產(chǎn)實用的需求，整個項目計劃在2004年底投入試運行。

    二、城市燃氣管道的特點
    Muhlbauer所著《管道風險管理手冊》介紹了美國埋地長輸管道安全評估的經(jīng)典方法，其利用海量、完整、可靠的管道建設運行數(shù)據(jù)庫，歸納出各影響因素的分值。目前，國內(nèi)部分科研機構(gòu)借鑒其基本思路，請國內(nèi)專家憑各自的主觀感覺填寫調(diào)查表，經(jīng)統(tǒng)計處理確定各影響因素的分值，不與具體工況相聯(lián)系，使用結(jié)果表明其往往與實際情況有較大偏差。究其原因，在于與長輸管道相比，城市燃氣管道有明顯差別：
    1、長輸管道通常為單管，閥門和變徑很少。城市燃氣管道多為網(wǎng)、枝狀，閥門、三通及凝液缸等管件密布，管道變徑較普遍。
    2、長輸管道通常為一次同期建成，有完備的勘察設計、施工監(jiān)理、竣工驗收程序，質(zhì)量相對均衡且缺陷較少。城市燃氣管道則隨著城市建設的進展逐步形成，且不斷拓展。由于投資來源復雜，設計、施工和驗收標準往往參差不齊，質(zhì)量缺陷相對較多。
    3、長輸管道通常鋪設在郊野，周邊環(huán)境的改變通常為平滑過渡，容易把握，且雜散電流影響較小。城市燃氣管道周邊環(huán)境復雜，改變有時為突變，另外城市雜散電流干擾很普遍且嚴重。
    4、長輸管道和國外燃氣管道有完備的管理體系，其日常管理側(cè)重于陰極保護，發(fā)現(xiàn)電位異常時即開始整改。國內(nèi)城市燃氣管道管理相對薄弱，日常管理側(cè)重于巡線查找漏氣點；即使發(fā)現(xiàn)問題，由于涉及市政管理諸多方面，處理手續(xù)較為繁雜，隱患往往無法及時消除。

    三、城市燃氣管道腐蝕評價的技術(shù)難題及突破
    分析城市燃氣管道的建設和運行管理與長輸管道間的差異可知，《管道風險管理手冊》中的腐蝕模型不適用于燃氣管道，要完整、科學而精確地對城市燃氣管道進行腐蝕評價，就必須建立新的評估模型。我們在與國內(nèi)外管道運營企業(yè)、科研機構(gòu)、大專院校廣泛交流的基礎上，借鑒國外安全評估的經(jīng)驗，針對城市燃氣管道的特性引發(fā)的技術(shù)難題，采用樣本調(diào)查表確定初值、實測數(shù)據(jù)迭代修正、制定檢測評價標準的方法，建立了適合于國內(nèi)城市燃氣管道的腐蝕評價體系。
    1、將管體腐蝕與環(huán)境結(jié)合考慮，綜合評估腐蝕預期
    地下燃氣管道處在土壤環(huán)境中，其腐蝕預期既取決于管道本身，也取決于環(huán)境。由于城市燃氣管體與環(huán)境的交互作用相當復雜，土壤理化性能會影響防腐層的老化破損進程，土壤腐蝕性和雜散電流情況又直接決定破損處的腐蝕速度。對于防腐結(jié)構(gòu)良好的長輸管道，腐蝕電流通道幾乎被防腐層完全隔斷，少量破損受到陰極保護電流的作用，也不會受到腐蝕，因而環(huán)境腐蝕性的影響很小，現(xiàn)有一些評估系統(tǒng)都側(cè)重于管體本身，對環(huán)境的影響重視不夠。對于城市燃氣管道，防腐層缺陷很多，陰極保護又不正常，環(huán)境腐蝕性的影響就非常顯著。如果環(huán)境腐蝕性較強，管體很快就會發(fā)生穿孔泄漏，而環(huán)境腐蝕性較弱，則可以在很長時間內(nèi)維持正常運行。因此，城市燃氣管道的腐蝕預期評估，必須將管體腐蝕與環(huán)境腐蝕性綜合考慮。
    腐蝕預期取決于防腐層現(xiàn)狀、陰極保護有效性、土壤理化性能、雜散電流分布等諸多方面，凡是影響上述方面的因素都有可能直接或間接地影響管道的腐蝕預期。許多因素對腐蝕預期的影響是非線性的，各因素之間有著不同的相關(guān)程度。因素多達四十余個，完全測取需要很長時間和巨大投資，且各數(shù)據(jù)間存在大量的信息重復，使模型變量維數(shù)無謂加大，因而有必要根據(jù)城市燃氣管道的具體情況，進行降維預處理。我們首先通過聚類分析，依據(jù)12個樣本管段檢測數(shù)據(jù)和開挖情況，對影響腐蝕預期的因素進行相關(guān)分析和聚類分析。結(jié)果表明：影響腐蝕預期的44個因素在相關(guān)系數(shù)大于0.5的條件下，明顯地聚為8類。為了從同類因素中選取有代表性的特征因素，對同類因素進行主成份分析，以貢獻率作為選擇特征因素的依據(jù)，同時也對44個因素直接進行主成分分析，以避免聚類分析可能產(chǎn)生的漏項。最后通過SSPS軟件分析可知，整合出的8個主要因素的特征貢獻率已達到92.1%。從而既保證了數(shù)據(jù)的科學完整，又避免了不必要的工作量。主要因素包括防腐層種類、鋼管壁厚、建設監(jiān)理力度、運行年數(shù)、土壤腐蝕性、管地電位、防腐層電阻率和缺陷線密度。
    建設監(jiān)理力度意在體現(xiàn)管段建設原始質(zhì)量的參差不齊，取決于建設單位的實際資質(zhì)、對其所建工程的普遍評價、建設時期監(jiān)理制度的總體情況、管段竣工資料的完善程度、管段首次腐蝕泄漏時運行時間等。對土壤腐蝕性分級方法，我們充分借鑒國內(nèi)外相關(guān)標準的原理，在2002年初制訂出適合于安全評估需要的綜合分級體系。對防腐層電阻率分級則消化吸取國外檢測技術(shù)，并實現(xiàn)了與國內(nèi)判據(jù)的有機銜接。
    表1  主要影響因素及等級一覽表
防腐層種類 鋼管壁厚 建設監(jiān)理力度 運行年數(shù) 土壤腐蝕性 管地電位 防腐層電阻率 缺陷線密度 夾克 <4.0 極強 <1 極強 <-850 優(yōu) <5 牛油布 ~5.5 強 ~2 強 ~-600 良 ~10 環(huán)氧煤 ~7.0 中 ~7 中 ~-400 可 ~20 膠帶 ~8.5 弱 ~15 弱 >-400 差 >20 瀝青 >8.5   >15     劣  
    我們還通過200多公里的實際檢測數(shù)據(jù)，用神經(jīng)網(wǎng)絡模型確定了各影響因素對腐蝕預期的貢獻，得到較為符合實際情況的結(jié)果。在此基礎上，形成完整的測試體系和分級標準，制定了企業(yè)標準《地下鋼質(zhì)燃氣管道防腐檢測與驗收技術(shù)規(guī)程》，并實際應用于新建燃氣管道的竣工驗收和在役管道的周期檢測。同時，在生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)平臺上建立起適合城市燃氣的管道資料數(shù)據(jù)庫和外掛評估模塊，為今后動態(tài)評估奠定了堅實的基礎。
    2、引進測試技術(shù)，建立適合城市燃氣管道防腐層電阻率的分級標準
    埋地鋼管的腐蝕絕大多數(shù)為電化學腐蝕，防腐層是切斷電流通道的主要手段，因而防腐層電阻率是反映防腐層性能的最重要指標，也是陰極保護的基本依據(jù)，但是該指標的測定迄今尚無公認的現(xiàn)場無損檢測手段。
    國內(nèi)長輸管道推薦采用選頻變頻法，開發(fā)了專用的儀器，有相應的行業(yè)標準和判據(jù)，并有大量實際應用案例，國內(nèi)部分燃氣企業(yè)的外委評估都采用此法。但對于其跨越三通時(長輸管道上沒有三通)所測數(shù)據(jù)的可靠性，一直沒有定論。此后有國內(nèi)軟件公司在英國雷迪探管儀的基礎上，開發(fā)了PCM軟件，但并沒有得到雷迪公司的認可，該方法在國內(nèi)部分城市管道上應用情況褒貶不一。因此，對于城市燃氣管道防腐層電阻率的測試采用選頻變頻，還是雷迪PCM法，一直存在很大爭議。
    有人曾在長輸管道進行過兩種方法的測試對比，但其結(jié)論是否適用于城市燃氣管道有待驗證。我們在評估工作中，以6條市政路和6個庭院小區(qū)作比較樣本，分別用兩種方法依次測試，隨后進行開挖驗證，發(fā)現(xiàn)它們用于城市燃氣管道都有較大局限。
    選頻變頻法測試數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好，但管段上的三通將使結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。對有三通的管段，我們先嘗試改進接地極位置以消除三通的影響，但沒有明顯效果。我們又試圖根據(jù)不同情況歸納測試數(shù)據(jù)的修正方法，結(jié)果沒有找到規(guī)律。雷迪PCM法在用于城市燃氣管道時，對外界雜散電流干擾非常敏感，其讀數(shù)重現(xiàn)性較差。
    根據(jù)國外資料，我們引進美國的C掃描技術(shù)，其可用于有三通的管道，且抗干擾能力較強，但該技術(shù)所測數(shù)據(jù)如何分級，是必須由我們自己解決的難題。以往國內(nèi)防腐層分級判據(jù)是在長輸管道防腐層上用選頻變頻取得的防腐層電阻率，而美國C掃描的分級判據(jù)是用電流衰減取得的防腐層電導率。為針對城市燃氣管道防腐層用C 掃描制定適合的分級標準，我們進行了大量細致的摸索。首先選擇滿足選頻變頻操作條件的管段，進行兩種方法的數(shù)據(jù)比較，又通過管道運行記錄和13公里樣本管段開挖檢測結(jié)果進行調(diào)整，找出其中的相對關(guān)系，最終確定了與國內(nèi)標準銜接并適合城市燃氣管道防腐層的分級標準。
    表2  防腐層電阻率判據(jù)對比表
      優(yōu) 良 可 差 劣 C掃描(Ω/m2) >1500000 ~10000 ~2000 ~500 <500 選頻變頻(Ω/m2) >10000 ~5000 ~3000 ~1000 <1000
    四、經(jīng)驗與體會
    1、借鑒現(xiàn)有模型前應先進行研究對象的內(nèi)在因素分析比對
    借鑒現(xiàn)有模型可以達到事半功倍的效果，但要注意借鑒的前提是影響研究對象的內(nèi)在因素要基本一致，此時僅進行參數(shù)值修正即可，否則應尋找更為接近的模型或建立新的模型，而不應勉強套用。
    研究伊始，我們也曾設想選用《管道風險管理手冊》介紹的各個模型，但通過對研究對象的內(nèi)在因素分析可知，有的模型是可以借鑒的，如第三方損壞、設計因素、操作失誤的評估，在這些方面城市燃氣管道與美國埋地長輸管道的內(nèi)在影響因素沒有根本差別，僅靠調(diào)整參數(shù)值就可以滿足需要。
    對腐蝕評估模型分析發(fā)現(xiàn)，二者間有本質(zhì)的差別。第一，《管道風險管理手冊》中腐蝕評估模型的內(nèi)腐蝕和大氣腐蝕評價占40%，所列內(nèi)防腐措施包括內(nèi)防腐層、緩蝕劑、清管三項，這些措施只可能用于長輸管道，國內(nèi)外所有城市燃氣管道都不會采用這些措施，也無需考慮大氣腐蝕。第二，《管道風險管理手冊》中對于外防腐，其陰極保護檢測周期和結(jié)果占有遠超過防腐層的地位，且檢測項目針對外加電流。國內(nèi)燃氣管道陰極保護剛剛起步且?guī)缀跞菭奚枠O，此類數(shù)據(jù)幾近空白，根本無法采集。第三，《管道風險管理手冊》中對于管體缺陷，模型推薦采用爬行器檢測，賦值與陰極保護檢測結(jié)果相同，但城市燃氣管道內(nèi)徑變化頻繁，閥門、凝液缸、三通、彎頭等管件密布，根本無法使用爬行器進行內(nèi)檢測。第四，《管道風險管理手冊》中對于防腐層缺陷，模型所賦分值很小，僅占5%，這是由于長輸管道的缺陷通常較少且會及時修復，國內(nèi)城市燃氣管道不但缺陷較多，且分布很不均勻，是決定管道安全性能的重要指標。第五，由于在防腐層無缺陷時土壤腐蝕性影響很小，《管道風險管理手冊》中模型所賦分值占4%，且僅依土壤電阻率賦值，而對缺陷較多的城市燃氣管道，土壤腐蝕性對腐蝕模型有重大的影響，且需用綜合等級確定。上述５項指標分值已超過《管道風險管理手冊》中模型總分的50％以上。另外，城市燃氣管段建設原始質(zhì)量參差不齊更是國內(nèi)特有的。通過上述分析比對，勉強使用現(xiàn)有模型必將產(chǎn)生重大偏差，有必要重新建立評估模型。
    為建立腐蝕評估模型，我們成立了集團領導掛帥的城市燃氣管道安全狀況評估課題領導小組，組織管網(wǎng)、客戶服務、檢測、監(jiān)理、計算機等部門與有關(guān)高校聯(lián)合攻關(guān)，花費了近3年的時間，投入數(shù)百萬，終于取得了符合燃氣管道實際情況的成果。
    2、引進國外先進技術(shù)要注意配套引進并消化其軟件
先進的檢測技術(shù)可以提高檢測數(shù)據(jù)的可靠性，進而保證模型的科學性，這是無庸質(zhì)疑的，但引進國外先進技術(shù)必須注意其配套引進并消化其軟件。
    引進C掃描之初，我們曾試圖借用國外的設備，評判分級按照國內(nèi)的行業(yè)標準進行操作，但實際效果很不理想。此時我們沒有盲目堅持或輕言放棄，而是及時分析誤差原因并尋找對策。
    首先，我們不惜高價，拿出30公里不同類型的管段，聘請美國腐蝕工程師協(xié)會(NACE)的專家直接進行現(xiàn)場實測，認真分析其操作要領。其次，對美國的防腐層評估標準進行細致分析，明確其制定原理，與國內(nèi)標準進行比對，尋找其中的內(nèi)在關(guān)系。第三，積極與C掃描設備生產(chǎn)商聯(lián)系，介紹國內(nèi)相關(guān)標準，配合其研制出符合國內(nèi)標準判據(jù)系列的軟件。
    為不影響腐蝕預期評估模型建立進度，我們先完全采用美國標準，用防腐層電導率進行分級。隨著大量開挖實踐，找出防腐層電導率與國內(nèi)標準的防腐層電阻率間的換算關(guān)系后，適時將模型參數(shù)轉(zhuǎn)換為防腐層電阻率，最終使C掃描檢測結(jié)果與國內(nèi)標準判據(jù)實現(xiàn)了有機銜接。