油气管道管壁腐蚀程度预测方法研究
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摘 要：伴随着海洋油气开发产业的迅猛发展，海港油气管道在开发过程中越来越发挥着不可替代的作用。然而，油气钢管由于其材质等原因，其腐蚀就在所难免，会对生产生活产生非常大的危害。如何保证管道的安全运行是摆在管理者和技术人员面前的一道难题。这就需要我们对油气钢管的腐蚀状态进行实时的监测。本文旨在建立基于马尔可夫随机过程的油气钢管的腐蚀预测方法，对管道管壁腐蚀状态的预测方法进行探究，希望可以通过相关的预测模型进行预测和控制。
1 引言
海港油气管道已经成为海洋油气开发过程中不可忽视的重要组成部分。油气钢管由于其介质本身的性质容易出现油气泄漏的现象，进而产生巨大的危害，如何预防这些危害的产生，是本文研究的主要目的。油气钢管的管壁腐蚀是在外防腐层破损之后发生的，所以对管壁腐蚀区域的腐蚀趋势进行预测，可以有效的防止危害的发生，同时又可以降低运营成本，延长管道的使用寿命。本文主要是基于马尔可夫过程的随机理论，建立油气钢管管壁腐蚀状态预测方法。据管体腐蚀损伤评价标准划分管壁腐蚀状态，分别建立了单一管段管壁腐蚀状态预测模型和整条管线管壁腐蚀状态分布预测模型。
2管壁腐蚀状态划分
2.1油气钢管管壁腐蚀损伤评价
对油气钢管的风险评估要以我国石油天然气行业标准SY/T6151为依据。管体腐蚀损伤的定性判定标准主要是由规范CJJ95-2003来制定的。而最大点蚀速率和穿孔年限是作为钢管腐蚀速率的两项指标进行评价的，通常在评价过程中，是以两者中比较严重的作为评定指标。点蚀作为局部腐蚀中危害最大的一种形式，是造成钢铁材料大规模腐蚀的诱因，最大点蚀深度是管道管壁腐蚀程度评价中的关键指标。一旦最大蚀坑深度大于管线的允许剩余壁厚，管线随时有可能发生泄露失效事故，所以最大蚀坑深度是引起管线穿孔破坏的主要原因。管道的最小剩余壁厚等于管道原始壁厚减去最大蚀坑深度，当最大蚀坑深度大于80 % 壁厚时，穿孔现象就己发生，该现象同样是考虑了最小剩余壁厚对管道的影响。因此，最小剩余壁厚是确保管道安全服役的临界厚度。
2.2油气钢管管壁腐蚀状态的确定
规范CJJ95-2003明确规定了管体腐蚀损伤评价级别，该标准以最大蚀坑深度为参数将管体腐蚀损伤状况分为5个级别： 轻、中、重、严重和穿孔。参考该标准的划分方法，可将油气钢管管壁的腐蚀状况分为5个状态： 状态1 表示轻，状态2 表示中，状态3 表示重，状态4 表示严重，状态5 表示穿孔，这样就确定了应用马尔可夫模型预测管壁腐蚀的状态划分，对应的状态空间为S = {1，2，3，4，5} 。 当管壁的5个腐蚀状态确定之后， 可建立马尔可夫模型中的状态转移概率矩阵。状态转移概率矩阵P中各个元素值的大小反映了管壁腐蚀状态之间的相互变化概率。若在服役过程中对管壁的腐蚀区域采取维修措施，就会使得管壁最大蚀坑深度的变化过程具有随机性。若不对管壁的腐蚀区域采取维修措施，腐蚀状态会愈发严重，即其状态随着钢管服役时间的增长，或停留在本状态，或越来越差。
3油气钢管管壁腐蚀状态预测模型
收集管线检测或维修积累下来的数据是建立管壁腐蚀状态预测模型的基础。一般情况下，每隔一定年限管线运行部门就会对服役管线进行腐蚀检测。按检测方式，管线腐蚀检测大体上可分为局部开挖检测和不开挖外检测两大类。其中，局部开挖检测是腐蚀严重区段管线经常采用的方式。对于含有单个腐蚀缺陷点的管道而言，若不采取维修措施，其腐蚀区域将随着服役年限的增长呈扩大趋势，腐蚀程度会逐年恶化，失效概率亦会逐年增大；对于整条管线而言，如不及时维修，其腐蚀区域内含有的腐蚀缺陷点数、腐蚀程度和失效概率会呈逐年递增趋势。由于管道外部腐蚀环境的差异性，不同管段腐蚀区域的腐蚀状况变化趋势也不尽相同。因此，不仅需要对含有单个腐蚀缺陷点管道管壁的腐蚀状态进行预测，还需要对不同管段管壁的腐蚀状态进行逐一预测。规范SY/T6151-1995对含有腐蚀缺陷管体损伤的主要评定参量有蚀坑深度、腐蚀纵向长度和腐蚀环向长度等。其中腐蚀区域的蚀坑深度对管线安全运行影响最大，被规范CJJ95-2003列为管体腐蚀损伤等级划分的指标依据。因而，这里将最大蚀坑深度作为管壁腐蚀预测的对象。
应用马尔可夫链建立管壁腐蚀状态预测模型的主要步骤为：（l） 定义钢管管壁腐蚀状态；（2） 确定管壁腐蚀状态初始向量和转移概率矩阵；（3） 基于（1）和（2），利用齐次马尔可夫链性质，对管壁腐蚀状态进行预测。
通过上述预测步骤，不仅可以对单一管段腐蚀区域的最大腐蚀深度（或最小剩余壁厚） 进行预测，也可以对整条管线的所有腐蚀区域进行预测，以便全面地掌握关注管段腐蚀区域的腐蚀进展情况，了解该管线的整体腐蚀状态。
3.1 单体油气管段管壁腐蚀状态预测
在未采取维修措施的情况下，单体管段腐蚀区域的蚀坑会愈来愈深，管壁的剩余壁厚会愈来愈小，直至穿孔。蚀坑深度的发展趋势可以根据管线的腐蚀检测数据来分析判断。与外防腐层劣化状态预测类似，在应用马尔可夫链建立预测模型之前，需要利用己知检测数据近似拟合出管壁蚀坑深度随服役时间的变化趋势曲线。油气钢管的腐蚀主要为电化学腐蚀，初始阶段腐蚀速度较快，随着服役时间的延长，腐蚀速度缓慢变小。因而，假设管壁剩余壁厚随服役时间的函数关系符合下列指数关系式：
其中，G1、h1均为系数；t为服役时间，年； 为服役时间为t时管壁的剩余壁厚，mm。
上式中有两个未知数G1和h1，为了求解该函数关系式，至少需要两次检测数据。当检测数据大于两次时，可以采用最小二乘法，对剩余壁厚随服役时间变化趋势以指数形式进行曲线拟合求解。确定了该函数关系式后，对服役时间t 依次取值1、2、L、tn，即可求解出管壁在各个服役时间的剩余壁厚 ，进而对管壁的腐蚀状态进行评价。未采取维修措施时，当计算到 >80%壁厚时，表明管道的腐蚀级别己到达穿孔（状态5），这之后的腐蚀级别均会停留在该腐蚀状态。因此， 当服役时间取值tn时，腐蚀状态到达5 时，即可终止t的取值。确定了管壁腐蚀状态随服役时间变化的数值之后，便可根据各腐蚀状态的个数，采用统计分析法得到转移概率矩阵P。