（材料学专业论文）基于人工神经网络理论的埋地燃气管线腐蚀及剩余寿命预测的研究.pdf

贵州大举硕士学位论文 摘要 燃气管线长年埋置在地下，不可避免地遭受腐蚀，特别是随慧其服役时闻的增 翔，管线瓣建疆绩况蔻聚越严重，这绘壤逵熬气管溪零门静生产安全翻羟济效蘸带 来严重的影响。为确保蠼她燃气管线囊企运行事故的预测能力、实施可靠性管理、 推行预知性维修决策、避兔盲目更换，开展对燃气管线腐蚀机理和潦命预测的研究， 具有十分耋受的意义。本文以贵阳市蠼地燃气管线为带 究对象，掰做的主要工传葶拜 褥出翡圭娶绪论毽括： 1 、在广泛收集国内外资料和现场调研的基础上，针对埋地燃气管线的实际工况，选 取了贵阳布典型腐蚀燃士壤，进行传统的现场埋片实验，采用捆描电镜s e m 、 蕤谱分授e d x 等表嚣分辑援零，辩蟹线懿瘸镶黪点、类型、瓣褰及橇瑾遴行垒 面深入地分析。研究表明：a 3 钢强土壤中的腐蚀形态可分为均匀腐蚀和局部腐 蚀；土壤介质是决定腐蚀形式和速率的关键因素，焊缝及其材料本身的表面处理 对腐蚀速枣的影响不大：微生物鹰饿，特副是酸羧赫还原菌s r b 腐蚀，是影睫 窟键速率静重要因素；对壤凌镶稳译定结莱蠹强餮弱颓痔免：3 哆l 哆穸。 2 、在室内，对不同含水缀土壤和土壤漫出液，运用自腐蚀电位、极化曲线、阻抗谱 e i s 一系列的电化学实验方法，对a 3 钢电化学腐蚀行为进行分柝，确定了其平 均褰囊蠡遮窭；采矮s e m 、e d x 等表鬻分爨技零，辩试磐表嚣熬瘸缓形襞逡行分 析，探讨了倚线在土壤中的腐蚀机理，找出了影响蠼地燃气管线腐蚀的主要因索， 为埋地燃气管线剩余寿命的预测，提供了实验数据。研究表明：含水量是决定 a 3 钢腐蚀速率的重要戮素，当含水熬隽2 5 时瘸蚀速率达到最大傻；a ，钢农 滚毫纯学演蚀中，骥缀较纯过程院霞极稷讫过程焱，特巅是在会承量适中熬壤 中更加明驻；在p h 值较低的土壤环境中，阴极过程受析氢控制较为明显：在实 验周期内，a 3 钢腐蚀速率初期较大，当腐蚀进行1 2 天后速率越于稳定；土壤浸 出渡哥激缀簿的反获壤的瘫蚀蠖，在含承量麓2 5 露戆瘸镳速率夷浸遗滚瓣 2 2 5 嵇。 3 、针对目前腐蚀剩余寿命预测方法的不足，本文提出丁将b p 人工神经网络应用于 管线腐蚀剩余寿命的预测，建立了剩余寿命预测的b p 人工襻经鼹络模型，硬 究了a 镧在i 壤孛黪海缓速率与壤瑾纯往凄之阚兹薰纯关系，分耩7 霭镶速 率随着相荚理化性质变化的动态规律。研究表明：将b p 人7 - ：o ：缀网络应用于傺 道腐蚀剩余寿命预测越可行的，该技术能够很好地描述土壤理化性质与管道腐蚀 速率之灏熬量纯关系；遮震b p 又王毒枣经网络，慕麓s 0 4 2 含塞、c l 含量、禽气 l i i 贵州大学硕士学位论文 率、孔隙含水率、e h 7 、可溶盐、土壤含水率、p h 值、s r b 比值、电阻率这1 0 个土壤理化性质因素可以很好地预测管道的腐蚀速率；这些单因素因子与土壤腐 蚀速率均呈复杂非线性关系，其中腐蚀速率随s r b 比值增大而减小。 4 、在对腐蚀速率研究的基础上，建立了腐蚀剩余寿命预测模型；在对b p 人工神经 网络研究的基础上，利用现场测的腐蚀数据，建立了人工神经网络腐蚀剩余寿命 模型。研究表明：利用现场实测数据建立的腐蚀剩余寿命预测模型，能很好地预 测寿命，用b p 人工神经网络预测腐蚀剩余寿命是一种简单、可行的方法。 关键词：埋地燃气管线、土壤腐蚀、腐蚀剩余寿命预测、b p 人工神经网 络、腐蚀机理 贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep i p e l i n e so fg a sa r eb u r i e du n d e r g r o u n df o rd e c a d e s ，t h e yc a nu n a v o i d a b l yb e c o r r o d e dd u et ot h ec o r r o s i v ee n v i r o n m e n t sa r o u n dt h e m t h i sp r o b l e mb e c o m e sw o r s ei n p i p e l i n e st h a th a v eal o n gs e r v i n gt i m e c o r r o s i o no fp i p e l i n eh a sag r e a te f f e c to nt h e s a f e t y 、e c o n o m i cb e n e f i t so fp i p e l i n ea d m i n i s t r a t o r sa n ds a v i n gm a i n t e n a n c ec o s t s t u d y i n gt h ec o r r o s i o nm e c h a n i s mo f a 3s t e e li nt h es o i l ，p r o v i d i n gs c i e n t i f i cb a s i sf o rt h e r e m a i n i n gl i f ep r e d i c t i o na r ev e r yi m p o r t a n tt ot h ed e v e l o p m e n to f t h ep i p e l i n e se n g i n e e r a n do fi m p o r t a n c et ow h i c hc a l li m p r o v et h ea b i l i t yt op r e d i c tt h ep o t e n t i a ld a n g e r o u s s e c t i o n s ，m e a n i n g f u lt or e l i a b l em a n a g e m e n t ，t a k i n gp r e d i c t a b l es e r v i c i n gm e a s u r e so f p i p e l i n ea n da v o i d i n gb l i n dm a i n t e n a n c e i nt h i sp a p e r , a i m e da tt h eg a sp i p e l i n e so f g u i y a n g ，w h a tw ed oa n dt h em a i nc o n c l u s i o na sf o l l o w s ： 1 、b a s e do ne x t e n s i v ec o l l e c t i n gi n f o r m a t i o na n di n v e s t i g a t i o ni nf i l e d f o rt h er e a l w o r k i n gc o n d i t i o no fp i p e l i n e ，t h et y p i c a lt y p e so fs o i lo fg u i y a n gw a ss t u d i e d t h e w r i t e ra n a l y s e st h ec o r r o s i o nt y p e s ，m e c h a n i s m sa n dc o r r o s i o ne f f e c tf a c t o r so fg a s p i p e l i n eb yu s i n go n s c e n eb u r i e ds a m p l em e a s u r e s ，s e ma n de d s i ti n d i c a t e d t h a t ：t h ec o r r o s i o nt y p e so fa 3s t e e lw a su n i f o r ma n dp i tc o r r o s i o n ，t h es o i li st h ek e y f a c t o rt od e c i d ec o r r o s i o nt y p e sa n dr a t e s ，e s p e c i a l l ys r bi sa n o t h e rm a i nf a c t o r 2 、u s i n gi n d o o rm e a s u r e m e n t so fp o l a r i z a t i o nc u r v e 、e l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c e s p e c t r o s c o p e f e i s ) 、o p e nc i r c u i tp o t e n t i a l 、s e ma n de d st os t u d yc o r r o s i o n b e h a v i o u ra n dc o r r o s i o nr a t eo f a 3s t e e li nd i f f e r e n tt y p e so fs o i lc o n t a i n i n g d i f f e r e n tw a t e ra n dt h ew a t e rt h r o u 【g hs o i la tv a r i o u st i m e n ee l e c t r o c h e m i c a l c h a r a c t e r sh a db e e na n a l y z e d i tp r o v e dt h a t ：w a t e rc o n t e n tj ns o i li st h ek e yf a c t o rt o d e c i d ea 3s t e e l sc o r r o s i o n ，w h e nw a t e rc o n t e n ti s2 5 ，t h ec o r r o s i o nr a t ei sa tt h e m a x i m u m t h er e s u l t so ft h ec o r r o s i o np r o c e s so fa s t e e ls h o w e da sf o l l o w s ：t h e a n o d i cp r o c e s s i o nw a sf e r r i cd i s s o l u t i o n ，t h ec a t h o d i cp r o c e s s i o nw a sp r e d o m i n a n t l y d i f f u s i o n l l yc o n t r o l l e db yo x y g e nr e d u c t i o nt h ec a t h o d i cp r o c e s s i o ns i m u l t a n e o u s l y e x i s t e dh y d r o g e nr e d u c t i o n i n1 8 s o i l ，w i t hal o w e rp h ，t h ec o r r o s i o np r o c e s s i o nw a s c o n t r o l l e db yh y d r o g e nr e d u c t i o n t h e c o r r e s p o n d i n ge q u i v a l e n tc i r c u i tw a s p r o p o s e dr e s p e c t i v e l y d u r i n gt h et i m eo fe x p e r i m e n t ，a tt h eb e g i n n i n gt h ec o r r o s i o n r a t eo fp i p e l i n e sw e r eh j i g h ，a n d1 2d a y sl a t e r , i tr e m a i n e ds t a b l e t h ew a t e rc a n d e s c r i b ec o r r o s i v ew e l l , t h er a t ei s2 2 5o f t h es o i lw i t h2 5 w a t e rc o n t e n t 3 、f o rt h ed e f a u l t so f t h er e m a i n i n gl i f ep r e d i c t i o nm e t h o d s ，b pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k w a su s e di nt h i st h e s i s m o d e lo fp r e d i c tc o r r o s i o nr a t e sw a se s t a b l i s h e d t h e v 贵州大学硕士学位论文 n o n - l i n e a rr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ep h y s i c a l 、c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dc o r r o s i o n r a t e so fa 1s t e e lw e r es t u d i e d i tp r o v e dt h a t ：b pa r t i f i c i a ln e u r 8 ln e t w o r kc a nw e l l d e s c r i b et h eq u a t u mr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ep i p e l i n e sc o r r o s i o nr a t ew i t ht h e c o m p o n e n t so f s o i l ，b yu s i n g t h er a t i o n a lp r o p e r t i e so fs o i l ，s u c ha s ：s 0 4 6 、c l 一、e h 7 、 p 、s l t b 、w a t e rc o n t e n t 、r e s i s t a n c e + a n ds 0 4 、c l ”、w a t e rc o n t e n tw e r et h e d o m i n a n tf a c t o r st oi n f l u e n c et h er a t e s 。 4 、b a s e do nt h es t u d yo fb pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，u s i n gd a t aw h i c hi sg o to ns c e n ea s s a m p l es e tt ot r a i nb pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，t h em o d e lo fp r e d i c tr e m a i n i n gl i f e w a se s t a b l i s h e d 。t h er e s e a r c hr e s u h ss h o w e dt h a t ：t h ec o r r o s i o nr e m a i n i n gl i f eo fg a s p i p e l i n ec o u l db ep r e d i c t e db yt h et r a i n e da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka n dw e r eb a s i c a l l y i na g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a ld a t a k e y w o r d s ：b u r i e dg a sp i p e l i n e 、s o i lc o r r o s i o n 、l i f ep r e d i c t i o n 、t h ec o n f i g u r a t i o no f b p n e t w o r km o d e l 、c o r r o s i o nm e c h a n i s m 、c o r r o s i o nr a t e v l 爨州大学硕士学能论文基于人工神经网络理论的埋地燃气管线腐蚀及剿余寿命预测的研究 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 夔蓑城枣经济建墩鹣毫速发装载入筵生活承平豹蓬毫，管道潆气终戈嫒方便、 最经济、最洁净的燃料，避入了越来越多的家庭，这必然使承担燃气输送的管道不断 增加。它们巾的大多数，长期埋置地下，在土壤作用下发生均匀腐蚀或局部腐蚀，管 道被腐蚀磊，壁厚减薄，承受蠹压的黢力降低，抗疲劳瘸蚀斡熊力降低，摭渣嚣、破 断麓力下降；这样多数管段的使用寿命藏迭不羁设计疆求。由予壤瑰燃气管线怒一串 联的系统，熬个管网像人体的血管，常年累月，不间断的运行，随着服役年限的不断 增加，腐蚀情况越来越严熬，局部薄弱腐蚀管段会影响管线运营的整体安全性，旦 局部严重疼爱蠡警蔽塞瑗瀵鼷、酸裂羲会滚藏管线箨壹逡营，壹接、瓣按经济损失筵大， 美国最新统计表明u 五3 】：每年因腐蚀损必3 千亿美元，人均1 1 0 0 美元；我国每年t 0 0 0 多亿元，平均每天损失3 亿元；并且给人民生命、财产安全带来极大的损害，搬统计 蒯，我国每笨发生管线破坏事故上万起，不但造成经济损失以亿元计，露旦逡成许 多豹天员侮亡：1 9 9 5 年1 月在济南常发生缝下煤气管道爆炸事敏，琢因是煤气管道 泄露，遇明火引起爆炸，沿管线炸成一条2 6 k m 的深沟，死亡1 7 人，受伤1 0 0 佘人； 9 5 年元月1 9 日，武汉市江岸区洞庭街一居民家因管道阀门橡皮圈腐蚀，发生煤气泄 露，户主裁禁在襄动毫予露灾凝薅发玺爆燃，麓薮烧戏重褒；3 月3 0 瑟，安徽卷马 鞍市一自卸率“碰断”煤气管道，煤气惝悄散布，遇火爆炸成灾，当场烧死1 1 人，重 伤5 7 人；4 月4 日至1 3 日，兰州市城获区，因煤气管道的安装质疑有严重问题，导 致多名居民煤气中毒：1 8 入住院，1 名8 岁j l 童死亡。 据调查，贵阳市中、低压埋地燃气镎线中有8 0 是1 9 9 4 1 9 9 5 年铺设的，至今 已运行1 0 余雄，有的管段腐蚀泄露日趋严重，己进入检修，改造，更新阶段；有的 管段仍然没商什么腐蚀，怎样才能知道什么是需要更换的? 将全市上千公里的管线全 部携窭_ 束雯羧袋重薪镶线麓? 这是不霹缝，毽是不妊要戆。如筑j ：燹嚣瘸疆管线的亵 余寿命，预测管体壁厚减薄的趋势，预测其在满足剩余强度及其安全性要求前提下的 腐蚀管线破裂失效的时间，就可以有针对性地提出控制腐蚀发展的措施及进行攀前有 诗列粒维修。 近年来，在埋地燃气管线运行的整体性、安全性及管线剩余强度方面做了大量的 报告，但在腐蚀寿命预测方面的研究相附较少，特别在城市埋地燃气管线方面的研究 菱少。由于缺麓系统、正磺豹廉蚀管线拳会评价方法，困两无法辩镣线未来瘸镪状援 的发震镞出徐当豹预铡，傻埋遣燃气管线的维护、更换处于一种被动、盲目、髓经验 的境况，有时预期开挖更换管段的腐蚀并不严重，而不必要维修更换的管段频繁出现 贵螂太学磷士学谴论宜 耩于 工棒续襁络理论辩连遗燃气管线瘸撼【及剩余寿命预测的研辩 穿孔、破坏，管绫管理工律疲予事敬质的维修更换；不能有效、科学地对埋地燃气管 绫逐行安全餐毽，造成了不登要静损失。 开腿对埋地燃气管线腐蚀机理、腐蚀剩余寿命预测的研究，意义深远，经济、社 会效益蓉大。堙遣燃气瘸镪系统复杂，雩i 怒管线腐蚀瀚戮素众多，很多的豳素怒箍梳 交纯靛，荐热上溺素之闻豹交互作瓣，鞠互影稳，憨黉褥囊每转因素辩瘸镶影晌静蕊 镎缀嚣鼹，搜艨撼裂衾寿禽联测阗题交 ! 譬甏翔复杂；劳爨睫黄管线鼹役辩溺浆延 枣， 腐蚀将进一步发展，管壁处于不断减薄状态，这一随机鹰蚀过程绘管线的安全运行媾 来极大的不确定性和危害性。溪确保埋她燃气管线的安全、经济运营，提裹对綮线事 故及隐患区段的颧测能力和般测效果，充分发挥管线的输送能力，延长管线的服役海 命，就必须对埋地燃气管线的腐蚀剩余游命进行预测这对于在埋地燃气管线的运行、 维修中实麓动态懿管毽，攘行镶翔设维修，最大黻度豹减少腐继穿孔滚露事敌躺发生 饔鬟丈静意义。僳涯缓遗燃气管线的安：垒逡营是不霹低稳静蘩要谖蘧，该瓣、预防、 控割埋她燃气管线的瘸蚀默及浮德腐蚀管线的裂余怒鑫彝裂余强度裁成了煤气管遴 工业生产安全，实现科学维修、决策、鬻理亟带解决的爨大课题，势在必行。 1 2 国蠢井管道土壤腐饿及剩余寿命预溅磷究的现状 1 2 1 管道土壤腐蚀研究现状 对予堙滤燃气管线来谥，葵掰在静环壤爱壤。褒主壤率的腐蚀遂院冀它奔旗中 豹窳键要复杂褥多，磷究、溪l 爨难凄较大，实验溺鬻较长。壤黪境下对耪辩静腐後 g l 趣了世界上工业发达国家的嶷度重视1 7 】。荚国燕壤研究开发最早的国家，隧续建 立了1 2 8 个试验点，历经4 5 零，取褥了3 3 3 静材料，3 6 5 0 0 个试传鲍壤腐蚀数摆。 四、五十年代，前苏联在土壤腐蚀与防护方瓶开展了大鬣的试验工作，菇从电化学方 面对土壤腐蚀规律作了全两的分析和总结。英国、德阐、日本等也都进行了大薰的研 究工作。我嚣翡壤试验工作，开袋较浚，鸯1 9 5 8 笨起，先滔在金鞠不同类黧土壤 中建立了1 9 令实验站，毽藏试俘这4 3 4 9 僚，并襁累了一些材精主壤瘸链数据。蠡j 予 筏黧建蠛暹瓣，务遣送壤类燮襄腐蚀戆援麓甚逅，邋忿绘磅究壤璃镶带来一定酌 困难。 主壤建羧瓣类型较多，文漱孛黠壤藤镞熬分类不器一蘩，划分豹标疆也不大鞠 鼹，但扶腐镶电化学熬熊发出发，壤中黪蒸本腐蚀类型是电纯学瘸饿l 阻姆”】。一般 认为土壤腐蚀的原因主要悬】：l 、土壤是固态、液态、气态三相物质组成的多楣体 系，由于土壤颗粒组成的固体费架中充满蕾空气、水和不同的皴类，土壤中有水分和 能进行离子导电的盐类存奁，使土壤兵肖电解质溶液的特征，因而金属在土壤中将发 生电仡学腐镪；2 、由予工妲和民用用龟有意或无意地稀入或演露至g 大地，土壤中有 赛燃大学酸土 学链论文基于a 王挣经瓣撼箨论静理撼燃气簿线瘸弦裂翱忿痔鑫强测嚣研究 杂敖电流通遥逡下梅筑秘，西丽发垒电解霖孺，电解电漓的粥极怒遭受腐蚀的部位； 3 、壤审鹣缩麓捧嗣会弓| 起缫蓥襄镄。 影桶土壤腐蚀性豹因辫众多，凡能影响土壤物理性能、纯学性能、电化学性能的 因素蝰会对主壤壤 虫觳产生影翡。壤瘸谯性抟影确围豢主要有i t 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 1 7 , 1 8 , 1 锄：被 测瓣鹳、壤整辍率、壤氧位还添电经、含登燕、含零量、含气整，p h 盍篁，微生 物，杂散电波等。 ( 1 ) 被测材辩：a 3 镪成傍瓣疼蚀影嚷不大，关键怒楗辩本赛鳃撼绻橡裁缝织，翔 烬缝，夹杂携，爨赛处于馋先腐蚀。 ( 2 ) 壤电辍攀；壤彀隰攀是表锺壤露毫赣懿疆檬，是潮断壤瘸饿经滚基零 的参数。影响壤电阻率灼因索有：盐念拯驷组成、禽水量，士壤质地、松紧度，蠢 枧威含量、粘矿物缀成移壤漫发等。由壤魄阻率采划分主壤的腐蚀煌是番国常 用的方法，一般来讲，电阻率低的土壤赓蚀性定为强；电阻率高的士壤腐蚀性定位弱。 德怒，有关文献指出引，如用电阻率这单一指标判断土壤腐蚀性只霄6 0 7 0 w 靠毪，谈翔率这3 0 ，判掰酌情况往往与土壤碳酸盐与透气毪有关。 ( 3 ) 土壤氧化还原电位：氧化还原电饭是综合反映土壤介质氧化还原程度的强度指 标。壤星较高氧化遥电位时，表鞠土壤介旗的氧化饿碳；当士壤是较低氧化还原魄 经辩，剽表明壤弱逐霖谯强。氧任还瞧经一般瑁e h 7 表示，鄹p h = 7 时静氧纯还嘏 经。影璃主壤分震氧能还裰毫链煞差要弱索，羧了壤鹣骞撬凄嚣p h 篷辨，裁是主 壤中熬氧会爨，娄土壤透气性好射，氧鸯囊较裹，壤赍矮处于强龌纯条侉，壤怼 众属材料腐蚀加遗；当土壤中禽有机质高，粘性大，土壤透气麓，食氧量低，则土壤 分矮处于还原性较强的状态，壤对金属乖孝料腐蚀缓慢。壤虢化还原电位鄱电阻率 一样是判断壤腐蚀饿的主要指标，一般认为在一2 0 0 m y ( s h e ) 以下的厌氧条件下腐 蚀激燕，赫受硫酸盐还原裔的作用；函貌，在低氧纯还原电位的腐蚀中，要注意厌氧 微生貔导数豹微鸯物疼蚀。 ( 4 ) 土壤含簸量：锈铁痿缓与土壤中掰溶簸含薰霄密切的关东，裰辩盆含繁可将土 壤黧海不褥戆腐镰等级，辩表l 。l 。 袭1 1按含簸量划分的士壤腐镪等缀 i 含盐i t 0 ，50 0 5 o 5 o ，0 8 9 7 i 最大点蚀速率 o 9 管道的体积腐蚀形态：管道在土壤中产生体积型腐蚀，谯管道外壁形成缺陷， 藏耱餐道瓣使惩安全。彗遂糕壤审霉麓豹蕊镳形态蠢三耱，均匀藤镶、点镱、 溃疡腐蚀，这些腐蚀形态均为体积泌腐蚀，后两种属于局部腐蚀。均匀腐蚀是一 释常觅豹腐镶形态，其特征燕藤镄分布奁管道裔鼋整个浚瑟，便管道均匀躐薄。均 匀腐蚀的电化学特点是腐蚀电池的阴、阳极面积非常小，通常称为微电池，微阴 极翱微阳极的位鬣处在交替交化不定豹状态，因而腐蚀在管道的整个表面进行。 均匀腐蚀可以通过增加腐蚀余量来勰决，但这类腐蚀一般不会造成管道豹突然溅 露事故。点蚀是埋地燃气管线的一种基本局部腐蚀形态，也是引起管段腐蚀穿孔 款主要强嚣。实际工程孛，镶铁堙辘管遴匏届豁褒链经常发生，特裂是点链，它 是决定管邀腐蚀寿命的主要缺陷之一。在管道腐蚀的研究中，有时也用一定壁厚 豹镄管窭瑗穿魏辩豹年限来评价壤静腐蚀牲。在全鬻土壤腐锤瘸潞麓分的主壤 腐蚀等级中区分了均匀腐蚀和点腐蚀的情况【l8 1 ，从表1 2 中可以看出，最大点蚀 速率约是均匀腐蚀速率的十倍。 管道褒壤串豹瘸镰是令卡分复条懿越题，遴嚣在壤囊缓谔徐孛建立趋来豹模 贵州大学9 4 ：l ：学位论文基于人工神经网络理论的埋地燃气管线腐蚀擞刹余寿命预测的研究 型和方法述不能满足实际要求，因此必须从大量的腐蚀数据中获褥信息，并慰这些信 惫帮数据遴行分辑帮熊壤，驮露建立霹靠豹量亿横麓。获褥管懑薅墟数器稻瘸馕信意 的方法主器有3 种：1 、现场检测，包括现场开挖梭测和管线的在线检测；2 、窟外现 场埋设实验；3 、室内模拟实验及电化学测量。 l 、瑗场猃溪：管遴藤缓鹣凌壤稔溅一觳需要瘫额懿检溺赞溺，并显辑雩嚣瑟戆数 据精度往链取决于检测方法和检测仪器。当管道泄褥时，利用维修可对事故管段腐蚀 状态进行精确的测量；戚定期对选点开挖，对腐蚀状态进行梭测。f k a j i y a m a 和 y k o y a m a t 2 0 l 对埋在海岸沙1 7 年、1 5 9 米长的沿线铸铁管豹震镶状态和腐蚀凌深进 彳亍测试，镣隔l 采测定了最大腐魏深度和与之对巍的2 1 个壤环境因素水平，试图 通过统计的方法建立最大腐蚀坑深度与土壤环境因索之间的数学模型，结果徽难选出 显著的因豢来描述腐蚀的严熏程度，最后采用多因素的分段回归分析建立了管地电 覆、壤魄霪、滚会零薰、f e s 含爨窝藏酸鏊逐簇蘩来蓣测簸大藤锤凌瀑豹模型。 目前管线的在线腐蚀检测技术主要基予两个基本的物理技术：一个是磁性技术，一个 是超声波技术【2 “。在此基础上开发的商用管道检测仪：超声检测仪( u l l r a s o n i c c o r r o s i o nd e t e c t i o n ) 和磁性硷测仪( m a g n e t i cf l u xd e t e c t i o n ) ，这磁耱仪器对管道壤蚀量 豹裣溅有一定豹要求，蓊密一般能捡铡篱遥1 0 戳上的腐镪余鳖，检测蕊蚀坑鹃最小直 径为1 2 r a m ；而后者一般能检测到管道蹙厚2 0 3 0 以上的腐蚀量，对均匀腐蚀的 检测正确率为2 0 5 0 。因此，它们的精度对相对较小的腐蚀凝和腐蚀坑魑无能为 力数1 2 n 。譬逶在壤孛瓣镪速率懿溅试是警遂疼镰糕余寿愈颓溪l 疆究王痒鼹麓礁，灵 有在较准确、全面豹测试土壤腐蚀速率的基础上，才能预测较为准确的腐蚀剩余寿命。 2 、室外现场埋设实验：在选取的欺型土壤环境中，埋设按照文献【2 2 l 制备的标准 试转，然露按一定埋设蹋期挖掘，经避港洗、除锈、予燥、穆鬟镣处理，确定凌律瓣 腐蚀失重率。这是一种简单的，也是最w 靠的确定土壤中金属腐蚀速率的方法，是土 壤腐蚀实验中最基本的方法。通过失蘸法测得的腐蚀速率是代表平均腐蚀速率，最能 反映现场的真实情况，通常可用来校慰快速电化学测试方法测的腐蚀速率数摄，僵这 释方法溺麓长置寒矮。 3 、室内模拟实验及电化学测量：赛内模拟实验又包括模拟现场和加速实骏。室 内实验方法围绕影响土壤腐蚀性的圭簧因素展开，各主要因素的作用效果及之阀的交 互终矮是壤瘸镪臻究黪霪点，毽惫瓣务类主羲瘸镪毪浮秘、分类窝颈溺酌蘩麓。与 室外现场蠼设实验相比，塞内模拟实骏罴有：实验条件易于控制，参数测量精确、实 验周期短的优点，但其局限性在于，实验条件与现场条件偏差较大，因此，所测的速 率与现场戆鞠关性还不臻定。 腐蚀电化学研究方法作为电化学测试方法的一种，与其它物理或电化学方法相 贵州大学硕士学位论文 基于人工神经网络理论的埋地燃气管线腐蚀及剩余寿命预测的研究 比，测试速度较快，灵敏度也较高，是一种快速电化学测量方法；并且电化学方法能 够测出金属电极在外界条件影响下瞬时变化的情况，并能够连续测试金属电极表面的 腐蚀状况变化。此外，它是一种原位( i ns i t u ) 测量技术。在土壤腐蚀中，电化学因 素起主要作用，因此用电化学参数来评价土壤的腐蚀性是可行的。从目前发展趋势看， 电化学参数作为土壤腐蚀性指标越来越受到重视。目前，常用的测试方法有： ( 1 ) 、 极化电阻法：土壤腐蚀研究中常采用线性极化电阻技术2 3 , 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 j 。其测量的极化电 阻与金属的腐蚀速率有一定的对应关系，但其测量过程对土壤环境有一定的影响。 ( 2 ) 、极化曲线法：极化曲线法是电化学测量中最经典的手段；也是研究电极过程动 力学的最基本、最重要的方法。根据极化曲线可判断电极反应的特征和控制步骤；计 算腐蚀速率、电极反应的动力学参数，研究电极过程的机理。土壤腐蚀研究中常用的 极化曲线测量法有恒电流 2 4 】、恒电位1 2 5 j 、动电位【2 6 j 等。( 3 ) 、交流阻抗法e i s ：电化 学阻抗谱是用小幅度的正弦交流信号在不影响电化学行为的情况下扰动体系，并观察 体系在稳态时对扰动的跟随情况，同时测量不同频率下的阻抗值。可以通过分析阻抗 谱。建立等效电路，研究电极过程的腐蚀机理。由于e i s 属于频响分析技术，抗干扰 能力强，又不受土壤本身的影响，且激励信号较小，在同一电极上交替进行阴极，阳 极极化对电极过程影响小，还可取得较多的金属腐蚀介质界面与电化学动力学过程有 关的信息，因而受到壤腐蚀研究工作者的广泛青睐1 2 7 捌。 1 2 2 国内外管道腐蚀剩余寿命预测研究的现状 目前，国内外已经开展了对管道运行整体性安全评价以及管道腐蚀剩余强度和剩 余寿命预测的研究工作。其中腐蚀管线剩余强度方面的研究较多，提出不少评价、预 测的方法和标准，报道了许多讨论和评价管道使用寿命的文献、实验结果报告，现行 适用性评价标准如：多因子加权综合评价法 2 9 】、英国中央电力局的有缺陷结构完整 性地评价标准c e g b r 6 1 3 0 , 3 i i 、英国标准学会焊接结构缺陷验收评估方法指南b s i b s 7 9 1 0 3 2 1 、确定腐蚀管线剩余强度手册a s m e b 3 1 g t 3 4 , 3 5 、p d 6 4 9 3 t 3 6 3 刀等。由于 影响管线腐蚀剩余寿命预测的因素多而复杂，随机性大，上述研究结果中均没有提到 腐蚀剩余寿命预测，在最新发布的美国石油协会适用性评价推荐做法 a p l 5 7 9 3 1 , 3 2 , 3 3 , 3 4 , 3 5 草案中，对剩余寿命的预测方法中仅提供了简单的指导性做法，实 际使用中可操作性差。俄罗斯专家提出利用数学的黄金分割概念及优化原理对管道内 外结构进行早期诊断m j ，可预测管道剩余使用寿命：通过建立多因子回归模型分析可 知土壤腐蚀性对腐蚀程度的贡献较大管道局部缺陷扩展导致的失效破坏发生，在使用 过程中具有很大的随机性，在管道设计、制造和安装过程中是难以预计的 2 9 1 。然而由 于腐蚀剩余寿命预测工作中存在很多的不确定因素：包括环境、力学和材质状况等因 素都难以取得确定的结果，尤其是实际工况下缺陷的发展规律很难确定，造成了腐蚀 剩余寿命预测工作相对于剩余强度评价难度增大。当前除管道疲劳寿命预测研究得相 贵州大学硕士学位论文 基于人j = 神经舟络埋论的埋她燃气管线腐蚀殿剩余寿命预测的研究 1 3 菲线性科学神经网络 人工神经网络是谯二十世纪八十年代中期迅速发展起来的一门非线性科学 4 1 , 4 2 , 4 3 , 4 4 。它是由大量的县有相同功能的简单单元神经元，相互连接而成的复杂 网络系统。它力图模拟人骆的一些基本特征，即鸯逶应性、塞缀织经，函数映瓣毪帮 高度麴容镣往，在楚理多维菲线往问黻方面其有猿特的优越性。= 程上，广泛使用豹 是误差反向传播前馈网络( b p ) ，它的重要功能之一是：进行多维复杂非线性函数的 映射。一般来说，一个三层网络的拓扑结构可以遁避任意紧密集上的连续函数f 4 l 烈。 埋建爨气篱线在主壤孛弱藤镶过程，受歪l 壤缓袋鞫壤馥蛙霞豹支琵，藤缓遴率与 壤影响因素之问是一个笺杂的多维函数关系。如果仅依靠建立数学模型，难以考虑众 多的因素，使埋地燃气管线腐蚀速率预测难度增加，而且选择决定土壤腐蚀遮率的显 著泛素瞧缀圈难。由于人工糖经鼹络农处理多维数举阀题方蟊熬饯越性，可以餍予建 立主壤影螭闲素耨a 3 镄瘸锤速率之闽菲线性关系的量纯模型。 1 4 本课蹶的主要工作 l 、零谍嚣在广泛毅褰国内辨资耩帮瑗扬诿磷麴蒺稿主，铮瓣淫建燃气辫线静实 际工况，选取了贵阳市熟型腐蚀性土壤，进行传统的现场埋片实验，采用扫描电镜 s e m 、能谱分析e d x 等寝面分析技术，对管线的腐蚀特点、类溅、因素及机理进行 全委深入蟪分叛。 2 、在象内，对不同禽水量的壤及其浸出液，运用自腐蚀魄位、极纯曲线、阻 抗谱e i s 一系列电化学测试方法，对a 3 钢在土壤中的电化学腐蚀行为进行分析，确 定了平均腐蚀速率；采用s e m 、e d x 等表面分析技术，对试件波面的腐蚀形貔进行 分辑，搽淫了恕镶在壤中耱瘫疆飘骥，我崮 影l 镌堙燕l 攥气鹫线瘗毽缒兰黎嚣素， 为埋地燃气篱线腐蚀剩余寿命的预测，提供了实验数据。 3 、针澍目前剩余寿命预测方法的不足，本文提出了将b p 人工神经网络皮用于 管线腐蚀剩众寿命的预测，建立了剩余毒翕颈溅麴b p 人工张经鼹络模型，磷囊了 a 3 镄在壤巾豹腐蚀速率与壤理能瞧质之阍的豢纯关系，分析了腐蚀速率随管相 关理化性质变化的动态规律。 4 、在对腐蚀速率研究的基础上，建立了腐蚀剩余寿命预测模型；在对b p 人工 糖经嚣终磷究麓基磷上，瓣窝瑗凌嚣豹藤镳数据，建立了天王毒搴缀霹络瘸洼翳余寿命 模型。 贵辩大学硕士掌位论文基乎a 工神经搿络理论的埋地燃气管线穗蚀及剩余寿命预测的研究 第二章土壤腐蚀试验 瘸链速率是迸芎亍管线瀚余寿命预测的基确。本章通过a 3 钢管道现场堙片熨验、 极化曲线测试和电化学阻抗谱e i s 等一系列测试，采用扫描电镜s e m 、能谱分析e d x 技术，研究a 3 铜管道在土壤中的腐蚀行为、腐蚀机理及腐蚀规律，确定a 3 钢在不同 土壤中的腐蚀形态，先建立土壤中a 3 钢管道耀蚀速率与土壤痿蚀辍素之阉的豢化关 系模型，提供理论依据和数据基础。 2 1a 3 钢在贵阳市三种典型土壤中的现场埋片实验 现场埋片实验怒研究域地金属管道腐蚀最可靠的方法之- - 2 2 1 ，能够获得最原始的 资料，对研突管道震蚀意义重大。为了掌握贵嬲枣土壤痿蚀性及冀变亿娥律，磋突管 线最可能存在的腐蚀形态，对a 3 钢进行为期2 4 0 天的现场埋片实验。 2 1 1 材料的选择 选用a 3 钢为实验用材，其化学成分见表2 1 1 4 甜，企相组织见闰2 1 。从图中可以 嚣出：众提缀织沿孝b 割方嶷呈强豢螅豢状努毒，凝爨铁一碳耀銎霹知这怒耍共攒镪， 寝温下它们的平衡组织主要为均匀黑色祭状珠光体+ 囱色的铁索体，晶粒度细小。经 过缕砂处理豹a 3 锈，在其表蠢部分，菇粒缀小、致鬻。 表2 1a 3 钢纯学残分( 谢g l 材料m n c rn it icps s if e ia 3 钢 0 4 2o 3 00 0 1 9 0 0 2 9 0 0 1 余量 ( a ) 未喷砂中段 图2 1金耀缝织( 2 0 0 ) ( b ) 喷砂边缘 贵州大学碗士学位论文 基于人工神经瓣络理论的埋地燃气管线赭蚀及剩余寿命预测的研究 2 1 2 土壤的选择 选爝贵阳市典型的、腐蚀往较大地区的、深度为1 0 米左右的土壤，逐行分析 均 农中科院金属所土壤缀进行) ，相斑的理化性质，见表2 2 。 2 1 3 现场实验方法及结果 试样的制器：通过线切割将如钢加工成1 0 0 6 0 毫米的片状。制备过程中，尽 可能避免对试片造成机械划伤：表面应谶行除锈、除氧化皮、边缘的棱角和毛刺应尽 最锉平。然后按下列攫序准螯：编号清洗、于燥称羹、溅爨挝边记 求我而积备用。对边后，试样形貌如图2 2 所示。 袭2 2贵阳市典型壤毽化性旗 试坟 1 # 3 8 土壤类型粘壤土 粘土粘壤土 硫酸裰离子禽量( ) o 。5 9 0 0 0 1 20 0 0 3 2 p h 僮 5 。5 97 77 。8 碳酸根离子禽量( ) 6 9 38 4 44 2 7 碳酸氢禳离予含( ) o 。0 1 3 4 20 0 2 1 9 6o 0 1 7 0 8 氯离子含鬃( ) 0 。0 0 2 6 0 。0 1 1 7 20 ，0 0 6 3 9 氧化还原电位( m v ) 5 0 05 0 05 0 0 总含盐量( 钧 0 0 4o 0 5o 0 3 垒硫( 哟 o 。1 2o 。0 9 0 0 4 有机质( ) 0 7 3 22 2 40 7 8 交换谯酸( m e f l 0 0 9 ) 瑶。l啪1 o 。l 土壤含水黧c ) 4 9 5 2 5 0 1 36 0 3 3 电阻率( q m ) 1 3 2 3 02 5 试样的埋设：理藏时，坑底先网填1 0 厘米的厚细软土，放上试件，回填时先放 缨，然后按挖出的土层蹶廖回壤，回填时分层夯实 l 冬岁。 e 、有焊缝和没有焊缝的a 3 钢试片，在相同介质条件下，平均腐蚀速率分别为：2 “ 坑腐蚀速率分别为 l 。1 3 2g d i n 2 a 、o 9 7 6g d m 2 a ；3 4 坑腐蚀速率分别为 9 。8 4 5 9 搿m 2 a 、8 4 5 0g d i n z 。a ，在蕊继嚣霹萁形貔送行魔察，发瑷焊缝及冀热影响 区，点腐蚀较为严重，说明在实验范围内，焊缝及其热影响隧对a ，钢腐蚀有影 响。 f 、经过喷妙处理窝未经l 建矮砂楚璞懿a 3 钢试片，农援圈套蕨祭传下，乎聪瘸镶速 率分别为：2 ”坑腐蚀速率分剃为o 7 9 0 9 d i n 2 。a 、o 9 7 6 - g d m 2 a ；3 4 境腐蚀速率分别 为8 2 5 9 9 d m 2 a 、8 4 5 0 9 d m 2 a ，这说明经过喷砂处理，腐蚀逋率减小，因此喷砂 处理对a 3 钢腐蚀有影响。 2 2 a 3 钢在土壤、土壤浸出液中的极化曲线特征 为了在较短的时间内获得更多a 3 钢在土壤中的腐蚀信息，本节采用电化举方法 疆究矗3 钢在主壤及萁浸窭液孛静辍健藏线将筵，密魏寒分舞岛镄主壤瘸蛙豹酝纯学 行为，讨论不同含水量土壤对a 3 钢腐蚀的影响；同时取得了相应的腐蚀速率，为腐 蚀速率的预测提供数据基础，最后将用极化曲线计算的腐蚀速率与现场埋片腐蚀速率 遴嚣了比较，分橱造成茇努瓣器因。 贵州大学硕士学位论文 基于人工神经网络理论的埋地燃气管线腐蚀及剩余寿命预测的研究 2 2 1 实验方法与内容 含水量是影响材料土壤腐蚀的一个重要因素j ，它是使土壤成为电解质，构成电 化学腐蚀的关键因素，直接影响到与土壤腐蚀有关的其它因素，如土壤的透气性、电 阻率、固、液、气三相的组成结构等，并与盐含量、酸碱性等因素间具有较强的交互 作用。将从现场取回的土壤进行简易的处理后，在不改变土壤理化性质情况下，用来 模拟和加速土壤腐蚀实验。 ( 1 ) 电化学试样制备：选用a 3 钢为实验用材，化学成分、金相组织分别如表 2 1 和图2 1 所示。将a 3 钢通过线切割加工成1 5 1 5 的正方形试样，与导线焊接后， _ ；l j 环氧树脂( 加入适量的固化剂) 涂封。试样工作面用水砂纸逐级打磨至1 2 0 0 4 ，经 阳剿去油烘干，干燥器里备用。( 2 ) 不同含水量土壤的制备：为了使实验结果具有可 比r i ：，将现场取回的土壤作为实验介质，其理化性质见表2 - 2 。土样经自然干燥，再 1 2 0 c 恒温烘干6 小时，研磨后用2 0 目的筛子过筛，使土壤粒度均匀。经过处理的土 样按不同比例与蒸馏水混合，配置成水分含量分别为1 5 、2 0 、2 5 、3 0 、饱和 ( 根据经验法测定1 2 3 】) 的土壤介质，为防止实验过程中含水量变化，须加盖密封。( 3 ) 土壤浸出液的制备：称取风干土样( 粒度l m m ) 1 0 0 0 9 ，加入蒸馏水5 0 0 0 r a l 振荡机 上振荡5 r a i n ，取上层悬浊液