（安全技术及工程专业论文）20＃钢在大庆典型土壤中的腐蚀规律及预测.pdf

摘要 2 0 # s t e e l sc o r r o d i n gl a w sa n df o r e c a s t so nr e p r e s e n t a t i v es o i lo fd a q i n g a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s , t h i n k i n go fw o r k i n gs a f e 2 0 # s t e e li sa p p l i e dt os i g n i f i c a n tc o n s t r u c t i o np r o j e c ti n t h eh o m e l a n dm o r ea n dm o r e ，e s p e c i a u yt ob u r y i n gf i e l df a c i l i t i e s , t h e r e f o r e ，t h es t i l d yo i l2 0 # s t e e l s c o r r o d i n gl a wa n df o r e c a s t sh a sv e r ys t r o n gt h e o r ys i 舯逾啪a n dg i g a n t i cr e a l i s t i cv a l u e b u tt h e s o r t so fd e s c r i b 吨s o i lc o r r o s i v i t yf a c t o ri se x c e s s i v e l yi m f l l e r o o s ，t h er e p o r t e di n f o r m a t i o ni sr e p e a t e d a g a i na n da g a i n ，a n dt h ei n d o o rs i m u l a t i o ni sh a r dt ob ed o n e ，t h e s el e a d st oi ti sv e r yd i f f i c u l tt os u mu p t h em e t a l sc o r r o s i o nl a w si ns o i le f f e c t i v e l y t h ea u t h o rc a r r i e do u ti n v e s t i g a t i o na n dl o g i ca n a l y s i sb a s e do nl a r g ea m o u n to ff i e l ds u r v e yt ot h e 2 6k i n d ss o f te n v i r o n m e n t a lf a c t o rw h i c hi sl i s t e di nt h eb o o l 卜一( t h ee x p e r i m e n t a lr o l e so fm a t e r i a l s o i lc o r r o s i o ni n t h eo u t d o o rs c i e n c ee 】q 培r i i 玳眦w e b s i t ea b o u t c o u n t r ym a t e r i a le n v k o n m e n t c o r r o s i o n t h r o u g hi n v e s t i g a t i o na n a l y s i s ，6k i n d so ft h ee n v i r o n m e n tc o r r o s i o nf a b - q o r $ a r er e m o v e d ； t h r o u g hl o g i ca n a l y s i s 1 1k i n d so f ”o n e - l e v e lf a c t o r 。w h i c hd e c i d eo t h e re n v i r o n m e n tc o r r o s i o nf a c t o r s d i r e c t l ya n dh a v e n tr e p e a ti n f o r m a t i o na r ec h o s e n a n dt h e n , t h r o u g ht h ee x p e r i m e n to nc h o o s i n gk e y f a c t o r s 4k i n dk e yf a c t o r sa r cc h o s e na tl a s t 幻b u i l di n d o o re x p e r i m e n tm o d e lw i t ht h e “t i m e f a c t o r b a s e do nt h em o d e l ，t h ei n d o o rs i m u l a t i o no r t h o g o n a l i t ye x p e r i m e n ta n dt h ee l e c t r o c h e m i s t r y e x p e r i m e n ta r ec a r r i e do u t , s ot h a t2 0 # s t e e lc o r r o s i o nl a wc a nb es y s t e m a t i c a l l ys u m m e du p t h r o u g h t r a i n i n ga n ds i m u l a t i n gt h ed a t ac a m ef r o mt h ei n d o o rs i m u l a t i o no r t h o g o n a t l ye x p e r i m e n ta n dt h ef i e l d s u r v e y , t h ew e bm o d e lb a s e do nm a a bl a n g u a g et of o r e c a s t2 0 # s t e e l sc o r r o s i o nb e h a v i o ri nd a q i n g o d f i e l d i s b u n l k e y w o r d s ：m e t a lf a i l u r ea n a l y s i s ；s o i lc o r r o d e sl a wa n dt h ef o r e c a s t ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ； o r t h o g o n a l i t ye x p e r i m e n t ；2 0 # s t e e l i v 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所知， 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 适用本规定 ：芸溺芋翔 日期：7 彬 o 为一常数，被称为饱和值，为该神经元的最大输出。 ry i fn e t 8 f ( n e t ) = 弋k , n e t i fl n e t i o ) ，它直接 接受第j - i 层的输出；输出层：它是网络的最后一层，具有该网络的最大层号，负责 输出网络的计算结果；隐藏层：除输入层和输出层以外的其它各层叫隐藏层，隐藏层 不直接接受外界的信号，也不直接向外界发送信号。 输出层的层号为该网络的层数：n 层网络，或n 级网络。第j 一1 层到第j 层的 联接矩阵为第j 层联接矩阵，输出层对应的矩阵叫输出层联接矩阵。一般用用x 表示 输入矩阵，w 表示连接矩阵，0 表示输出矩阵。 输入层 输出层 图1 - 1 2 简单单级网拓扑结构 大庆石油学院硕士学位论文 1 3b p 网络原理分析 1 3 1b p 网络的特点 b p 网络是一种多级前馈型网络，它采用有导师学习的方法，算法是非循环多级 网络的训练算法嘲。在神经网络中，它是最常用的、最成熟的神经网络之一，具有以 下优点： ( 1 ) 可免去数据的分析工作和建模工作。通过对训练样本集的学习，神经网络 能够发现其中隐含的信息规律，该规律受到人为支配的限度最小，可避免或大大减少 常用的数据分析工作和建模工作。 ( 2 ) 具有较强的自适应、自组织学习能力。通过对训练样本集的学习，利用最 优化方法中的最速下降法，沿误差曲面进行搜索，不断调节神经网络神经元之间连接7 的权值，最终和训练样本集的输出值达到一致。神经网络在完成对训练样本集的学习 的同时，还能搜寻其中内在的蕴涵规律，并记忆下来。 ( 3 ) 能较好地完成复杂的输人和输出的非线性映射。 ( 4 ) 具有较强的收敛性和较好的容错性，能较好地处理数据量少和个别数据不 精确的情况。 ( 5 ) 并行处理能力强，识别预测迅速、准确，稳健性好。 b p 网络的弱点是训练速度非常慢、局部极小点的逃离问题、算法不一定收敛。 这些问题需要通过在具体应用中不断总结经验，改进算法，调整网络结构、训练参数、 初始权值，进而建立合理的网络模型来解决。 1 3 2b p 网络的拓扑结构及训练过程 ( 1 ) b p 网的拓扑结构 b p 人工神经网络是典型的多级前馈网，它的拓扑结构如图卜1 3 所示： 输入层 隐藏层 _ 叶s 输出层 图1 - 1 3 多级前馈网拓扑结构 第一章原理分析 ( 2 ) b p 网络的训练 b p 网络的训练就是通过应用误差反传原理不断调整网络权值使网络模型输出值 与已知的训练样本输出值之间的误差平方和达到最小或小于某一期望值。b p 算法主 要包含4 步，这4 步被分为两个阶段： 向前传播阶段： 1 ) 从样本集中取一个样本( 酶，y p ) ，将k 输入网络： 2 ) 计算相应的实际输出瓯： o p - - f l ( ( f 2 ( f l 、) l ，( 1 ) ) w 唧) w 吻 向后传播阶段误差传播阶段： 1 ) 计算实际输出o o 与相应的理想输出l 的差； 2 ) 按极小化误差的方式调整权矩阵。 3 ) 网络关于第p 个样本的误差测度：， e ，- 蘧。( ，) 2 4 ) 网络关于整个样本集的误差测度： e ：丫ep 勺 1 3 3b p 网络基本算法的理论基础( 梯度下降法) ( i ) 基本假设 网络含有l 层；各层的联接矩阵：耳”，w 协，w ；第k 层的神经元： k 个；自变量数：n * h 一+ h - 卅k + h 2 心+ + h 锄；样本集：s = ( x l ，y 1 ) ，( x z ，y 2 ) ，y s ) ( 2 ) 误差测度 e = e p 用e 代表b ，用( x ，y ) 代表( x r ，y r ) x = ( x l ，x 2 , ，x n ) y = ( y l ，y 2 ，y m ) 该样本对应的实际输出为： 0 = ( 0 1 ，0 2 ，0 ) ( 3 ) 用理想输出与实际输出的方差作为相应的误差测度( 图1 - 1 4 为相应的示意 图) 。 1 4 大庆石油学院硕士学位论文 w 焉地此时a w “o 罨如此邮w l j 加 图1 - 1 4a w - j 的关系示意图 e = 寻善帆吨) 2 按照最速下降法，要求e 的极小点，应该有： 而其中的 所以 令 w 。一旦 9 o w h 一旦一生旦堕 押ga n e t j 脚 删，2 ；w ”) t o n e t _ _ _ l 押 押 _ o i d eo e 0 n e t j 一一- - - - - - 一 o w j j0 n e t i 押n 所以a w i j = a6j o i ，o 为学习率。 a e 0 n e t j a e 一o # n e t j d 一旦 a n e t j 第一章原理分析 ( 4 ) 下面的问题是求解6 ，- 一，需要按照a n ，是输出层的神经元和隐藏 层的神经元分别进行处理。 。 觑甜， 1 ) 当a n ，为输出层神经元时，注意到： o j = f ( n e t j ) 容易得到 旦o n e t f ，( n e i j )： 、 j 从而 。 a e d j o n c t j 注意 所以 一旦剑 a o j a o j 一哇掣 - ( 一丢( y j q ) ) 1 = 饥q ) d j = ( y j q ) f 砸n j ) 故，当a n j 为输出层的神经元时，它对应的联接权w i j 应该按照下列公式进行调 整： w 日= w + a d j o i = w h + a f n c t j ) l v j q ) o i 2 ) 当a n j 为隐藏层神经元的时候，考虑将“信号”向网络的输出方向“推进”一 步，使之与o j = f ( n e t j ) 相关： d i = - 旦 a n e t j a ea o ； a o ：a n c t ： 由于o j = f ( n e t j ) ，所以 1 6 旦姒妣 里鸭旦鸭 一 一 从而有 大庆石油学院硕士学位论文 旦：f j ：n e t i ) a n e t j d j = 一 m t j ) e = 丢薹 目前只用考虑将o ，送到它的直接后继层的各个神经元。不妨假定当前层( 神经 元a n j 所在的层) 的后继层为第h 层，该层各个神经元a n j 的网络输入为 n c t k = 薹w l 所以e 对o ，的偏导可以转换成如下形式： 嚣一耋面ae00a n e t 等a o ) i 岛、 kf n e t k 是o j 下一级的神经元的网络输入。可得： 从而 倒a o 罟o o 一- 塞饥 _ i - u w i包” m ：一旦 o n e t k f i ：n e t j ) d j = 隆w 小慨， 1 7 、一，、 罨i 的 一 k k l 毛j 一碱 l 一似 一a a耋耋 k 一 日。一j监峨里呜 a m f d 堡鸭皤 - 一 - - d 第一章原理分析 故，对隐藏层神经元的联接权w u ，有 哪隆) ，。毗 w + a 隆w 业卜妒t 1 4 小结 本章通过对土壤腐蚀原理的分析，特别是对土壤腐蚀环境因素的逻辑分析，得出 了1 1 种土壤腐蚀的基本因素。这些因素具有一个共同特点，就是它们都是可以很方 便的在室内模拟实现。 通过对人工神经网络原理的分析，特别是对b p 人工神经网络特性的分析，了解 了b p 人工神经网络的结构、训练、算法等方面的特点，为建立合适的人工神经网络 预测模型奠定了理论基础。 大庆石油学院硕士学位论文 第二章现场调查 2 1 埋地管道腐蚀情况调查 2 1 1 调查目的及内容 为了掌握目前大庆油田以2 0 # 钢为材质的埋地管道的腐蚀状况、腐蚀类型，了解 土壤腐蚀的危害性，进行了埋地管道腐蚀情况调查。 分区块对大庆油田各厂矿的埋地管道进行了调查，检测长度共计3 9 1 8 0 7k m ， 检测比例占大庆油田各系统管网总长度的7 3 5 。调查内容包括： ( 1 ) 确定外防护层破损状况及管道漏铁点： ( 2 ) 确定管道腐蚀的风险段，进行开挖验证和管体腐蚀测试； ( 3 ) 确定管道腐蚀类型、腐蚀长度、腐蚀比例、穿孔频次等腐蚀数据。 2 1 2 调查方法 防腐层破损点检测主要采用人体电容法伫刀嘲。采用的仪器是s l - 2 0 9 8 型埋地管 道外防腐层状况检测仪及信号发射机。 ( 1 ) 检测原理 ， 发射机通过直接连接的方式，向地下管道发送特定的电磁波信号，在地下管道防 腐层破损点处与大地形成回路，并向地面辐射，在破损点正上方辐射信号最强，根据 这一原理找出管道防腐层的破损点。 ( 2 ) 检测方法 它是用人体做检测仪的感应元件沿管道走向检测，利用前后相隔一定距离的两个 检测人员的人体形成的电容，把防腐层破损点处漏失电流形成的电位信号感应送到接 收机进行滤波放大、处理，再通过音响器件声音报警提示或指针表直接指示出地下管 道外防腐层的破损点位置。 图2 - 1 人体电容法测量防腐层缺陷示意图 1 9 第二章现场调查 2 1 3 调查结果 表2 - i 给出了埋地管道腐蚀调查的结果。 表2 - 1 各区块管道腐蚀，穿孔情况统计 图2 - 2 为现场调查中有代表性腐蚀情况的照片。 图2 2 埋地管道现场调查典型腐蚀情况 大庆石油学院硕士学位论文 2 2 土壤环境因素调查 2 2 1 调查目的及内容 为了建立更有针对性的土壤腐蚀室内模拟埋片实验模型，给确定模型中各参数的 取值范围提供依据，给人工神经网络提供训练、检验的数据样本，进行了土壤环境因 素调查。 根据以上对2 0 # 钢埋地管道腐蚀情况的调查，选择2 0 个具有代表性的地段做为 取样点，并在该地段的管道实际埋深处进行现场勘测，然后采集土样到实验室内进行 化验分析，获取各取样点土壤腐蚀环境因素的量值。同时给出大庆中心站在各取样点 现场埋片实验( 实验周期为1 2 0 天) 中测定的管道腐蚀速率及平均最大腐蚀坑深。 2 2 3 调查方法 根据国家材料环境腐蚀野外科学试验网站材料土壤腐蚀试验规程所规定的方 法测量各种土壤腐蚀环境因素的量值。但是由于所用实验方法过于繁冗复杂，考虑到 文章结构的紧凑，突出文章的主题思想，把这些方法列于附录a 2 2 2 调查结果 表2 - 2 、表2 - 3 、表2 4 是对各取样点的调查结果。 表2 - 2 土壤环境腐蚀因素调查表i 第二章现场调查 序c o b 2 - h c 0 3 n 0 s - i c + n a + ( 以c 计) o p + m 9 2 + ( 以o a 2 + 计) 腐蚀速率 号( m g k g ) ( z g k g ) ( m g k g ) ( m g k g ) ( m g k g )( g 搿a ) 最大深度 2 2 大庆石油学院硕士学位论文 2 3 小结 通过埋地管道腐蚀情况调查，可以看出大庆油田地区管道外防腐( 保温) 层破损 严重，管体腐蚀比例比较大，穿孔现象频有发生，腐蚀类型多为局部腐蚀，还有可能 存在点蚀。总体来说，大庆油田2 0 # 钢埋地管道的腐蚀情况不容乐观。 通过土壤腐蚀环境调查，可以得出大庆油田地区各项土壤环境腐蚀因素的大致取 值范围。但是，为了更广泛的代表大庆油田地区的土壤特性，避免取值范围偏小，通 过查阅全国土壤腐蚀网站大庆中心站的历年土壤腐蚀调查记录，制定了大庆油田地区 土壤环境腐蚀因素取值范围表( 见表2 5 ) 。 表2 - 5 土壤环境腐蚀因素取值范围设定表 。 含水量容重孔隙度温度土壤电阻率自腐蚀电位 o ” ( ) ( g 3 ) ( )( )( o m ) ( m v ) 范围3 3 01 1 1 73 7 5 71 0 2 00 2 2 0 0- 3 0 0 - 7 6 0 名称空嚣量氧化需电位 p h 值( 总含m g 盐量k g )( 善)( 嚣冤) 第三章土壤腐蚀实验模型的建立 第三章土壤腐蚀实验模型的建立 3 1 土壤腐蚀环境因素的逻辑关系分析 通过分析各土壤腐蚀因素之间的逻辑关系，可以从中选取即能最好的反映土壤腐 蚀性，又能最少的遗漏腐蚀信息的基本参数，来建立土壤腐蚀室内模拟埋片实验模型。 图3 1 列出了剩余1 8 种考虑因素之间的逻辑关系。 土壤腐蚀环境因素的逻辑关系 一级因素 二级因素 三级因素 图3 - 1 土壤腐蚀环境因素逻辑关系图 上图中，各上级因素共同派生的下级因素都用有球状末端的箭头连接表示。 可以看出，土壤腐蚀环境因素可分为三个级别。其中，“一级因素”是基本因素， 它们直接决定其它各级因素的腐蚀作用，并且各“一级因素”间不存在信息重迭的问 题。由于室内模拟埋片实验选用的是沙土，所以“一级因素”中的“土壤质地”在建 立土壤腐蚀模型时不必考虑。 大庆石油学院硕士学位论文 3 2 关键参数选取实验 3 2 1 实验目的 如上一节所述，由于土壤腐蚀环境因素中的一级因素直接决定其它各级因素，而 且各一级因素之间不存在信息重迭问题，可以用它们做为建立土壤腐蚀实验模型的参 数。但是，这样建立的土壤腐蚀模型，考虑因素还是太多，而且有些因素在大庆油田 地区对土壤腐蚀的作用f 6 t d , ，可以忽略不计。 所以可以用这1 1 种一级因素做为实验因素进行正交实验，然后通过方差分析，得 出各因素对腐蚀速率的f 比，并以之和f 临界值比较，从而得出每个因素对腐蚀速 度的作用大小，进而挑选出作用效果显著的因素，做为建立土壤腐蚀模型的关键参数。 3 2 2 实验土样的制备及基本参数的模拟 ( 1 ) 实验用标准土样的制备 实验土样直接采用管道埋深处原土，取出土中的大石块。取回后用土铲充分分散 土样，然后用2 0 0 目的土壤筛筛分。将筛分出来的土样用水浸泡，静置2 4 小时后将 澄清液倒掉，然后放在烘箱内在温度1 0 5 一1 1 0 0 c 的恒温下烘至恒量。这样，土壤中 原有的可溶盐与水分都被滤掉，便于模拟各种土壤腐蚀的基本参数。用电子天平称量 出1 5 0 0 克经过上述处理的土壤，一份实验用标准土样就制备完毕了。 ( 2 ) 实验基本参数的模拟 1 ) 模拟土壤孔隙度 在标准实验容器上( 本文指埋片用塑料桶) 刻出各个土壤孔隙度相应的刻度，然 后将制备好试验用标准土样放入桶内，将其拍实至指定刻度就可以得到相应的土壤孔 隙度。 2 ) 模拟土壤含水量 根据试验用标准土样的质量计算相应水平下所需水的质量，用电子天平称量并精 确至o 0 1 克。将蒸馏水用喷壶均匀喷在在试验用标准土样上，并用土铲拌均匀，就 可以得到相应的含水量。 3 ) 模拟p h 值 根据试验用标准土样的质量计算相应水平下所需 i + 或o h - 的量，然后换算出相 应的醋酸或氢氧化钠的量，用电子天平称量并精确至0 0 1 克。溶于该实验需要的相 应蒸馏水中，搅拌均匀后用喷壶均匀喷在在试验用标准土样上，并用土铲拌均匀，就 可以得到相应的p h 值。 4 ) 模拟离子含量 由于士壤是呈电中性的，所以土壤中的阴阳离子的物质的量是相等的，而阳离子 第三章土壤腐蚀实验模型的建立 主要就是k + 、n a * 、c 矛+ 、m 9 2 + 等离子，阴离子主要是h c 0 3 。、c 0 3 2 。、c r 、s 0 4 2 - 、 n 0 3 等离子，进行模拟的时候要根据各因素在该实验的水平来计算它们之间的对应关 系。其它的模拟方法和p h 值的模拟方法一致。 5 ) 模拟温度 温度的模拟使用k w y - - - 6 0 0 土壤腐蚀实验箱，温度控制误差1 。 3 2 3 实验材料、介质及装置 ( 1 ) 实验材料 实验材料为2 嘶钢冷却水化学处理标准腐蚀试片，成分( 质量分数) 为：c ，0 0 9 1 ； s i ，o 。2 2 ：m n ，0 8 9 ；p ，0 0 0 4 2 ；s ，旺0 0 2 ：f e ，余量。试片的外观尺寸： 5 0 0 m m x 2 5 0 m m x 2 0 r a m ，表面积为2 8 0 ( k 2 1 n 2 。在试片一端距棱边5 m m 的中央处开 有由3 m m 小孔，并打有钢号。表面经机械加工达到一致的表面平整度。用无水乙醇、 丙酮棉球擦洗试片除油，冷风吹千，于干燥器内放置2 4 小时，用t g 3 2 8 a ( s ) 型光 电分析天平( 精度o 1 l n g ) 称重，然后放于干燥器内备用。 ( 2 ) 实验介质 实验土壤在土壤质地为沙土的5 号取样点选取，将其制备成足够多份标准实验用 土样，并按照实验需要分别模拟各项理化性质。 ( 3 ) 实验装置 埋片容器为塑料桶，上部最大直径1 6 c m ，底部最小直径1 2 c m ，高l l c r a 。为了 保证实验过程中含水量稳定，用塑料薄膜对桶口进行密封，并在薄膜上开5 个小孔用 于透气。实验结束后对实验土壤的实际含水量进行了分析，结果证明含水量交化很小。 实验在土壤腐蚀实验箱内进行。实验箱型号为k w y - - - 6 0 0 ，功率6 k w ，温度控 制误差1 。 3 2 4 实验设计 本试验以1 1 种土壤腐蚀“一级因素”为实验因素，同时根据它们在土壤环境因 素调查所得的取值范围( 见表2 - 5 ) 分别设定3 个水平。以3 0 天为周期，进行1 l 因 素3 水平( l 玎( 3 “) ) 的室内模拟埋片正交试验。其因素水平设置情况见表3 - 1 ： 大庆石油学院硕士学位论文 表3 - ik ，( 3 “) 室内模拟埋片正交试验因素水平设置表 3 2 5 实验方法 c i 含量 s 0 4 2 台- 量 n 0 3 。 含量 c a 2 + m 9 2 + 含量 h c 0 3 含 量 c 0 3 z 。含量 温度 p h 值 k + + n a + 含量。 2 ) 对平均最大腐蚀坑深的影响作用顺序是：含水量 c i 含量 孔隙度 c 0 3 2 - 含- 量 s 0 4 2 含量= n 0 3 含量= h c 0 3 含量= p h 值 温度= 心+ n a + 含量= c a 2 + + m 9 2 + 含量。 3 ) 对两种实验指标作用的显著性因素都是含水量、孔隙度、c r 含量，所以把这 3 种因素作为土壤腐蚀室内模拟埋片实验模型的主要参数。 。 4 ) h c 0 3 台 量、c o 产含量、s 0 4 2 含量、n 0 3 - 台 量、e + n a + 含量、c a 2 + + m 矿 含量的f 比的和也大于临界值，所以这几项因素的共同作用对实验结果的影响也很显 著。根据土壤腐蚀因素逻辑关系表可以看出，它们的共同作用结果实际上是体现在含 盐总量及氧化还原电位上的，而事实证明，氧化还原电位对金属在土壤中的腐蚀并不 具备规律性，所以只把含盐总量也算做土壤腐蚀室内模拟埋片实验模型的主要参数。 第三章土壤腐蚀实验模型的建立 - 综上所述，可以用含水量、孔隙度、c t 含量、含盐总量等4 种土壤腐蚀环境因 素建立土壤腐蚀审内模拟埋片实验模型。考虑到会属在土壤中的腐蚀规律是随着时间 的变化而变化的，同时也基于对土壤腐蚀行为预测的需要，时间因素也应该算做实验 模型中的一个组成部分。 根据实验结果，分别绘制了1 1 种土壤腐蚀环境因素对2 种实验指标( 腐蚀速率、 平均最大腐蚀坑深) 的效应曲线图( 见图3 - 2 图3 - 3 ) 。 从图3 2 、图3 - 3 中可以看出，土壤腐蚀环境因素对2 0 # 钢在土壤中腐蚀速率的 影响作用呈现以下规律： 1 ) 随着含水量、孔隙度、c l - 含量的增大，腐蚀速率也会增大，并出现一个峰值， 之后随着它们的增大，会对腐蚀速率有一定的抑制作用。 2 ) 温度、h c 0 3 _ 含量、c 0 3 含量、s 0 , 含量、n 如。含量、l ( + n a + 含量、c a + m g 含量的增大而增大； 3 ) p h 值的增大对腐蚀速率有一定的抑制作用。 从图3 - 4 、图3 - 5 中可以看出，土壤腐蚀环境因素对2 0 # 钢在土壤中平均最大腐 蚀坑深的影响作用呈现以下规律： 1 ) 氯离子含量、孔隙度、温度、h c 0 3 含量、c 嘎含量、s o - 含量、n 0 , _ 含量、k + + n a 含量、c a + m g ”含量对平均最大腐蚀坑深有促进作用； 2 ) 含水量增大对平均最大腐蚀坑深有一定的促进作用，但增大到一定程度后对 腐蚀速率有抑制作用。 3 ) p h 值对平均最大腐蚀坑深有抑制作用。 2 0 茵- 。 毯1 8 饕1 7 懊1 6 1 5 一含水量 小孔隙度 - o - - 温度 士一p h 值 - - ) k - - c l 1 水平2 水平 3 水平 图3 - 2 腐蚀速度随土壤腐蚀因素的水平变化的效应曲线i 1 7 6 1 7 4 童1 7 2 毯1 7 o 瑙1 6 8 莲1 6 6 1 6 4 1 6 2 大庆石油学院硕士学位论文 1 水平2 水平3 水平 一h c 0 3 斗c o ，厶 十s o _ x n 0 3 叫一k + + n a + - - o - - c a “+ m g “ 图3 - 3 腐蚀速度随土壤腐蚀因素的水平变化的效应曲线 一含水量 - - o - - 孔隙度 - = o = - 温度 十p h 值 和c l - 1 水平2 水平3 水平 图3 - 4 平均最大腐蚀深度随土壤腐蚀因素的水平变化的效应曲线i 量0 2 8 塾z z 如2 6 k 孵0 2 5 轷 0 2 4 l 水平2 水平3 水平 卜h c 0 3 。 + c 0 7 = - a - - - s 0 4 。2 + 衙 + k * + n a - o - - c a 2 + + m 9 2 + 图3 5 平均最大腐蚀深度随土壤腐蚀因素的水平变化的效应曲线 嬲 弱 孔 拢 o o o o 量聪螺基矮k略露牛 第三章土壤腐蚀实验模型的建立 3 3 对比实验 3 3 1 实验目的 为了检验所建立的土壤腐蚀室内模拟埋片实验模型是否符合实际土壤腐蚀规律， 进行了为期1 2 1 天的对比实验( 包括现场埋片实验及室内模拟埋片实验) 。 在室内模拟埋片实验中，实验标准土样的制备，参数的模拟( 含水量、c l 含量、 孔隙度) ，材料、介质、装置的选取以及实验方法都和关键参数选取实验完全一致。 现场埋片实验在1 号取样点现场进行，实验结果上文已经给出( 见表2 - 4 ) ，为了方便 比较，下文将再次给出。 表3 - 5 是在制备室内模拟埋片实验土样时，需要模拟的现场实际土样的理化指标 ( 4 种关键参数的取值和5 号取样点土样的完全一致，只是土壤质地由碱土变为沙土) ： 表3 - 5l 号取样点关键参数取植表 3 3 2 实验结果与讨论 ( 1 ) 宏观腐蚀形貌 图3 - 6 为2 0 # 钢的室内模拟埋片实验与现场埋片实验的宏观腐蚀形貌对比照片。 现场埋片实验室内模拟埋片实验 图3 - 6 宏观腐蚀形貌时比照片 从图中列出的腐蚀形貌图片可以看出，在两种实验下总体呈现出的腐蚀形貌特征 为典型的局部腐蚀，腐蚀区域外层均有沙粒紧密附着。去除表层沙粒后可见下面为红 棕色的锈层，锈层与金属基体结合紧密。用后处理液清除腐蚀产物后，腐蚀区域的颜 色较深，可明显地与未腐蚀区域区分，因此可以直观地观察到腐蚀区域的变化。大部 大庆石油学院硕士学位论文 分腐蚀区域都是溃疡状的腐蚀斑，只有少量的较深的蚀点痕迹，且这些蚀点均处于腐 蚀区域中间位置，其周围是较浅的腐蚀痕迹。 总体来说，两种试片的腐蚀的总体特征与发展规律在宏观上是相同的 ( 2 ) 微观腐蚀形貌 对两种实验的试片分别进行了s 脚分析，分析前对试片表面附着的沙粒进行了清 除，尽可能做到不破坏表面产物层的状态。选择了较小的腐蚀区域进行分析、拍照， 面积较大的腐蚀区域只进行了形貌观察。两种试片都出现了4 种典型的腐蚀形貌，分 别为腐蚀孔、腐蚀斑、腐蚀坑和腐蚀产物堆积( 见图3 7 ) 。 现场埋片实验室内模拟埋片实验 腐 蚀 孔 腐 蚀 斑 腐 蚀 坑 第三章土壤腐蚀实验模型的建立 腐 蚀 产 物 堆 积 图3 7 微观腐蚀形貌对比照片 从上图中可以看出，腐蚀斑与腐蚀坑都呈斑块状，腐蚀坑的中问区域深度较深。 随着腐蚀时间的增加，腐蚀坑的数量明显增加。腐蚀产物堆积这种形貌最为普遍。从 形貌的相似性来看，腐蚀斑深度加深后，就会成为腐蚀坑，而堆积的腐蚀产物下面可 能就是腐蚀斑或腐蚀坑。因此，上述3 种腐蚀形貌实际上可归为一类。相对来说腐蚀 孔出现的很少，而且与上述3 种腐蚀形貌完全不同。发现的腐蚀孔一般孔口最大尺寸 约为3 0 , - 4 0 z m ，远远小于其它3 种腐蚀形貌的尺寸，孔口边缘只有少量的腐蚀产物， 并未将孔口封闭。腐蚀孔很可能是一种新萌生腐蚀区域的形貌，其发展以后可能成为 腐蚀坑，也有可能继续向纵深发展，成为点蚀。 总体来说，两种试片的腐蚀的总体特征与发展规律在微观上是相同的。 ( 3 ) 腐蚀数据分析 表3 - 6 为两种实验的腐蚀数据分析，从中可以看出现场埋片实验与室内模拟埋片 实验的腐蚀数据有很好的一致性。 表3 - 6 腐蚀数据对比表 通过对比实验可以看出，由已选取的4 种关键因素建立的土壤腐蚀室内模拟埋片 大庆石油学院硕士学位论文 实验模型，与在相应条件下的实际土壤中进行的现场埋片实验的腐蚀行为有很好的一 致性。这说明室内模拟埋片实验模型是符合实际土壤腐蚀的发牛、发展规律的，由此 模型进行多因素腐蚀行为规律总结及预测是可行的。 3 4 小结 通过对关键参数选取实验结果的分析，排除了8 种对实验结果影响作用不显著的 土壤腐蚀一级因素( 温度、p h 值、h c 吁含量、c 旷含量、s o , 含量、n 0 3 一含量、k + + n a + 含量、c a ”+ m 9 2 + 含量) ，保留了对实验结果作用显著的3 种因素( 含水量、c 1 一含量、 孔隙度) ，增加了1 种由几种己排除的土壤腐蚀一级因素( h c 0 3 一含量、c 0 3 2 + 含量、s o , 含量、n 0 3 _ 含量、l c + n a + 含量、c a 2 + + m 矿含量) 共同派生的，对实验结果作用显著， 而且便于室内模拟的土壤腐蚀二级因素( 总含盐量) 。从而建立起由时间、含水量、 c l 含量、孔隙度、总含盐量等因素组成的土壤腐蚀室内模拟埋片实验模型。 通过对对比实验结果的分析，验证了室内模拟埋片实验与现场埋片实验，无论在 宏观腐蚀形貌、微观腐蚀形貌还是在腐蚀数据上都有很好的一致性，从而证明了已建 的土壤腐蚀室内模拟埋片实验模型是成功的。 第四章腐蚀行为规律研究 第四章腐蚀行为规律研究 4 1 电化学点蚀判定实验 4 i 1 实验目的、内容及原理 ( 1 ) 实验目的 通过埋地管道腐蚀情况现场调查( 见第二章) ，发现管道穿孔频次很高，并且通 过s e m 分析( 见第三章) ，发现微观腐蚀形貌中存在腐蚀孔，这说明2 0 # 钢在大庆典 型土壤中有可能会出现点蚀。而点蚀的腐蚀规律和一般局部腐蚀不同，蚀孔一旦形成， 便具有“深挖”动力口1 1 ，即向深处自动加速进行的作用，而且蚀孔将在管道什么部位 出现，腐蚀的程度如何，很难用有效的检测方法作出估计嘲，严重事故可能突然发生。 所以通过电化学方法判断2 0 # 钢在大庆典型土壤中是否会发生点蚀具有重要的实际 意义嘲。 ( 2 ) 实验内容 在2 0 个取样点中选取4 种最有可能发生点蚀的土样( 主要是看腐蚀坑的开口面 积与坑深之比，如果小于1 ，则有可能是点蚀) 进行电化学点蚀判定实验。 通过对腐蚀产物的s e m 分析，进一步讨论点蚀发生的可能性。 ( 3 ) 实验原理 本试验采用动电位扫描法，绘制2 0 # 钢在大庆典型土壤中的极化曲线。如果 2 0 i t 钢在大庆典型土壤中能够发生点蚀，则可以绘制出图4 - 1 所示阳极极化曲线，进 而可以得出如下参数： 1 ) 2 0 5 5 钢在大庆典型土壤中的点蚀电位e b ( r 是指材料产生点蚀，且蚀孔能持 续发展的最低电位) 、点蚀保护电位e p ( 保护电位b 是指已发展的蚀孔重新钝化的最 高电位) 、自腐蚀电位e o 及点蚀发展速度； 2 ) 2 0 # 钢在大庆典型土壤中的点蚀发生、发展的边界电位条件：当e o e p 时，钝化膜发生破裂；当e o f m 时，该金属将会产生点蚀；当 e 。、岫 uv之 箔v、田 第四章腐蚀行为规律研究 4 2 多因素腐蚀规律研究实验 4 。2 1 实验目的 本实验的目的是在己建立的土壤腐蚀模型的基础上，进行室内模拟埋片实验，总 结各个关键土壤腐蚀因素对2 0 # 钢的影响规律。 本实验的土样制各、参数模拟、材料、介质及装置、实验方法都和关键参数选取 实验一致。 4 2 2 实验设计 + 本试验以土壤腐蚀模型的5 种土壤腐蚀关键因素为实验因素，同时根据它们在土 壤环境因素调查所得的取值范围( 见表2 5 ) 分别设定4 个水平，进行5 因素4 水平 ( k ( 4 5 ) ) 的室内模拟埋片正交试验。其因素水平设置情况见表4 一l ： 表4 - 1l “( 4 5 ) 正交试验的因素水平设置表 4 2 3 实验结果与讨论 ( 1 ) 实验结果 根据室内模拟埋片正交试验l 。( 4 5 ) 因素水平设置表啪1 ，进行了1 6 组室内模拟 埋片实验，实验结果见表4 - 2 ： 4 0 大庆石油学院硕士学位论文 表4 - 2 室内模拟埋片正交实验l “( 4 ) 图4 8 列出各组实验有代表性的试片照片： 处理前试片处理后试片处理前试片处理后试片 4 l 第四章腐蚀行为规律研究 大庆石油学院硕士学位论文 图4 - 8 各组实验试片腐蚀形貌照片 ( 2 ) 讨论 从图4 - 8 中列出的各组实验腐蚀形貌照片可以看出，2 0 # 钢在大庆典型土壤中呈 现出的腐蚀形貌特征为典型的局部腐蚀，腐蚀区域外层均有沙粒紧密附着。去除表层 沙粒后可见下面为红棕色的锈层，锈层与金属基体结合紧密。用后处理液清除腐蚀产 物后，腐蚀区域的颜色较深，可明显地与未腐蚀区域区分，因此可以直观地观察到腐 蚀区域的变化。大部分腐蚀区域都是溃疡状的腐蚀斑，随着腐蚀的发展，逐渐演变为 腐蚀坑，并没有明显的点蚀症状。 为便于直观分析，将腐蚀速率及平均最大腐蚀坑深随因素水平变化的情况用效应 第四章腐蚀行为规律研究 曲线( 见图4 - 9 、图4 一i 0 ) 表示出来。 腐 蚀 速 窒 ( g 时 h ) 卜时问 _ o 一含水量 6 一总含盐量 _ 氯离子含量 奠 一孔隙度 1z34 水平 闺4 - 9 腐蚀速率随土壤腐蚀因素的水平变化的效应曲线 图4 - 9 表明： 1 ) 腐蚀速率随时问的增大呈下降趋势； 2 ) 随着含水量、孔隙度、含盐总量、c l 含量的增大，腐蚀速率也会增大，并出 现一个峰值，之后随着它们的增大，会对腐蚀速率有一定的抑制作用。 m0 4 5 刍o 4 至。器 垂薹 。塞，瞄 + 时问 o 一含水量 十含盐量 * 一氯离子含量 x 一孔隙度 一 i234 水平 图4 - 1 0 平均最大腐蚀坑深随土壤腐蚀因素的水平变化的效应曲线 图4 - 1 0 表明： 1 ) 时间、c l - 含量对平均最大腐蚀坑深有促进作用； 2 ) 含水量增大对平均最大腐蚀坑深有一定的促进作用，但增大到一定程度后对 平均最大腐蚀坑深有抑制作用。 3 ) 含盐总量、孔隙度对平均最大腐蚀坑深有抑制作用。 对试验结果进行方差分析( 见表4 - 3 、表4 - 4 ) 可以得出： 1 ) 各因素对腐蚀速率影响作用强弱的排序结果：含水量 水溶盐总量 孔隙度 c r 含量 时间； 2 ) 各因素对平均最大腐蚀坑深影响作用强弱的排序结果：时间 含水量 c l - 台 量 孔隙度 水溶盐总量。 大庆石油学院硕士学位论文 3 ) 各因素在方差分析中，对腐蚀速率及平均最大腐蚀坑深的影响的显著性均不 明显，说明所选各因素均为埋地管道用钢在土壤中产生腐蚀的主要影响因素。 表4 - 3 腐蚀速率方差分析表 a 0 2 5 734 7 5 99 2 8 b0 1 5 032 7 7 8 9 2 8 co 0 5 431 0 0 09 2 8 do 0 8 531 5 7 4 9 2 8 e0 0 6 231 1 4 8 9 2 8 纽纽墨蕴别 ! ：堕1 4 3 小结 2 0 # 钢在大庆典型土壤中产生点蚀的几率很小。在管线运行过程中出现管线穿孔 的情况，可能是由于内部介质的腐蚀性加之其苛刻的工艺条件造成的，还有可能是由 于可能是由于一般的局部腐蚀向纵深发展造成的；对比实验的试片表面出现类似蚀孔 的微观腐蚀形貌，随着腐蚀的继续，会转向横向发展，进而形成腐蚀坑或腐蚀斑，而 不会一味纵向发展，形成点蚀。 通过多因素腐蚀规律实验的结果分析，可以看出各因素对腐蚀的作用是不同的。 有些可以促进腐蚀的发展，有些可以抑制腐蚀的发展，还有些在不同取值下的影响作 用截然相反。而且各因素对腐蚀速率的作用，和它们对平均最大腐蚀坑深的作用也不 一样，而在管道安全性评价中，这两个指标都很重要，所以在土壤腐蚀性评价过程中， 要区别对待。 第五章腐蚀行为预测 5 1b p 网络构建 5 1 1 网络结构 第五章腐蚀行为预测 ( 1 ) 隐层数 网络隐藏层的层数和各个隐藏层神经元的个数是与实际问题相关的，增加隐藏层 的层数和隐藏层神经元个数不一定总能够提高网络精度和表达能力m 1 。一般认为，增 加隐层数可以降低网络误差( 也有文献认为不一定能有效降低) ，提高精度，但也使 网络复杂化，从而增加了网络的训练时间和出现“过拟合”的倾向汹3 。 h o r n i k 等早已证明姗：若输入层和输出层采用线性转换函数，隐层采用s i g m o i d 转换函数，则含一个隐层的m l p 网络能够以任意精度逼近任何有理函数。所以靠增加 隐层节点数来获得较低的误差，其训练效果要比增加隐层数更容易实现。本文在设计 b p 网络时只考虑3 层b p 网络( 即包括输入层、隐藏层及输出层) 。 ( 2 ) 神经元节点数 1 ) 输入层及输出层神经元节点数 b p 网络的输入变量即为待分析系统的内生变量( 影响因子或自变量) 数。在本 文中，