摘　要：分析反映土壤腐蝕性的土壤理化指標(biāo)?；趯嶒灁?shù)據(jù)，評價埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿栏g率、孔蝕深度與土壤理化指標(biāo)(pH值、電阻率、含水率、含鹽量、硫酸鹽還原菌含量)以及土壤理化指標(biāo)自身之間的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿溃?/span>  腐蝕；  土壤理化指標(biāo)；  相關(guān)性分析

Correlation Analysis of Corrosion Influence Factors of Buried Gas Steel Pipelines

Abstract：The  soil  physicochemical  indexes which reflect the soil corrosivity are analyzed．The correlations of corrosion rate and pitting corrosion depth of buried gas steel pipelines to soil physicochemical indexes(pH，resistivity，moisture content．salinity and SRB)as well as among the soil physicochemical indexes are evaluated based on the experimental data．

Keywords：buried gas steel pipeline；corrosion；soil physicochemical index；correlation analysis

1　研究背景

天然氣在我國能源結(jié)構(gòu)中的比例逐年提高，城鎮(zhèn)燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展迅速。天然氣產(chǎn)地與消費地具有不統(tǒng)一性，且往往距離很遠(yuǎn)，使得天然氣行業(yè)的持續(xù)發(fā)展與安全、經(jīng)濟的輸送方式密切相關(guān)。在天然氣的輸送方式中，因埋地管道具有不占用地面空間、隱蔽性好和不易受到破壞的優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于長距離和城鎮(zhèn)內(nèi)的天然氣輸配。從l996年開始，中國天然氣管道建設(shè)進入一個快速發(fā)展時期，特別是在2000年以后一直處于高位運行階段。但與世界發(fā)達(dá)國家相比差距依然很大，管道整體輸送能力不足，網(wǎng)絡(luò)化程度仍然較低。隨著經(jīng)濟發(fā)展對能源需求的不斷增長，我國天然氣管網(wǎng)將形成以四大氣區(qū)(新疆、青海、陜甘寧、川渝)輸氣管線和進口天然氣管線為主干線，連接海氣登陸管線和進口LNG等氣源的全國性天然氣管網(wǎng)^[1]。

埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿劳ǔＴO(shè)外防腐層(如PE層)，以隔離腐蝕介質(zhì)起到保護管道的作用。但外防腐層的保護作用并不是絕對的，因其先天或后天存在的各種缺陷，或者受到環(huán)境腐蝕介質(zhì)的長期作用而逐漸發(fā)生改變，外防腐層將逐步老化，甚至脫落而失去作用。在外防腐層失效后，金屬管道與土壤的接觸部分存在的許多微小差異，形成了無數(shù)個局部腐蝕微電池，從而導(dǎo)致了土壤腐蝕，使得埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿涝诜圻^程中常發(fā)生腐蝕甚至穿孔，造成極大的經(jīng)濟損失，甚至危及人民群眾的生命安全。本文探討反映土壤腐蝕性的土壤理化指標(biāo)，評價埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿栏g與土壤理化指標(biāo)(pH值、電阻率、含水率、含鹽量、硫酸鹽還原菌含量)之間的相關(guān)性。

2　土壤理化指標(biāo)

埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿栏g的影響因素既有鋼材自身的金相組織，還有管道所處的土壤環(huán)境。土壤是一個固、液、氣三相物質(zhì)共存的非均質(zhì)、多孔復(fù)雜混合介質(zhì)，其中還存在著多種微生物及其代謝產(chǎn)物，使得埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿腊l(fā)生腐蝕。埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿涝谕寥乐械母g十分復(fù)雜，通常認(rèn)為與20多項土壤理化指標(biāo)相關(guān)，本文選取以下理化指標(biāo)綜合衡量土壤腐蝕性的強弱。

①pH值

pH值是表示土壤酸堿性強弱的物理量。土壤中溶液溶解的各種物質(zhì)中有的能電離出氫離子，有的則能電離出氫氧根離子。土壤的pH值取決于土壤中酸堿性物質(zhì)的含量。酸性物質(zhì)越多，土壤pH值越小，表明土壤去極化能力強，金屬不易生成鈍化膜，土壤對管道的腐蝕影響較大；酸性物質(zhì)少或堿性物質(zhì)越多，pH值越大，金屬表面易生成鈍化膜，土壤對管道的腐蝕影響不大^[2]。

②電阻率

土壤電阻率是表征土壤導(dǎo)電性能的指標(biāo)，在土壤電化學(xué)腐蝕機理的研究中是一個很重要的因素。通常，在其他條件相同時，土壤電阻率越小，腐蝕電流越大，土壤腐蝕性也就越強^[3]。土壤電阻率的影響因子有：土壤類型、含水率、含鹽量、溫度、土壤的緊密程度等化學(xué)和物理性質(zhì)，同時土壤電阻率隨深度變化比隨橫向變化要大得多。由于土壤電阻率與土壤多種理化性質(zhì)有關(guān)，因此人們常常借助土壤電阻率來綜合評價土壤的腐蝕性。

③含水率

水分是使土壤形成電解質(zhì)溶液，進而形成電化學(xué)腐蝕的先決條件，它創(chuàng)造了原電池的發(fā)生環(huán)境，使得管道產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。研究表明，含水率對土壤腐蝕性的影響存在一個極大范圍^[4]，一般認(rèn)為保持在12％～25％。當(dāng)含水率較低時，含水率的增大使得電解質(zhì)溶液增多，腐蝕電池回路的電阻變小，土壤腐蝕性增強；當(dāng)含水率增大到某一個臨界值時，土壤中的可溶鹽全部溶解，回路電阻最小，含水率再增大將使電解質(zhì)稀釋，土壤膠粒膨脹，孔隙變小，陰極化受阻，土壤腐蝕性反而下降。土壤含水率的變化也使土壤發(fā)生溶脹和收縮，進而對管道產(chǎn)生作用力。

④含鹽量

土壤中的鹽分在腐蝕過程中不僅起到導(dǎo)電作用，還參與電化學(xué)反應(yīng)，因此含鹽量與土壤腐蝕性強弱有一定的對應(yīng)關(guān)系^[5]。土壤中可溶鹽是電解質(zhì)溶液的主要成分，含鹽量增大降低了土壤電阻率，使得土壤腐蝕性增強。另一方面含鹽量的增大使得土壤中氧溶解度下降，削弱了土壤腐蝕中的電化學(xué)腐蝕陰極過程，還造成土壤中金屬電極電位有下降的趨勢^[6]。

土壤中陰離子對管道的腐蝕影響較大，這是由于陰離子對土壤腐蝕電化學(xué)過程有直接影響。Cl^-是土壤中腐蝕性最強的一種陰離子，SO4^2-對鋼鐵腐蝕有促進作用，而CO3^2-對碳鋼的腐蝕有阻礙作用。土壤中陽離子對土壤腐蝕性的影響不大，除了起導(dǎo)電的作用外，并不直接影響土壤腐蝕的電極過程。

⑤硫酸鹽還原菌含量

土壤微生物腐蝕是指微生物直接或間接地參與了腐蝕過程所引起的金屬腐蝕。其一方面為電化學(xué)腐蝕創(chuàng)造了條件，另一方面又對電化學(xué)腐蝕過程產(chǎn)生影響。微生物中屬硫酸鹽還原菌對金屬腐蝕影響最大，硫酸鹽還原菌(Sulfate-Reducing Bacteria，簡稱SRB)是缺氧環(huán)境下廣泛存在的一種微生物，人們認(rèn)為它是厭氧腐蝕的誘發(fā)根源，SRB含量的高低也反映著土壤腐蝕性的強弱。研究表明，SRB能加快埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖母g速率，接菌土壤中裸露管道的平均腐蝕速率是滅菌土壤中的2.2倍，點腐蝕是滅菌土壤中的6倍^[7]。

3　相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是研究兩個及以上變量之間相關(guān)程度以及用一定函數(shù)米表達(dá)現(xiàn)象相互關(guān)系的方法。在研究土壤腐蝕問題，建立腐蝕模型時，需確定土壤理化指標(biāo)對金屬腐蝕程度的影響程度(或相關(guān)性)，并將那些對土壤腐蝕性影響較大的理化指標(biāo)都包含在腐蝕模型中，才能準(zhǔn)確地對土壤腐蝕性評價和管道防腐措施進行指導(dǎo)。

相關(guān)系數(shù)是相關(guān)性分析的基礎(chǔ)內(nèi)容，是測定變量間相關(guān)關(guān)系程度及方向的無量綱指標(biāo)。統(tǒng)訓(xùn)+學(xué)中廣泛應(yīng)用Pearson(皮爾遜)相關(guān)系數(shù)度量兩個正態(tài)分布等間隔測度變量之間線性相關(guān)性的強弱。

在不設(shè)定總體分布的情況下，可采用非參數(shù)統(tǒng)計方法描述變量之間的關(guān)聯(lián)程度與方向^[8]。本文采用Kendall(肯德爾)相關(guān)系數(shù)(以下簡稱K系數(shù))、Spearman(斯皮爾曼)相關(guān)系數(shù)(以下簡稱S系數(shù))確定埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿栏g程度與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，這兩種方法都是Pearson相關(guān)系數(shù)的非參形式。K系數(shù)考慮了結(jié)點(秩次相同)的影響，適用于兩個分類變量均為有序分類的情況。S系數(shù)對原始變量的分布不作要求，是利用兩變量的秩次大小進行線性相關(guān)分析，先將兩要素的樣本值按數(shù)據(jù)大小順序排列位次，再以各要素樣本值的位次替代實際數(shù)據(jù)而求得相關(guān)系數(shù)。

埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖母g形態(tài)分為全面腐蝕、局部腐蝕兩類，全面腐蝕是指與土壤相接觸的管道表面均因腐蝕而受到損耗，以腐蝕率表示；局部腐蝕是指腐蝕的發(fā)生局限在結(jié)構(gòu)特定區(qū)域或部位上，以孔蝕深度進行評價。本文給出的我國典型地區(qū)土壤對碳鋼的腐蝕形態(tài)指標(biāo)及土壤理化指標(biāo)，來自埋沒于國內(nèi)20個典型地區(qū)土壤的碳鋼試驗件1a的腐蝕數(shù)據(jù)及土壤理化性質(zhì)，實測數(shù)據(jù)與實際情況接近。

我國典型地區(qū)土壤條件下碳鋼的腐蝕形態(tài)指標(biāo)及土壤理化指標(biāo)見表1^[9]。

根據(jù)統(tǒng)計學(xué)常用顯著性水平，本文選用0.05、0.01兩個顯著性水平，顯著性水平值越小，相關(guān)系數(shù)檢驗結(jié)果精度越高。當(dāng)顯著性水平取0.05時，可查得K系數(shù)、S系數(shù)的雙側(cè)檢驗臨界值分別為0.309、0.447；當(dāng)顯著性水平取0.01時，可查得K系數(shù)、S系數(shù)的雙側(cè)檢驗臨界值分別為0.426、0.570。

依據(jù)表1中20組樣本數(shù)據(jù)，計算得出腐蝕形態(tài)指標(biāo)與土壤理化指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)，所得相關(guān)系數(shù)絕對值越大，相關(guān)性越強，當(dāng)求得的相關(guān)系數(shù)絕對值大于相關(guān)系數(shù)雙側(cè)檢驗臨界值時，變量間顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為正，變量顯著正相關(guān)；相關(guān)系數(shù)為負(fù)，變量顯著負(fù)相關(guān))，否則不相關(guān)。

由于樣本數(shù)據(jù)數(shù)量有限，相關(guān)系數(shù)存在因隨機因素影響產(chǎn)生的偏差，應(yīng)對相關(guān)系數(shù)進行假設(shè)檢驗，即采用顯著性檢驗值進行檢驗。當(dāng)顯著性檢驗值小于或等于0.01時，認(rèn)為相關(guān)系數(shù)(K系數(shù)、S系數(shù))的偏差較?。划?dāng)顯著性檢驗值大于0.01時，認(rèn)為相關(guān)系數(shù)(K系數(shù)、系數(shù))存在一定偏差。將原始數(shù)據(jù)輸入SPSS 19.0分別進行線性回歸分析，求出K系數(shù)、S系數(shù)以及各自的顯著性檢驗值，計算結(jié)果見表2。

由表2可知：

①K系數(shù)與S系數(shù)的計算結(jié)果基本一致，能夠準(zhǔn)確反映管道腐蝕形態(tài)指標(biāo)與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)絕對值越大表明變量間的相關(guān)性越強，根據(jù)K系數(shù)計算結(jié)果可知，腐蝕率與各項土壤理化性質(zhì)相關(guān)性強弱的順序為：SRB含量>含水率>pH值>電阻率>含鹽量，孔蝕深度與各項土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性強弱的順序為：電阻率>SRB含量>含鹽量>pH值>含水率。

②腐蝕率與各項土壤理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)絕對值均小于顯著相關(guān)性雙側(cè)檢驗臨界值，因此腐蝕率與各項土壤理化指標(biāo)之間的相關(guān)性不明顯。由此可知，用pH值、土壤電阻率、含水率等土壤理化指標(biāo)評價土壤的腐蝕性具有一定的局限性，得出的結(jié)果也是有缺陷的。

③孔蝕深度與土壤電阻率間的K系數(shù)、S系數(shù)分別為0.451、0.536，大于0.05顯著性水平上各自雙側(cè)檢驗臨界值，因此在0.05顯著水平上具有顯著正相關(guān)?？孜g深度與SRB含量間的K系數(shù)、S系數(shù)分別為-0.394、-0.492，絕對值大于0.05顯著水平上各自的雙側(cè)檢驗臨界值，因此在0.05顯著水平上具有顯著負(fù)相關(guān)。電阻率、SRB含量對管道的局部腐蝕有顯著性影響。

④判別過程同③，SRB含量與pH值及電阻率分別在0.05、0.01兩個顯著性水平上具有顯著相關(guān)性。SRB新陳代謝的產(chǎn)物(利用SO4^2-生成H2S進而產(chǎn)生鐵硫化合物)和生命活動過程能顯著改變土壤的pH值和電阻率，促進腐蝕反應(yīng)進行。

⑤判別過程同③，含鹽量與pH值及電阻率分別在0.05、0.01兩個顯著性水平上具有顯著相關(guān)性。土壤環(huán)境中含鹽量和組成決定了土壤的酸堿度和導(dǎo)電性，直接影響金屬的腐蝕速率，并且不同的離子在碳鋼腐蝕過程中發(fā)揮著不同的影響作用。

⑥土壤各理化指標(biāo)之間具有不同程度的相關(guān)性，說明各因素并不是單獨存在的，而是相互關(guān)聯(lián)、相互作用的，使得不同地區(qū)的腐蝕作用變化非常大。

⑦由于樣本數(shù)量有限，所得兩類相關(guān)系數(shù)值有一定程度的隨機誤差。且初步得到的未經(jīng)處理的兩類相關(guān)系數(shù)及其顯著性結(jié)果在整體上規(guī)律性不強，對其所包含的更深層次的信息有待用不相關(guān)假設(shè)、聚類分析、因子分析等方法作進一步探討。

4　討論

暴露于土壤環(huán)境中的鋼質(zhì)燃?xì)夤艿栏g率受各項土壤理化性質(zhì)不同程度的影響，電阻率、SRB含量對孔蝕深度的影響最為顯著，但任何一項土壤理化性質(zhì)與腐蝕形態(tài)指標(biāo)都不是呈簡單的線性關(guān)系。并且各項理化性質(zhì)之間也存在相互作用、相互制約，直接或間接地影響著土壤腐蝕性。在燃?xì)夤艿谰嚯x工、穿越地形復(fù)雜、所處土壤環(huán)境差異大時，很難根據(jù)土壤環(huán)境的一個或幾個理化指標(biāo)對土壤腐蝕性作出準(zhǔn)確評價，需要綜合考慮各項理化性質(zhì)。

近年來，為了確切評價土壤對埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖母g性，研究土壤腐蝕機理，科研工作者已經(jīng)采用了統(tǒng)計分析法、曲線擬合法、相關(guān)分析法、灰色理論、模糊數(shù)學(xué)理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法^[10-11]對長時間埋片實驗獲得的土壤腐蝕數(shù)據(jù)進行了處理分析，在土壤腐蝕評價模型上有所發(fā)展，但遠(yuǎn)不能滿足我國幅員廣闊的土壤腐蝕防護的需要。并且腐蝕數(shù)據(jù)樣本的不同會導(dǎo)致結(jié)果有所差異，帶有一定的隨機性。因此還須大量地綜合現(xiàn)場檢測結(jié)果，運用、改進現(xiàn)有研究方法，完善土壤腐蝕理論，找出土壤腐蝕性與其相關(guān)主要因素間的關(guān)系，建立一定通用性的土壤腐蝕模型，為埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖挠行Х栏桶踩煽窟\行提供理論和技術(shù)支持。

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本文作者：周陽  黃小美  彭世尼  江歡

作者單位：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院

  重慶市松樹橋中學(xué)