CN107832566A - 一种根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法及系统 - Google Patents

一种根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法及系统 Download PDF

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刘健
陆涵
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Gao Xinwei
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Abstract

本发明公开一种根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法及系统，包括步骤：根据环境条件确定燃气管道的材料腐蚀速率；按计算的材料腐蚀速率确定地区腐蚀等级；根据地区腐蚀等级和燃气管道的耐蚀性能确定燃气管道的使用寿命。本发明能够较为全面的预测燃气管道材料的使用性能指标，从而更加准确地确定燃气管道的使用寿命，更能满足地上燃气管道在实际运行工况的安全和经济性需求，有利合理选用燃气管道材料，能够有效避免管道材料发生环境因素引起的失效。

Description

一种根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法及系统
技术领域
本发明涉及城市燃气领域，尤其涉及一种地上公共燃气管道材料的选用方法及系统。
背景技术
城市地上燃气管道的作用是将低压或中压燃气分配输送到居民用户家中和商业用气点，由于燃气具有易燃易爆的特性，因此地上公共燃气管道材料的性能对于安全平稳供应燃气极其重要。
现有技术中，城市地上燃气管道的使用寿命，主要是依据运行压力、材料材质、屈服强度、设计系数和腐蚀裕量确定，从现有技术来看，现有技术中燃气管道使用寿命的预测并不能真实有效地反应燃气管道的真实情况，也就是说，不能解决实际应用中管道材料的环境适应性带来的失效问题，以及材料的设计使用年限和经济性问题。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法及系统，旨在解决现有技术中燃气管道使用寿命的预测并不能真实有效地反应燃气管道的真实情况的问题。
本发明的技术方案如下：
一种根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法，其中，包括步骤：
根据环境条件确定燃气管道的材料腐蚀速率；
按计算的材料腐蚀速率确定地区腐蚀等级；
根据地区腐蚀等级和燃气管道的耐蚀性能确定燃气管道的使用寿命。
所述的根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法，其中，对于碳钢材质，地上燃气管道壁厚为2.8-4mm，选取50％-80％壁厚为穿孔年限，镀锌管套丝后的剩余壁厚为0.82-1.16mm，采用1毫米穿孔计算法确定燃气管道的使用寿命。
所述的根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法，其中，对于不锈钢材质的燃气管道，其耐蚀性能的影响因素包括不锈钢的化学成分、氯化物的浓度、不锈钢的临界点蚀温度CPT、不锈钢的抗点蚀当量数PRE。
所述的根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法，其中，不锈钢的抗点腐蚀当量数PRE由下式计算：
PRE＝％Cr+3.3x％Mo+16x％N
其中，PRE为不锈钢的抗点腐蚀当量数，Cr：铬元素的质量分数，Mo：钼元素的质量分数，N：氮元素的质量分数。
所述的根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法，其中，所述环境条件包括年平均温度、年平均相对湿度、年酸雨频率和pH均值、二氧化硫浓度、氯离子浓度。
一种根据环境条件预测燃气管道使用寿命的系统，其中，包括：
腐蚀速率确定模块，用于根据环境条件确定燃气管道的材料腐蚀速率；
腐蚀等级确定模块，用于按计算的材料腐蚀速率确定地区腐蚀等级；
使用寿命确定模块，用于根据地区腐蚀等级和燃气管道的耐蚀性能确定燃气管道的使用寿命。
所述的根据环境条件预测燃气管道使用寿命的系统，其中，对于碳钢材质，地上燃气管道壁厚为2.8-4mm，选取50％-80％壁厚为穿孔年限，镀锌管套丝后的剩余壁厚为0.82-1.16mm，采用1毫米穿孔计算法确定燃气管道的使用寿命。
所述的根据环境条件预测燃气管道使用寿命的系统，其中，对于不锈钢材质的燃气管道，其耐蚀性能的影响因素包括不锈钢的化学成分、氯化物的浓度、不锈钢的临界点蚀温度CPT、不锈钢的抗点蚀当量数PRE。
所述的根据环境条件预测燃气管道使用寿命的系统，其中，不锈钢抗点腐蚀当量数PRE由下式计算：
PRE＝％Cr+3.3x％Mo+16x％N
其中，PRE为不锈钢的抗点腐蚀当量数，Cr：铬元素的质量分数，Mo：钼元素的质量分数，N：氮元素的质量分数。
所述的根据环境条件预测燃气管道使用寿命的系统，其中，所述环境条件包括年平均温度、年平均相对湿度、年酸雨频率和pH均值、二氧化硫浓度、氯离子浓度。
有益效果：本发明能够较为全面的预测燃气管道材料的使用性能指标，从而更加准确地确定燃气管道的使用寿命，更能满足地上燃气管道在实际运行工况的安全和经济性需求，有利合理选用燃气管道材料，能够有效避免管道材料发生环境因素引起的失效。
附图说明
图1为本发明一种根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法较佳实施例的流程图。
图2为本发明实施例一种海岸距离与大气中海盐颗粒含量及碳钢腐蚀量之间的关系示意图。
具体实施方式
本发明提供一种根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法，其包括：
S1、根据环境条件确定燃气管道的材料腐蚀速率；
S2、按计算的材料腐蚀速率确定地区腐蚀等级；
S3、根据地区腐蚀等级和燃气管道的耐蚀性能确定燃气管道的使用寿命。
其中的环境条件包括年平均温度、年平均相对湿度、年酸雨频率和pH均值、二氧化硫浓度、氯离子浓度。建立大气腐蚀剂量响应函数，计算金属材料腐蚀速率，并做出腐蚀评价。
碳钢第一年的材料腐蚀速率(μm/a)：
rcorr＝1.77·Pd 0.52·exp(0.020·RH+f)+0.102·Sd 0.62·exp(0.033·RH+0.040·T) 式(1)
锌第一年的材料腐蚀速率(μm/a)：
rcorr＝0.0129·P0.44·exp(0.046·RH+f)+0.0175·S0.57·exp(0.008·RH+0.085·T) 式(2)
其中，rcorr为材料腐蚀速率，Pd：SO2年平均沉降率(mg/(m2·d))，Sd：CI-年平均沉降率(mg/(m2·d))，RH为平均相对湿度，f为与温度有关的参量，T为年平均温度。
按材料腐蚀速率确定地区腐蚀等级可参见下表一：
表一
从表一中可以看出，地区腐蚀等级分为5级，分别为C1、C2、C3、C4以及C5。若碳钢的材料腐蚀速率为1.2μm/a，那么对应的地区腐蚀等级为C1，若碳钢的材料腐蚀速率为30，那么对应的地区腐蚀等级为C3。类似地，对于锌，也可参考表一。
作为优选，所述步骤S3中，对于碳钢材质，地上燃气管道壁厚为2.8-4mm，选取50％-80％壁厚为穿孔年限，镀锌管套丝后的剩余壁厚为0.82-1.16mm，为简化计算取平均值，采用1毫米穿孔计算法确定燃气管道的使用寿命。
作为优选，所述步骤S3中，对于不锈钢材质的耐蚀性能，主要影响因素有不锈钢的化学成分、氯化物的浓度、不锈钢的临界点蚀温度CPT、不锈钢的抗点蚀当量数PRE。
不锈钢耐氯化物的临界点蚀温度CPT作为衡量指标，在特殊的氯化物环境中，每一种不锈钢都可以用一个温度来描述其特征，高于此温度点蚀开始出现，并且24小时之内可发展成肉眼可见的大小。低于此温度则在无限长的时间内不会产生点蚀，氯化物浓度越高临界点蚀温度越低，腐蚀越容易发生。
不锈钢主要化学成分如表二所示。
表二
抗点蚀当量数PRE表示不锈钢抗点蚀、应力腐蚀SCC和缝隙腐蚀能力，PRE值越高，不锈钢耐点蚀性能越好。不锈钢对含有卤素离子的介质特别敏感，其作用顺序为CI-＞Br-＞I-。
不锈钢抗点腐蚀当量数PRE由下式计算：
PRE＝％Cr+3.3x％Mo+16x％N式(3)
其中，PRE为不锈钢的抗点腐蚀当量数，Cr：铬元素的质量分数，Mo：钼元素的质量分数，N：氮元素的质量分数。
304PRE＝18Cr+3.3x0+16x0＝18
316PRE＝17Cr+3.3x2.5Mo+16x0N＝25
2205PRE＝22Cr+3.3x3Mo+16x0.18N＝35
不锈钢抗点蚀、应力腐蚀SCC和缝隙腐蚀能力：
2205＞316＞304
作为优选，所述步骤S3中，对于不锈钢材质，耐氯化物的临界点蚀温度CPT是随氯离子浓度的增加而降低的。如果大气污染的主要因素是二氧化硫，则不锈钢通常是非常耐蚀的，材料腐蚀速率可以低至0.01mm/a，如果大气污染的主导因素是氯离子，则不锈钢的材料腐蚀速率可以达到0.05mm/a甚至更高，相应的，按1mm穿孔法计算，不锈钢的使用寿命甚至会低于20年。在同样的氯化物环境中，不锈钢的耐蚀能力取决于钼(Mo)元素的含量，因此，对于奥氏体不锈钢的选用，应根据氯化物最低浓度选取。在以氯化物为主导的大气环境中，不锈钢相对于碳钢的材料腐蚀速率，可以参照不锈钢抗点腐蚀当量数PRE数值，即不锈钢的耐蚀性能为碳钢的1.5、2.5、3.5倍来近似确定。
实施列一
1.地理位置：中国南部沿海城市-深圳
2.深圳市地上燃气管道现状资料如表三所示：
表三
3.根据地上燃气管道运营数据分析识别燃气管道失效的主要风险因素
深圳地区近三年的燃气管道抢修次数为4556起，其中户内4098起，户外458起，地上公共燃气管道失效原因分布为：稳定因素，与制造有关的缺陷和与施工有关的缺陷占比为15％；时效性因素，管道外腐蚀占比为43％，接口泄漏、密封圈失效占比为37％，非时效性因素，第三方损坏占比为5％。
深圳市地上公共燃气管道抢修户外、户内占比为10％、90％，地上燃气管道主要风险因素为时效性因素，占材料失效总量的80％。
未来10-15年，按燃气管道总长度1000万米估算，发生外腐蚀失效风险的管道为430万米，按2000万个接口估算，发生泄漏失效风险的管道接口为740万个。随着燃气管道服役时间的推移，时效性风险因素将逐步增大。
4.根据环境条件对燃气管道进行腐蚀评价
深圳市位于广东省中南沿海地区，珠江入海口之东偏北，属亚热带海洋性气候。年平均气温22.4℃，最高气温38.7℃(1980年7月10日)、最低气温0.2℃(1957年2月11日)，年平均相对湿度为77％，最大达82％(1975年)，最小为70％(2005年)，一年中3～8月平均相对湿度可达80～82％，12月湿度最小，为67％。深圳市大气环境质量如下表四所示：
表四
深圳大气PM2.5水溶性无机离子浓度如下表五所示:
表五
计算碳钢第一年的材料腐蚀速率：μm/a
rcorr＝1.77·Pd 0.52·exp(0.020·RH+f)+0.102·Sd 0.62·exp(0.033·RH+0.040·T) 式(1)
计算锌第一年的材料腐蚀速率：μm/a
rcorr＝0.0129·P0.44·exp(0.046·RH+f)+0.0175·S0.57·exp(0.008·RH+0.085·T) 式(2)
计算结果如下表六所示：
表六
海岸距离与大气中海盐颗粒含量及碳钢腐蚀量之间的关系如图2所示。
按材料腐蚀速率确定地区腐蚀等级，具体如表七所示：
表七
根据计算结果，碳钢的材料腐蚀速率为35.51μm/a-64.87μm/a，确定深圳地区腐蚀等级距离海岸线12千米以内为C4，12千米以外为C3。
5.根据环境条件进行使用寿命预测。
采用1毫米穿孔法计算碳钢管道的使用寿命，按均匀腐蚀速率64.87μm/a计算，则使用年限(即使用寿命)为：深圳地区碳钢腐蚀速率在C4区间，使用寿命2.5-20年。
1毫米穿孔法按稳态腐蚀率计算的使用寿命如表八所示：
表八
在以氯化物为主导的大气环境中，参照碳钢的材料腐蚀速率，按不锈钢抗点腐蚀当量数PRE数值近似估算不锈钢的材料腐蚀速率，304PRE＝18，316PRE＝25，2205PRE＝35，即不锈钢的耐蚀性能为碳钢的1.5、2.5、3.5倍来确定。
深圳地区不锈钢的使用寿命：
304＝1.5×(12.5-20)＝18.75-30年
316＝2.5×(12.5-20)＝31.25-50年
2205＝3.5×(12.5-20)＝43.75-70年
当污染物年平均沉降率CI-＞SO2，且CI-e10ppm/15.8(μg/m3)，氯化物腐蚀贡献占比为主导因素时，对于奥氏体不锈钢，不含钼元素的不锈钢在氯化物环境中易发生点蚀甚至穿孔，使用寿命应取低限值。
当污染物年平均沉降率CI-＜SO2，且CI-＜10ppm/15.8(μg/m3)，大气腐蚀主导因素为二氧化硫时，不锈钢的耐蚀性能明显优于碳钢，使用寿命应取高限值。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法，其特征在于，包括步骤：
根据环境条件确定燃气管道的材料腐蚀速率；
按计算的材料腐蚀速率确定地区腐蚀等级；
根据地区腐蚀等级和燃气管道的耐蚀性能确定燃气管道的使用寿命。
2.根据权利要求1所述的根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法，其特征在于，对于碳钢材质，地上燃气管道壁厚为2.8-4mm，选取50％-80％壁厚为穿孔年限，镀锌管套丝后的剩余壁厚为0.82-1.16mm，采用1毫米穿孔计算法确定燃气管道的使用寿命。
3.根据权利要求1所述的根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法，其特征在于，对于不锈钢材质的燃气管道，其耐蚀性能的影响因素包括不锈钢的化学成分、氯化物的浓度、不锈钢的临界点蚀温度CPT、不锈钢的抗点蚀当量数PRE。
4.根据权利要求3所述的根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法，其特征在于，不锈钢的抗点腐蚀当量数PRE由下式计算：
PRE＝％Cr+3.3x％Mo+16x％N
其中，PRE为不锈钢的抗点腐蚀当量数，Cr：铬元素的质量分数，Mo：钼元素的质量分数，N：氮元素的质量分数。
5.根据权利要求1所述的根据环境条件预测燃气管道使用寿命的方法，其特征在于，所述环境条件包括年平均温度、年平均相对湿度、年酸雨频率和pH均值、二氧化硫浓度、氯离子浓度。
6.一种根据环境条件预测燃气管道使用寿命的系统，其特征在于，包括：
腐蚀速率确定模块，用于根据环境条件确定燃气管道的材料腐蚀速率；
腐蚀等级确定模块，用于按计算的材料腐蚀速率确定地区腐蚀等级；
使用寿命确定模块，用于根据地区腐蚀等级和燃气管道的耐蚀性能确定燃气管道的使用寿命。
7.根据权利要求6所述的根据环境条件预测燃气管道使用寿命的系统，其特征在于，对于碳钢材质，地上燃气管道壁厚为2.8-4mm，选取50％-80％壁厚为穿孔年限，镀锌管套丝后的剩余壁厚为0.82-1.16mm，采用1毫米穿孔计算法确定燃气管道的使用寿命。
8.根据权利要求6所述的根据环境条件预测燃气管道使用寿命的系统，其特征在于，对于不锈钢材质的燃气管道，其耐蚀性能的影响因素包括不锈钢的化学成分、氯化物的浓度、不锈钢的临界点蚀温度CPT、不锈钢的抗点蚀当量数PRE。
9.根据权利要求8所述的根据环境条件预测燃气管道使用寿命的系统，其特征在于，不锈钢抗点腐蚀当量数PRE由下式计算：
PRE＝％Cr+3.3x％Mo+16x％N
其中，PRE为不锈钢的抗点腐蚀当量数，Cr：铬元素的质量分数，Mo：钼元素的质量分数，N：氮元素的质量分数。
10.根据权利要求6所述的根据环境条件预测燃气管道使用寿命的系统，其特征在于，所述环境条件包括年平均温度、年平均相对湿度、年酸雨频率和pH均值、二氧化硫浓度、氯离子浓度。
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