摘　要：分析反映土壤腐蝕性的土壤理化指標(biāo)。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)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??腐蝕；??土壤理化指標(biāo)；??相關(guān)性分析

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

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天然氣在我國(guó)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(fèi)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(jì)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(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離和城鎮(zhèn)內(nèi)的天然氣輸配。從l996年開始，中國(guó)天然氣管道建設(shè)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期，特別是在2000年以后一直處于高位運(yùn)行階段。但與世界發(fā)達(dá)國(guó)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(jì)發(fā)展對(duì)能源需求的不斷增長(zhǎng)，我國(guó)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(jìn)口天然氣管線為主干線，連接海氣登陸管線和進(jìn)口LNG等氣源的全國(guó)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(hù)管道的作用。但外防腐層的保護(hù)作用并不是絕對(duì)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(zhǎng)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(gè)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(jì)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(píng)價(jià)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。

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(gè)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(xiàng)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(qiáng)弱。

①pH值

pH值是表示土壤酸堿性強(qiáng)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(qiáng)，金屬不易生成鈍化膜，土壤對(duì)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(duì)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(jī)理的研究中是一個(gè)很重要的因素。通常，在其他條件相同時(shí)，土壤電阻率越小，腐蝕電流越大，土壤腐蝕性也就越強(qiáng)^[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(shí)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(píng)價(jià)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(jìn)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(duì)土壤腐蝕性的影響存在一個(gè)極大范圍^[4]，一般認(rèn)為保持在12％～25％。當(dāng)含水率較低時(shí)，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(qiáng)；當(dāng)含水率增大到某一個(gè)臨界值時(shí)，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(jìn)而對(duì)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(qiáng)弱有一定的對(duì)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(qiáng)。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(shì)^[6]。

土壤中陰離子對(duì)管道的腐蝕影響較大，這是由于陰離子對(duì)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(qiáng)的一種陰離子，SO4^2-對(duì)鋼鐵腐蝕有促進(jìn)作用，而CO3^2-對(duì)碳鋼的腐蝕有阻礙作用。土壤中陽(yáng)離子對(duì)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(duì)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(duì)金屬腐蝕影響最大，硫酸鹽還原菌(Sulfate-Reducing Bacteria，簡(jiǎn)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(qiáng)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(diǎn)腐蝕是滅菌土壤中的6倍^[7]。

相關(guān)性分析是研究?jī)蓚€(gè)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(shí)，需確定土壤理化指標(biāo)對(duì)金屬腐蝕程度的影響程度(或相關(guān)性)，并將那些對(duì)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(duì)土壤腐蝕性評(píng)價(jià)和管道防腐措施進(jìn)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(cè)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?jī)蓚€(gè)正態(tài)分布等間隔測(cè)度變量之間線性相關(guān)性的強(qiáng)弱。

在不設(shè)定總體分布的情況下，可采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)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(jiǎn)稱K系數(shù))、Spearman(斯皮爾曼)相關(guān)系數(shù)(以下簡(jiǎn)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(diǎn)(秩次相同)的影響，適用于兩個(gè)分類變量均為有序分類的情況。S系數(shù)對(duì)原始變量的分布不作要求，是利用兩變量的秩次大小進(jìn)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(shí)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(jìn)行評(píng)價(jià)。本文給出的我國(guó)典型地區(qū)土壤對(duì)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(guó)內(nèi)20個(gè)典型地區(qū)土壤的碳鋼試驗(yàn)件1a的腐蝕數(shù)據(jù)及土壤理化性質(zhì)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際情況接近。

我國(guó)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]。

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根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)常用顯著性水平，本文選用0.05、0.01兩個(gè)顯著性水平，顯著性水平值越小，相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果精度越高。當(dāng)顯著性水平取0.05時(shí)，可查得K系數(shù)、S系數(shù)的雙側(cè)檢驗(yàn)臨界值分別為0.309、0.447；當(dāng)顯著性水平取0.01時(shí)，可查得K系數(shù)、S系數(shù)的雙側(cè)檢驗(yàn)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(jì)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(duì)值越大，相關(guān)性越強(qiáng)，當(dāng)求得的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于相關(guān)系數(shù)雙側(cè)檢驗(yàn)臨界值時(shí)，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)。