摘　要：分析反映土壤腐蚀性的土壤理化指标。基于实验数据，评价埋地钢质燃气管道腐蚀率、孔蚀深度与土壤理化指标(pH值、电阻率、含水率、含盐量、硫酸盐还原菌含量)以及土壤理化指标自身之间的相关性。

关键词：埋地钢质燃气管道；  腐蚀；  土壤理化指标；  相关性分析

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

天然气在我国能源结构中的比例逐年提高，城镇燃气行业发展迅速。天然气产地与消费地具有不统一性，且往往距离很远，使得天然气行业的持续发展与安全、经济的输送方式密切相关。在天然气的输送方式中，因埋地管道具有不占用地面空间、隐蔽性好和不易受到破坏的优点，已广泛应用于长距离和城镇内的天然气输配。从l996年开始，中国天然气管道建设进入一个快速发展时期，特别是在2000年以后一直处于高位运行阶段。但与世界发达国家相比差距依然很大，管道整体输送能力不足，网络化程度仍然较低。随着经济发展对能源需求的不断增长，我国天然气管网将形成以四大气区(新疆、青海、陕甘宁、川渝)输气管线和进口天然气管线为主干线，连接海气登陆管线和进口LNG等气源的全国性天然气管网^[1]。

埋地钢质燃气管道通常设外防腐层(如PE层)，以隔离腐蚀介质起到保护管道的作用。但外防腐层的保护作用并不是绝对的，因其先天或后天存在的各种缺陷，或者受到环境腐蚀介质的长期作用而逐渐发生改变，外防腐层将逐步老化，甚至脱落而失去作用。在外防腐层失效后，金属管道与土壤的接触部分存在的许多微小差异，形成了无数个局部腐蚀微电池，从而导致了土壤腐蚀，使得埋地钢质燃气管道在服役过程中常发生腐蚀甚至穿孔，造成极大的经济损失，甚至危及人民群众的生命安全。本文探讨反映土壤腐蚀性的土壤理化指标，评价埋地钢质燃气管道腐蚀与土壤理化指标(pH值、电阻率、含水率、含盐量、硫酸盐还原菌含量)之间的相关性。

2　土壤理化指标

埋地钢质燃气管道腐蚀的影响因素既有钢材自身的金相组织，还有管道所处的土壤环境。土壤是一个固、液、气三相物质共存的非均质、多孔复杂混合介质，其中还存在着多种微生物及其代谢产物，使得埋地钢质燃气管道发生腐蚀。埋地钢质燃气管道在土壤中的腐蚀十分复杂，通常认为与20多项土壤理化指标相关，本文选取以下理化指标综合衡量土壤腐蚀性的强弱。

①pH值

pH值是表示土壤酸碱性强弱的物理量。土壤中溶液溶解的各种物质中有的能电离出氢离子，有的则能电离出氢氧根离子。土壤的pH值取决于土壤中酸碱性物质的含量。酸性物质越多，土壤pH值越小，表明土壤去极化能力强，金属不易生成钝化膜，土壤对管道的腐蚀影响较大；酸性物质少或碱性物质越多，pH值越大，金属表面易生成钝化膜，土壤对管道的腐蚀影响不大^[2]。

②电阻率

土壤电阻率是表征土壤导电性能的指标，在土壤电化学腐蚀机理的研究中是一个很重要的因素。通常，在其他条件相同时，土壤电阻率越小，腐蚀电流越大，土壤腐蚀性也就越强^[3]。土壤电阻率的影响因子有：土壤类型、含水率、含盐量、温度、土壤的紧密程度等化学和物理性质，同时土壤电阻率随深度变化比随横向变化要大得多。由于土壤电阻率与土壤多种理化性质有关，因此人们常常借助土壤电阻率来综合评价土壤的腐蚀性。

③含水率

水分是使土壤形成电解质溶液，进而形成电化学腐蚀的先决条件，它创造了原电池的发生环境，使得管道产生电化学腐蚀。研究表明，含水率对土壤腐蚀性的影响存在一个极大范围^[4]，一般认为保持在12％～25％。当含水率较低时，含水率的增大使得电解质溶液增多，腐蚀电池回路的电阻变小，土壤腐蚀性增强；当含水率增大到某一个临界值时，土壤中的可溶盐全部溶解，回路电阻最小，含水率再增大将使电解质稀释，土壤胶粒膨胀，孔隙变小，阴极化受阻，土壤腐蚀性反而下降。土壤含水率的变化也使土壤发生溶胀和收缩，进而对管道产生作用力。

④含盐量

土壤中的盐分在腐蚀过程中不仅起到导电作用，还参与电化学反应，因此含盐量与土壤腐蚀性强弱有一定的对应关系^[5]。土壤中可溶盐是电解质溶液的主要成分，含盐量增大降低了土壤电阻率，使得土壤腐蚀性增强。另一方面含盐量的增大使得土壤中氧溶解度下降，削弱了土壤腐蚀中的电化学腐蚀阴极过程，还造成土壤中金属电极电位有下降的趋势^[6]。

土壤中阴离子对管道的腐蚀影响较大，这是由于阴离子对土壤腐蚀电化学过程有直接影响。Cl^-是土壤中腐蚀性最强的一种阴离子，SO4^2-对钢铁腐蚀有促进作用，而CO3^2-对碳钢的腐蚀有阻碍作用。土壤中阳离子对土壤腐蚀性的影响不大，除了起导电的作用外，并不直接影响土壤腐蚀的电极过程。

⑤硫酸盐还原菌含量

土壤微生物腐蚀是指微生物直接或间接地参与了腐蚀过程所引起的金属腐蚀。其一方面为电化学腐蚀创造了条件，另一方面又对电化学腐蚀过程产生影响。微生物中属硫酸盐还原菌对金属腐蚀影响最大，硫酸盐还原菌(Sulfate-Reducing Bacteria，简称SRB)是缺氧环境下广泛存在的一种微生物，人们认为它是厌氧腐蚀的诱发根源，SRB含量的高低也反映着土壤腐蚀性的强弱。研究表明，SRB能加快埋地钢质燃气管道的腐蚀速率，接菌土壤中裸露管道的平均腐蚀速率是灭菌土壤中的2.2倍，点腐蚀是灭菌土壤中的6倍^[7]。

3　相关性分析

相关性分析是研究两个及以上变量之间相关程度以及用一定函数米表达现象相互关系的方法。在研究土壤腐蚀问题，建立腐蚀模型时，需确定土壤理化指标对金属腐蚀程度的影响程度(或相关性)，并将那些对土壤腐蚀性影响较大的理化指标都包含在腐蚀模型中，才能准确地对土壤腐蚀性评价和管道防腐措施进行指导。

相关系数是相关性分析的基础内容，是测定变量间相关关系程度及方向的无量纲指标。统训+学中广泛应用Pearson(皮尔逊)相关系数度量两个正态分布等间隔测度变量之间线性相关性的强弱。

在不设定总体分布的情况下，可采用非参数统计方法描述变量之间的关联程度与方向^[8]。本文采用Kendall(肯德尔)相关系数(以下简称K系数)、Spearman(斯皮尔曼)相关系数(以下简称S系数)确定埋地钢质燃气管道腐蚀程度与土壤理化指标的相关关系，这两种方法都是Pearson相关系数的非参形式。K系数考虑了结点(秩次相同)的影响，适用于两个分类变量均为有序分类的情况。S系数对原始变量的分布不作要求，是利用两变量的秩次大小进行线性相关分析，先将两要素的样本值按数据大小顺序排列位次，再以各要素样本值的位次替代实际数据而求得相关系数。

埋地钢质燃气管道的腐蚀形态分为全面腐蚀、局部腐蚀两类，全面腐蚀是指与土壤相接触的管道表面均因腐蚀而受到损耗，以腐蚀率表示；局部腐蚀是指腐蚀的发生局限在结构特定区域或部位上，以孔蚀深度进行评价。本文给出的我国典型地区土壤对碳钢的腐蚀形态指标及土壤理化指标，来自埋没于国内20个典型地区土壤的碳钢试验件1a的腐蚀数据及土壤理化性质，实测数据与实际情况接近。

我国典型地区土壤条件下碳钢的腐蚀形态指标及土壤理化指标见表1^[9]。

根据统计学常用显著性水平，本文选用0.05、0.01两个显著性水平，显著性水平值越小，相关系数检验结果精度越高。当显著性水平取0.05时，可查得K系数、S系数的双侧检验临界值分别为0.309、0.447；当显著性水平取0.01时，可查得K系数、S系数的双侧检验临界值分别为0.426、0.570。

依据表1中20组样本数据，计算得出腐蚀形态指标与土壤理化指标间的相关系数，所得相关系数绝对值越大，相关性越强，当求得的相关系数绝对值大于相关系数双侧检验临界值时，变量间显著相关(相关系数为正，变量显著正相关；相关系数为负，变量显著负相关)，否则不相关。

由于样本数据数量有限，相关系数存在因随机因素影响产生的偏差，应对相关系数进行假设检验，即采用显著性检验值进行检验。当显著性检验值小于或等于0.01时，认为相关系数(K系数、S系数)的偏差较小；当显著性检验值大于0.01时，认为相关系数(K系数、系数)存在一定偏差。将原始数据输入SPSS 19.0分别进行线性回归分析，求出K系数、S系数以及各自的显著性检验值，计算结果见表2。

由表2可知：

①K系数与S系数的计算结果基本一致，能够准确反映管道腐蚀形态指标与土壤理化指标的相关性。相关系数绝对值越大表明变量间的相关性越强，根据K系数计算结果可知，腐蚀率与各项土壤理化性质相关性强弱的顺序为：SRB含量>含水率>pH值>电阻率>含盐量，孔蚀深度与各项土壤理化指标的相关性强弱的顺序为：电阻率>SRB含量>含盐量>pH值>含水率。

②腐蚀率与各项土壤理化性质的相关系数绝对值均小于显著相关性双侧检验临界值，因此腐蚀率与各项土壤理化指标之间的相关性不明显。由此可知，用pH值、土壤电阻率、含水率等土壤理化指标评价土壤的腐蚀性具有一定的局限性，得出的结果也是有缺陷的。

③孔蚀深度与土壤电阻率间的K系数、S系数分别为0.451、0.536，大于0.05显著性水平上各自双侧检验临界值，因此在0.05显著水平上具有显著正相关。孔蚀深度与SRB含量间的K系数、S系数分别为-0.394、-0.492，绝对值大于0.05显著水平上各自的双侧检验临界值，因此在0.05显著水平上具有显著负相关。电阻率、SRB含量对管道的局部腐蚀有显著性影响。

④判别过程同③，SRB含量与pH值及电阻率分别在0.05、0.01两个显著性水平上具有显著相关性。SRB新陈代谢的产物(利用SO4^2-生成H2S进而产生铁硫化合物)和生命活动过程能显著改变土壤的pH值和电阻率，促进腐蚀反应进行。

⑤判别过程同③，含盐量与pH值及电阻率分别在0.05、0.01两个显著性水平上具有显著相关性。土壤环境中含盐量和组成决定了土壤的酸碱度和导电性，直接影响金属的腐蚀速率，并且不同的离子在碳钢腐蚀过程中发挥着不同的影响作用。

⑥土壤各理化指标之间具有不同程度的相关性，说明各因素并不是单独存在的，而是相互关联、相互作用的，使得不同地区的腐蚀作用变化非常大。

⑦由于样本数量有限，所得两类相关系数值有一定程度的随机误差。且初步得到的未经处理的两类相关系数及其显著性结果在整体上规律性不强，对其所包含的更深层次的信息有待用不相关假设、聚类分析、因子分析等方法作进一步探讨。

4　讨论

暴露于土壤环境中的钢质燃气管道腐蚀率受各项土壤理化性质不同程度的影响，电阻率、SRB含量对孔蚀深度的影响最为显著，但任何一项土壤理化性质与腐蚀形态指标都不是呈简单的线性关系。并且各项理化性质之间也存在相互作用、相互制约，直接或间接地影响着土壤腐蚀性。在燃气管道距离工、穿越地形复杂、所处土壤环境差异大时，很难根据土壤环境的一个或几个理化指标对土壤腐蚀性作出准确评价，需要综合考虑各项理化性质。

近年来，为了确切评价土壤对埋地钢质燃气管道的腐蚀性，研究土壤腐蚀机理，科研工作者已经采用了统计分析法、曲线拟合法、相关分析法、灰色理论、模糊数学理论、人工神经网络等方法^[10-11]对长时间埋片实验获得的土壤腐蚀数据进行了处理分析，在土壤腐蚀评价模型上有所发展，但远不能满足我国幅员广阔的土壤腐蚀防护的需要。并且腐蚀数据样本的不同会导致结果有所差异，带有一定的随机性。因此还须大量地综合现场检测结果，运用、改进现有研究方法，完善土壤腐蚀理论，找出土壤腐蚀性与其相关主要因素间的关系，建立一定通用性的土壤腐蚀模型，为埋地钢质燃气管道的有效防腐和安全可靠运行提供理论和技术支持。

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本文作者：周阳  黄小美  彭世尼  江欢

作者单位：重庆大学城市建设与环境工程学院

  重庆市松树桥中学