一种地上公共燃气管道材料的选用方法及系统与流程

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材料选用主要是以力学性能指标为准，包括抗拉强度、屈服强度和壁厚作为参考来选取。但现有技术至少存在以下问题：

1.现有技术中仅以力学性能作为城市地上公共燃气管道材料的性能指标，不能准确反映地上公共燃气管道在实际使用中的状态，管道材料力学性能反映的是管道受内压力、重力和外力作用下的强度性能指标，而在地上公共燃气管道使用环境复杂，主要受大气污染等协同效应影响，高温、较高的相对湿加剧管道腐蚀破坏，导致燃气管道发生腐蚀失效，使得供气中断或发生安全事故，从而造成经济损失。

2.管道壁厚通过运行压力、材料屈服强度、设计系数和腐蚀裕量确定，地上公共燃气管道运行压力为d0.4mpa，在点腐蚀环境中，依靠增加壁厚和腐蚀裕量的方法对于管道耐腐蚀性能意义不大。

3.从现有技术来看，没有统一的地上燃气管道材料选用标准，也缺乏科学的评价方法，国家相关标准只是针对管道材料的力学性能指标要求，对于管道材料的化学性能和环境适应性的判断缺乏统一标准，对确定地上燃气管道材料的设计使用年限以及全寿命期内的经济性等问题缺乏科学有效的方法进行分析和比较。

也就是说，现有技术采用的力学性能指标和壁厚的选取方法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，因此现有技术对城市地上公共燃气管道材料的选用方法不满足燃气供应实际使用需要。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种地上公共燃气管道材料的选用方法及系统，旨在解决现有技术中燃气管道选用方法不满足燃气供应实际使用需要的问题。

本发明的技术方案如下：

一种地上公共燃气管道材料的选用方法，其中，包括步骤：

a、根据燃气管道运营数据分析燃气管道的失效风险因素；

b、根据环境条件对燃气管道进行腐蚀评价；

c、根据环境条件对燃气管道进行使用寿命预测；

d、根据环境条件进行经济损失分析和全寿命周期成本评价；

e、根据技术经济比较和现有城市燃气标准选用燃气管道材料。

所述的地上公共燃气管道材料的选用方法，其中，所述步骤a中的燃气管道运营数据包括燃气管道材质、管径、接口数量、管道总长度、管道总重量、管道总面积、服役年限分布、抢修频率、燃气管道失效原因分布及后期维护成本；所述风险因素包括稳定因素、时效性因素和非时效性因素，所述时效性因素包括管道外腐蚀、内腐蚀、应力腐蚀、接口泄漏及密封圈失效中的一种或几种，所述非时效性因素包括第三方破坏、低温损坏、台风、沉降及地震破坏中的一种或几种。

所述的地上公共燃气管道材料的选用方法，其中，所述步骤b具体包括：

b1、根据环境条件确定燃气管道的腐蚀速率；

b2、按计算的腐蚀速率确定地区腐蚀等级。

所述的地上公共燃气管道材料的选用方法，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。

所述的地上公共燃气管道材料的选用方法，其中，所述步骤c中，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。

所述的地上公共燃气管道材料的选用方法，其中，所述步骤d中，按照腐蚀失重和使用寿命计算经济损失。

一种地上公共燃气管道材料的选用系统，其中，包括：

失效风险因素分析模块，用于根据燃气管道运营数据分析燃气管道的失效风险因素；

腐蚀评价模块，用于根据环境条件对燃气管道进行腐蚀评价；

使用寿命预测模块，用于根据环境条件对燃气管道进行使用寿命预测；

成本评价模块，用于根据环境条件进行经济损失分析和全寿命周期成本评价；

燃气管道材料选用模块，用于根据技术经济比较和现有城市燃气标准选用燃气管道材料。

所述的地上公共燃气管道材料的选用系统，其中，所述失效风险因素分析模块中，燃气管道运营数据包括燃气管道材质、管径、接口数量、管道总长度、管道总重量、管道总面积、服役年限分布、抢修频率、燃气管道失效原因分布及后期维护成本；所述风险因素包括稳定因素、时效性因素和非时效性因素，所述时效性因素包括管道外腐蚀、内腐蚀、应力腐蚀、接口泄漏及密封圈失效中的一种或几种，所述非时效性因素包括第三方破坏、低温损坏、台风、沉降及地震破坏中的一种或几种。

所述的地上公共燃气管道材料的选用系统，其中，所述腐蚀评价模块具体包括：

腐蚀速率确定单元，用于根据环境条件确定燃气管道的腐蚀速率；

地区腐蚀等级确定单元，用于按计算的腐蚀速率确定地区腐蚀等级。

所述的地上公共燃气管道材料的选用系统，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评定管道材料的使用性能指标，相对于现有技术中依靠材料力学性能指标和壁厚的选取方法，本发明选取根据环境条件的性能指标和材料经济性指标，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，从而能够保证管道材料在设计寿命内的使用安全，减少经济损失。

附图说明

图1为本发明一种地上公共燃气管道材料的选用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

本发明提供一种地上公共燃气管道材料的选用方法及系统，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，本发明提供了一种地上公共燃气管道材料的选用方法较佳实施例，其包括：

s1：根据燃气管道运营数据分析燃气管道的失效风险因素；

s2：根据环境条件对燃气管道进行腐蚀评价；

s3：根据环境条件对燃气管道进行使用寿命预测；

s4：根据环境条件进行经济损失分析和全寿命周期成本评价；

s5：根据技术经济比较和现有城市燃气标准选用燃气管道的材料。

作为优选，所述步骤s1中，燃气管道运营数据包括地上公共燃气管道现状资料，具体包括燃气管道材质、管径、接口数量、管道总长度、管道总重量、管道总面积、服役年限分布、抢修频率、燃气管道失效原因分布、后期维护成本等中的一种或几种。

燃气管道的失效风险因素包括：稳定因素、时效性因素和非时效性因素。本发明可以确定，燃气管道气主要的失效风险因素，即各因素中占比最高的因素。

其中稳定因素为与制造有关的缺陷和与施工有关的缺陷。与制造有关的缺陷有：无缝钢管主要是壁厚偏差赫尔不圆度，焊接钢管主要是制管焊缝缺陷、管件沙眼，镀锌管主要是镀锌层质量缺陷。

与施工有关的缺陷有：无缝钢管的安装采用焊接方式，对焊工技术要求较高，焊缝质量难以得到保障，施工现场无损检测难度较大；镀锌管的安装采用现场套丝方式，螺纹滑丝、断牙、对接失效是常见缺陷，管螺纹的密封采用聚四氟乙烯生料带，由于接口数量众多，工程质量依赖于工人的安装技术和经验，接口密封处经过较长时间以后发生密封失效；管道安装完工后手工涂刷醇酸漆防腐，是现场施工质量控制的薄弱环节，管道涂漆前杂质清除、防护涂层的干膜厚度、环境湿度影响难以监控以及涂漆道数和漏涂无法避免等，导致的外防护涂层质量缺陷，难以达到预期耐久性。

时效性因素包括管道外腐蚀、内腐蚀、应力腐蚀、接口泄漏和密封圈失效中的一种或几种。

非时效性因素包括第三方破坏、低温损坏、台风、沉降和地震破坏中的一种或几种。

作为优选，所述步骤s2具体包括：

根据环境条件确定腐蚀速率；

按计算的腐蚀速率确定地区腐蚀等级。

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)

锌第一年的腐蚀速率(μm/a)：

rcorr＝0.0129·p^0.44·exp(0.046·rh+f)+0.0175·s^0.57·exp(0.008·rh+0.085·t)式(2)

其中，rcorr为腐蚀速率，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。对于碳钢和锌材质的燃气管道，均可参考表一确定地区腐蚀等级。

作为优选，所述步骤s3具体为：根据地区腐蚀等级和燃气管道的耐蚀性能确定燃气管道(材料)的使用寿命。

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，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。

作为优选，所述步骤s4中，根据地区腐蚀等级估算燃气管道的腐蚀损失，共有以下两种：①按腐蚀失重：碳钢、锌的腐蚀失重，吨/年；②按使用寿命：单位材料面积的维修或更换费用，材料维修或更换周期，经济损失，万元/年。

经济损失估算模型如下表三所示：

表三

作为优选，所述步骤s4中，燃气管道全寿命周期成本计算方法：由于燃气管道的使用无法确定一个明确的报废期限，到期报废处理即可，无论燃气管道使用状况如何，燃气管道不能中断供气，因此，按建筑使用70年的全寿命周期成本计算模型，如下表四所示，包括：单位长度燃气管道首次采购成本、单位长度管道安装成本、除锈涂漆次数、大修改造次数、外防护涂层周期成本。

表四

进一步地，所述步骤s5中，根据地区腐蚀等级、材料使用寿命、经济比较和现有国家标准《流体输送用无缝钢管》(gb/t8163)、《低压流体输送用焊接钢管》(gb/t3091)、《流体输送用不锈钢焊接钢管》(gb/t12771)，选用燃气管道材料。

本发明还提供一种地上公共燃气管道材料的选用系统较佳实施例，其包括：

失效风险因素分析模块，用于根据燃气管道运营数据分析燃气管道的失效风险因素；

腐蚀评价模块，用于根据环境条件对燃气管道进行腐蚀评价；

使用寿命预测模块，用于根据环境条件对燃气管道进行使用寿命预测；

成本评价模块，用于根据环境条件进行经济损失分析和全寿命周期成本评价；

燃气管道材料选用模块，用于根据技术经济比较和现有城市燃气标准选用燃气管道材料。

进一步，所述失效风险因素分析模块中，燃气管道运营数据包括燃气管道材质、管径、接口数量、管道总长度、管道总重量、管道总面积、服役年限分布、抢修频率、燃气管道失效原因分布及后期维护成本；所述风险因素包括稳定因素、时效性因素和非时效性因素，所述时效性因素包括管道外腐蚀、内腐蚀、应力腐蚀、接口泄漏及密封圈失效中的一种或几种，所述非时效性因素包括第三方破坏、低温损坏、台风、沉降及地震破坏中的一种或几种。

进一步，所述腐蚀评价模块具体包括：

腐蚀速率确定单元，用于根据环境条件确定燃气管道的腐蚀速率；

地区腐蚀等级确定单元，用于按计算的腐蚀速率确定地区腐蚀等级。

进一步，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。

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五所示：

表五

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六所示：

表六

深圳大气pm2.5水溶性无机离子浓度如下表七所示:

表七

计算碳钢第一年钢的腐蚀速率(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)

计算锌第一年的腐蚀速率(μm/a)：

rcorr＝0.0129·p^0.44·exp(0.046·rh+f)+0.0175·s^0.57·exp(0.008·rh+0.085·t)式(2)

计算结果如下表八所示：

表八

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。

按腐蚀速率确定地区腐蚀等级，具体如表九所示：

表九

根据计算结果，碳钢腐蚀速率为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：年，深圳地区碳钢腐蚀速率在c4区间，使用寿命12.5-20年。

1毫米穿孔法按稳态腐蚀率计算的使用寿命如表十所示：

表十

在以氯化物为主导的大气环境中，参照碳钢的腐蚀速率，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。

6.根据环境条件进行经济损失分析和全寿命周期成本评价。

基于大气腐蚀的经济损失估算模型如下表十一所示：

表十一

上表十一中，按无防护措施碳钢腐蚀失重估算的腐蚀量每年可达450-750吨，直接材料经济损失为200-365万元/年，每年腐蚀量可达地上燃气管道总量的1％－1.7％；按无污染条件下的材料更换周期30年，按材料实际使用寿命10、15、20年估算的经济损失分别为：

10500万元/年、5200万元/年、2600万元/年。

燃气管道全寿命周期成本计算模型如下表十二所示：

表十二

深圳地上燃气管道全寿命周期成本评价如下表十三所示：

表十三

7.根据技术经济比较和现有国家标准选用材料。

深圳地区腐蚀区域划分

(1)深圳地区距离海岸线12km以内，c4腐蚀区域的材料选用：

预期使用寿命为30-50年，材料选用环氧涂覆管或316不锈钢管，成本分别为：600元/户、700元/户。

(2)距离海岸线12km以外，c3腐蚀区域的材料选用：

预期使用寿命20-40年，材料选用镀锌钢管、环氧涂覆管或304不锈钢管，成本分别为500元/户、600元/户、600元/户。

(3)材料选用标准，根据现有国家标准《流体输送用无缝钢管》(gb/t8163)、《低压流体输送用焊接钢管》(gb/t3091)、《流体输送用不锈钢焊接钢管》(gb/t12771)。

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。