基于分形理论的埋地钢质管道杂散电流腐蚀检测技术研究

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1、北京T业大学T学硕十学位论文2．2公里长路段的人行道和部分路面遭到不同程度的破坏，直接财产损失429．1万元：1999年12月8日，西安市莲湖路古都大酒店门前非机动车道地下天然气管道发生爆炸，200米的路面被强大的冲力炸开，造成15人受伤，并且导致大面积停电，直接经济损失300余万元；2000年1月28日，广西贵港市城区富士花园至港北区公安分局南梧公路段发生地下油气管道爆炸事故，造成8人当场死亡、16人受伤，公路严重损坏；2003年8月21日上午，深圳市福华三路发生煤气管道连环爆炸，造成9人受伤，直接经济损失约90万元。在油气

2、管道安全运行事故中，约有三分之一是与金属管道的腐蚀有关。因此，采取经济有效的管道完整性评价方法对管道的运行状况进行评价和危害性进行评估，特别是管道剩余寿命的预测方法，以便采取更有效、更合理的防护与维护措施，节约维护费用，这将是一项非常必要而紧迫的重要任务，也是根除事后补救，全面推行事前预防策略的根本技术保障。1．1．1．1杂散电流与管道腐蚀在设计或规定的回路中意外流动的电流称为杂散电流。杂散电流源包括以下几种情况口’81：其他管线的强制电流阴极保护系统、直流电运输系统、采矿直流电牵引系统、直流电焊接操作、高压直流电输送系统、大

3、地磁场的扰动、手机基站、通讯设施等。杂散电流分为直流杂散电流和交流杂散电流，其中直流杂散电流对管道的腐蚀影响最大。当杂散电流所引起的管地电位过低时，管道表面会析出大量氢，造成防腐绝缘层破坏和脱落，从而加剧阴极区的腐蚀破坏。杂散电流造成的腐蚀是非常严重的，尤其是长距离带覆盖层的埋地金属管道，杂散电流流入管道很大，电流只能从外覆盖层的破损处流出，更容易集中在管道局部。土壤中的金属腐蚀一般分为自然腐蚀和电流腐蚀两类口1，前者主要指金属和土壤介质发生电化学作用而形成自发溶解，后者是因杂散电流而产生的强迫溶解。因此，杂散电流是导致管道腐

4、蚀的一个重要因素。随着城市建设的加快，电力、通讯、地铁、城市轨道等市政建设也飞速发展。在现代城市和工业区，埋地水管、煤气管道、天然气管道、通讯电缆、电力电缆以及电车路轨等地下结构越来越多，铺设长度急剧增加，相互间彼此平行或交叉，距离很近。虽然对有些地下结构采取了一定的阴极保护措施，且表面上始终维持阴极保护水平，但仍常因杂散电流的存在发生腐蚀破坏，从而造成埋地金属管道阴极区防腐层的老化和剥离，阳极区发生严重的坑蚀。据东北输油管理局统计，东北地区共有长输油管道约2000km，由于电气化铁路等设施的大规模建设，受到杂散电流侵扰的管道

5、日益增多，其中80％的腐蚀穿孔事故来自杂散电流的影响，严重时位于直流电气化铁路附近的管道，半年就发生腐蚀穿孔，杂散电流对金属管道的强烈腐蚀作用由此可见。2第一币绪论1．1．1．2腐蚀表征在腐蚀科学领域，常用金属材料的失重、腐蚀速率、腐蚀电位、腐蚀时间、介质温度和浓度等数据作为腐蚀程度的度量n训。而腐蚀图像，例如用扫描电镜照片记录的金属材料表面腐蚀形貌、腐蚀区域分布图像、无损检测图片、用金相组织照片记录的金属材料微观结构特征及金属断口图像等，也是判断各种腐蚀类型、评价腐蚀程度、研究腐蚀规律与特征的重要依据。不同的表面形貌图像包含

6、着不同的信息，反映了腐蚀形貌的起伏变化和腐蚀程度。从金属材料表面腐蚀形貌图像中提取特征参数对腐蚀以定量化表述，不仅对深入研究腐蚀规律具有重要意义，而且也是建立腐蚀诊断系统的一个重要组成部分。分形理论是法国数学家Mandelbrot⋯1于二十世纪七十年代中期创立并发展起来的新的自然几何理论，用以描述欧氏几何以外的复杂对象，指出自然界中大部分的不规则或貌似无序的系统都具有分形特征，并于1984年首次首分形来描述材料断口的特征n刳。自此以后，国内外一些材料腐蚀领域的学者也对分形理论及其应用产生了浓厚的兴趣。目前，国内外很多研究者利用

7、腐蚀形貌图像的分形维数来表述腐蚀程度，得到了分形维数与表面腐蚀形貌、腐蚀速度的关系：腐蚀表面越复杂，越不规则，其形貌图像的分形维数越大；平均腐蚀速率越大，其形貌图像的分形维数越大；腐蚀表面凹陷越深、标准差越大，其图形的分形维数越大，所以分形维数可以作为表征腐蚀程度的一个重要参数n羽。1。1。2研究意义由杂散电流引起的管道腐蚀，轻者使管道发生泄漏，影响正常生产；重者引起管道爆炸事故，给人们的生命和财产带来危险和损失。．但因为人们对杂散电流腐蚀的腐蚀机理尚不清晰，不能准确评价因杂散电流腐蚀的管道剩余寿命，所以急需一种针对杂散电流腐

8、蚀的管道寿命评价方法，为提高我国输油输气和城市燃气管道的运行管理水平、减少事故、延长管道的使用寿命和提高相关企业的经济效益提供技术支持。随着信息科学和图像技术的发展，依据金属腐蚀形貌特征，结合计算机图像分析和处理技术，进行腐蚀诊断和评价，已引起了人们的重视。本课题研究杂散电流