郭光荣1 李文兵1 王丽琼2

1. 宁夏哈纳斯燃气集团有限公司； 2.银川阅能天然气有限公司

 

摘要：管道电流衰减法PCM广泛应用于防腐层破损点的定位与严重程度评估，其输出的dB值是现场判断破损点严重性的重要指标。基于2024年银川市83 km环城高压燃气钢制管道的外防腐层检测及后续开挖修复数据，选取了59个有效破损点样本，系统分析了dB值、破损面积与管道埋深三者间的相关性。通过计算Pearson相关系数、绘制散点图并进行二元回归分析，表明dB值与破损面积存在弱正相关关系，而埋深对检测结果具有显著影响。研究建立的二元线性回归模型，验证了利用PCMx检测数据定量评估防腐层破损面积的可行性。

关键词：高压燃气管道；PCMx检测；防腐层破损；dB值；破损面积；管道埋深；预测模型

 

高压燃气钢制管道作为城市能源供应的重要基础设施，其安全运行直接关系到社会经济发展和公共安全。防腐层作为埋地钢质管道的第一道防线，其质量的优劣在一定程度上影响着阴极保护的效果和管道的使用寿命[1]。因此，定期对管道外防腐层进行检测与评估，并及时修复破损点，是管道完整性管理的核心内容之一。

PCMx管道电流测绘系统可有效检测埋地燃气钢管防腐层质量状况。结合交流电流衰减法（ACAS）和交流电位梯度法（ACVG）对埋地钢管防腐层总体状况开展检测并对破损点位置进行确定，可有效检测埋地燃气钢管防腐层质量状况，准确定位防腐层破损点[2]。其代表设备PCMx通过向管道施加特定频率的交流信号，并沿管线测量电流的衰减情况。当防腐层存在破损时，电流会异常泄漏至大地，形成电流陡降，据此可精确定位破损点位置，并以dB（分贝）值量化其电流泄漏的相对强度。通常认为，同条件下dB值越大，破损面积越大[3]。实际工作中，也常依据dB值的大小初步判断破损点的严重等级，并据此制定开挖修复计划，但经常发生误判情况。

目前国内关于PCMx的dB值与实际破损面积之间定量关系的研究报道相对较少，多为定性描述。为此，以银川市环城高压燃气管道2024年度外防腐层检测数据为基础，对59个已完成开挖修复的防腐层破损点的检测数据进行系统分析，重点研究以下关键问题。

（1）PCMx检测的dB值与防腐层实际破损面积之间的相关性。

（2）管道埋深对dB值与破损面积相关性的影响。

（3）综合考虑dB值和管道埋深两个因素，建立数学模型，以相对准确地预测防腐层的破损面积。

1  数据与方法

1.1  数据来源

银川市环城高压燃气钢质管道全长83 km，2009年开始建设，2014年投入运行，管径610×8.7 mm。设计压力4.0 MPa，运行压力约3.0 MPa，管道防腐层采用三层聚乙烯（3PE），阴极保护采用强制电流。2024年采用英国雷迪公司生产的PCMx进行全线外防腐层检测，现场精确记录了每个破损点的管道中心埋深，破损处的最大长度和宽度，对检测出的破损点进行了开挖修复。从中筛选出信息齐全、破损面积较容易衡量的59个破损点作为有效研究样本，选取典型数据如表 1所示。

表 1 破损点数据样本示例

 

1.2  数据处理

为便于分析，首先将每个破损点的实测长度（L，cm）和宽度（W，cm）转换为破损面积（S，cm²）。考虑到大部分破损形状不规则，为简化计算并统一标准，采用矩形面积近似法计算破损面积，即式（1）：

S = L×W      （1）    

1.3  分析方法

采用统计分析软件进行数据处理与分析。

（1）描述性统计分析。计算各变量的均值、标准差、极值等基本统计量，分析数据分布特征。

（2）相关性分析。采用Pearson相关系数（r）来量化dB值、破损面积和埋深三个变量两两之间的线性相关强度和方向。

（3）可视化分析。绘制散点图矩阵，直观展示dB值与破损面积之间的关系。

（4）回归模型建立。以破损面积S为因变量， dB值和埋深（H）为自变量，建立二元线性回归模型。

（5）模型验证。通过实际案例验证模型的预测准确性。

2  结果与讨论

2.1  描述性统计结果

对59个样本的关键变量进行描述性统计，结果如表 2所示。dB值范围在14 dB～70 dB之间，均值为36.2 dB，表明检测到的破损点严重程度分布较广。

表 2 变量描述性统计结果（ n =59）

埋深大部分在1 m～3 m之间，均值为2.1 m。但A9埋深达10.4 m，属于异常埋深点。

破损面积差异很大，从1 cm²（最小）～247 cm²（最大），标准差较大，说明破损点的大小非常不均匀。从数据分布特征来看，85%的破损点面积在50 cm²以下，同时存在少数大面积破损点（如A53 204 cm²，A79 247 cm²），这些异常值为研究提供了重要参考。

2.2  dB值与破损面积的相关性分析

使用Pearson相关性分析，得到dB值与破损面积的相关系数 r =0.284（p<0.05），表明两者存在显著的弱正相关关系。p代表在原假设（两变量无相关）成立时，抽到当前样本相关系数 r，甚至更极端结果的概率。这一结果说明，单纯依靠dB值评估破损程度存在较大局限性。dB值与破损面积的散点图可更直观地展示这一关系（图 1）。

图 1 dB值与破损面积散点图

从散点图可知，随着dB值的增大，破损面积整体呈现增大的趋势，但存在很多明显的离散点。例如：A9（dB=16，S=100 cm²）dB值很低，但破损面积非常大；A50（dB=70，S=90 cm²）dB值最高，但破损面积并非最大；A13（dB=26，S=1 cm²）dB值中等，但破损面积极小。

这些离散点的存在说明，仅凭dB值单一指标精确预测破损面积是不充分的。dB值高不一定意味着破损面积绝对大，反之亦然。为此，进一步考察管道埋深的影响。

2.3  埋深对dB值与破损面积相关性的影响

首先，计算埋深与dB值的Pearson相关系数 r =﹣0.217（p<0.05），表明埋深与dB值呈显著的负相关。即随着管道埋深的增加，检测到的dB值倾向于减小。这是因为信号在土壤中传播时会发生衰减，埋深越深，信号损失越多，导致仪器接收到的信号强度减弱，计算出的dB值偏低。

据此进一步分析图 1中离散点情况。A9埋深达10.4 m，是导致其dB值严重偏低的主要原因。如果不考虑埋深，仅凭dB值16，该点很可能被判定为轻微缺陷而忽略，从而埋下重大安全隐患。

A50埋深仅1.5 m，信号衰减很小，因此即使破损面积不是最大，但检测出的dB值非常高。

可见，管道埋深是影响dB值与破损面积相关性的一个关键干扰变量。它会削弱来自深埋大破损点的信号，导致仅凭dB值评估破损程度会产生误判。

2.4  破损面积预测模型的建立与检验

为更准确地预测破损面积，综合dB值和埋深两个因素，用全部59个样本数据进行回归分析，建立了二元线性回归模型，如式（2）所示。

S =﹣49.34 + 1.64×dB值 + 11.12×H     （2）

该模型的判定系数R²=0.298，表明模型具有一定的预测能力。

常数项“﹣49.34”无实际物理意义。dB值系数“1.64”代表在埋深不变的情况下，dB值每增加1个单位，预测的破损面积平均增加约1.64 cm²。这验证了dB值与破损面积的正向关系。埋深系数“11.12”代表在dB值不变的情况下，埋深每增加1m，预测的破损面积平均增加约11.12 cm²。定量反映了在相同dB值条件下，埋深越深，则防腐层破损面积可能越大。

通过实际案例验证模型的预测准确性。以A9为例，模型预测破损面积：

S=﹣49.34+1.64×16+11.12×10.4=98.6 cm²

实际开挖验证面积为100 cm²，相对误差仅1.4%。同理，A50模型预测破损面积：

S=﹣49.34+1.64×70+11.12×1.5=87.2 cm²

实际面积90 cm²，相对误差3.1%。验证结果表明模型具有较好的预测准确性。

3  结论与工程应用建议

3.1  研究结论

（1）PCMx检测dB值与防腐层实际破损面积之间存在弱正相关关系（ r =0.284），说明单一依赖dB值评估破损程度可靠性不足，在实际应用中可能产生严重误判。

（2）管道埋深对dB值具有显著的负向影响（ r =﹣0.217），是导致单纯依靠dB值评估破损面积产生偏差的重要因素。

（3）综合dB值和埋深建立的二元线性回归模型量化了二者对破损面积的共同影响，能够在一定程度上预测防腐层的破损面积（R2=0.298）。

3.2  工程应用建议

基于本研究结论，对高压燃气管道的外防腐层检测与维护工作提出以下建议。

优化破损点修复优先级排序。改变过去仅按dB值从高到低排序开挖修复的传统做法。建议对所有检测出的破损点计算其“预测破损面积”，并据此进行修复优先级排序，优先处理预测面积大的破损点。

应用示例。A点dB=40，埋深1.0 m；B点dB=25，埋深4.0 m。传统做法是优先修复A点。但根据研究模型计算预测破损面积如下。

A点：S =﹣49.34+1.64×40+11.12×1≈27.4 cm²

B点：S =﹣49.34+1.64×25+11.12×4≈36.1cm²

计算结果表明应优先修复B点。该方法能有效避免遗漏像A9（深埋大面积）这样的高风险点。

3.3  不足与展望

本研究的局限性在于样本量59个，仍有扩大的空间，且所有数据均来自同一地区的同一条管道，拟合形成的模型公式不一定适合其他管道，模型的普适性有待在更广阔的地理区域和管道类型中进行验证。此外，破损面积采用了矩形近似法，与实际的不规则形状存在误差。未来可以尝试利用图像识别技术更精确地计算不规则破损面积。本次研究仅考虑了PCMx检测防腐层破损点dB值、管道埋深对预测防腐层破损面积的影响，未系统考虑土壤电阻率、发射机参数与距离、外部干扰等因素的影响，后续可加入土壤电阻率等因素作为可变参数进行修正研究。此外，可通过建立分区段评估模型来进一步提高评估结果的准确性和可靠性。

 

参考文献：

[1]尹志彪，曹育军，邹健等. 城镇燃气埋地钢质管道防腐蚀现状[J].腐蚀与防护，2024，45(10)：97-101.

[2]沃敬凯，胡健，钟军平，等. PCMX技术在埋地钢质燃气管道防腐层状况不开挖检测中的应用[J].全面腐蚀控制，2023，37(3)：40-46+64.

[3]印军华，张俊.城镇埋地燃气管道防腐层不开挖检测和评价[J].工程技术，2021(9)：230-233.

 

作者简介：郭光荣，1977年生，本科，学士学位，宁夏哈纳斯燃气集团有限公司生产运营党支部书记、技术总监，化工工艺高级工程师，注册一级建造师（建筑）、注册二级建造师（市政）、压力管道检验员、注册安全工程师，住建部市政基础设施领域应急处置专家库成员，宁夏回族自治区安全生产专家库资深专家、燃气行业专家。主要研究方向为城市燃气智慧化信息化建设、城镇燃气工程施工、燃气管道检验、燃气计量等。联系方式：13995315185，24598023@qq.com。