基于電位矩陣法的鋼制管道腐蝕監(jiān)測技術(shù)和系統(tǒng)介紹

1、基于電位矩陣法的鋼制管道腐蝕監(jiān)測技術(shù)和系統(tǒng)介紹Field Signature Method - FSM目 錄背景原理簡介國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀系統(tǒng)研究性能及前景1、背景管道腐蝕是一個緩慢的過程，除均勻腐蝕外，還存在沖蝕，坑蝕。實踐表明，坑蝕（pit corrosion)、沖蝕(local corrosion)，危害性遠大于均勻腐蝕（general corrosion）。（以四川的天然氣主管道為例，有的管段在兩年左右就發(fā)生了腐蝕穿孔，有的管段則可達十余年。）失效的基本形式穿孔油管及鉆具管體、地面集輸管線、注水管線開裂油管接箍開裂、油管及鉆具管體斷裂、地面管線開裂減薄油管管體、地面管線腐蝕的基本類型沖刷腐

2、蝕縫隙腐蝕電偶腐蝕細菌腐蝕H2S/CO2電化學(xué)腐蝕 設(shè)計余量： 70% （3mm /10mm) 上圖中普遍坑深：?？游g一但發(fā)生，容易發(fā)展。塔里木某聯(lián)合作業(yè)區(qū)歷年腐蝕穿孔統(tǒng)計 大量調(diào)研表明，當一小段管道發(fā)生坑蝕時，內(nèi)外環(huán)境相似的相鄰數(shù)公里管道內(nèi)腐蝕狀況是相似的，這就為監(jiān)測局部進而推斷全局提供了依據(jù)。目前國外的情況是10至20公里設(shè)一個監(jiān)測點。(基于電位矩陣法的鋼制管道腐蝕監(jiān)測系統(tǒng))由于煉油廠中管道系統(tǒng)各處的管徑，管厚，材質(zhì)、流量、流速、壓力、溫度和介質(zhì)變化大，故在煉油廠對重要和易出問題的部位應(yīng)逐一安裝該系統(tǒng)。1.電位矩陣法（FSM）原理簡介IU i，j =I x R i，jR i，j = L /

3、 （w h i，j）原理說明：電指紋法 （FSM- Field Signature Method）U i，j t0 = I x R i，jR i，jt0 = L / （w h i，j）U i，j tm = I x R i，jR i，j tm = L / （w h i，j）一個比較實際的系統(tǒng) (單位：ppt, Part per thousand) 由公式可知: 初始測量時，F(xiàn)Ci = 0tx時刻測量時，如果局部區(qū)域（坑蝕）腐蝕存在，測量電極之間的電阻將增加，相應(yīng)的電壓增加使得FC值大于零。溫度變化, 激勵電流變化使Vi 和 Vref 同比例變化, 測量不受影。由于腐蝕/沖蝕是一種不可逆的化學(xué)和物

4、理現(xiàn)象，故FC值理論上是隨時間而單調(diào)增加的。 任一對測量電極所代表的局部腐蝕(坑蝕)程度由指紋系數(shù)（FC值）判斷：2、國外現(xiàn)狀及動態(tài) 1983年，由挪威學(xué)者首次提出。該方法和技術(shù)具有可靠性特別高，安全性好和溫度適應(yīng)范圍特別大的優(yōu)點。由于極間電壓也只有幾十V，而腐蝕引起的電壓變化只有數(shù)量級。受當時元器件和儀表工業(yè)水平的限制，這一技術(shù)沒有得到發(fā)展和實際應(yīng)用。 1995年以后，在海底管道腐蝕監(jiān)測的迫切需求下，挪威CorrOcean公司和英國的Rowan公司開發(fā)了比較實用的FSM產(chǎn)品。很多學(xué)者對相關(guān)技術(shù)做出大量的研究和貢獻。最具代表性的有： 1995年，挪威R. Strommen 等人提出了改進的FS

5、M的模型，通過增加一參考板，減少了溫度變化的影響；提出了場指紋系數(shù) Fc 概念和算法，使FSM在海底管道和海底重要構(gòu)件的腐蝕監(jiān)測上得到了較廣泛地應(yīng)用。受當時計算技術(shù)的限制，F(xiàn)SM在原理上的局限性還沒有被認識到，坑蝕的計算還是以經(jīng)驗公式為主，例如當諸Fc不均勻時，采用3-5倍的系數(shù)來給出坑蝕量。2008年，英國學(xué)者D.M Farrell和A.Daaland 等人在仿真計算的基礎(chǔ)上，認識到了當電流經(jīng)過坑蝕區(qū)域時，均勻電流將受到擾動，導(dǎo)致系統(tǒng)的精度下降。由于坑蝕大小、深度和位置的隨機性，使電流場的分布計算變得很復(fù)雜且沒有確定性。2009年英國帝國理工Imperial College的 G.Sposi

6、to, P. Cawley等人認識到了因坑蝕導(dǎo)致電流重新分配，導(dǎo)致電位變化不再呈線性的問題。在坑蝕位置已有先驗知識的條件下，提出了用電位圖（Potential Drop Mapping）來檢測坑蝕情況，給出的電位探針間距最優(yōu)解沒有普適性。2007年，美國Kjell Wold、Geirfinn Simes等人提出FSM新的發(fā)展方向為遠距離無線監(jiān)控。下面介紹FSM系統(tǒng)在 海底管道, 化工廠和埋地管道腐蝕監(jiān)測方面的應(yīng)用:2.國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀海底管道，重要構(gòu)件檢測海底管道應(yīng)用 BP Exploration (North Africa), (Gulf of Mexico) 世界上最大的石油/石化集團。全球

7、500強中排前五名. (中海油2套)注意: 1有三種傳感器。 2 安裝方式:同質(zhì)測量管.煉油廠應(yīng)用煉油廠應(yīng)用： (英國Humber煉油廠,99年4套, 00年1套,由于效果很好2001年加8套).應(yīng)用1 (常溫, 設(shè)計檢測的腐蝕類型: 均勻腐蝕) 管徑: 76mm 管厚: 6.7mm (30%=2.04mm)溫度: 65 oC 年腐蝕率: 0.08mm/Year! 25年煉油廠應(yīng)用2 (常溫)管徑: 254mm管厚: 9.7mm (30%=2.91mm)溫度: 65.5 oC類型: 均勻/沖蝕 年腐蝕率年2.91mm) 只能用年,需要當心了!煉油廠應(yīng)用3 (高溫) 管徑: 355mm管厚: 1

8、3mm (30%=3.9mm)溫度: 349 oC類型: 局部腐蝕年腐蝕率: 0.08mm/Year!(48年3.9mm)埋地管道應(yīng)用 (龍崗2,普光23,克拉瑪依2,吉林?)埋地管道應(yīng)用 (中東)1. 便攜式 (已有產(chǎn)品)2. 電纜連接(已有產(chǎn)品)3. 太陽能+無線數(shù)據(jù)(有研究動向報道,未見應(yīng)用產(chǎn)品)4. 產(chǎn)品國內(nèi)空白TZ721井進站管線FSM腐蝕監(jiān)測特點! 和漏磁法、超聲波法、渦流傳感器、電阻探針和電感探針相比較4,5,6，基于FSM的測試系統(tǒng)在概念上有傳感器，但在實體上沒有傳感器。( 傳感器三要素: 敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路即管體本身。)基于FSM特別突出的特點，它在實用上有如下優(yōu)點

9、：國外FSM產(chǎn)品和技術(shù)的優(yōu)點不再次開挖掩埋層、在線、可靠性和精度高。直接檢測局部典型范圍內(nèi)的腐蝕量、腐蝕速率、坑蝕、焊縫腐蝕、沖蝕。測量元器件在測量過程中不暴露在易腐蝕、易磨損和高壓環(huán)境中。（參閱下面二個對比的反例）在管道(容器)上進行裝配時無需開孔和停產(chǎn)，不會導(dǎo)致泄漏危險。監(jiān)測系統(tǒng)的使用期限由管道的使用壽命決定。測量系統(tǒng)在整個使用過程中幾乎沒有消耗?？梢栽诟哌_500的溫度下使用。2009年9月份塔中6氣體站電阻探針腐蝕形貌 2008.10.302009.9.17，監(jiān)測周期：322天，腐蝕速度0.4941mm/a水平1井卸油臺至1#2#閥組試片腐蝕形貌腐蝕如此嚴重結(jié)果已不可靠國外FSM產(chǎn)品和技

10、術(shù)的不足理論上不完善（牽扯效應(yīng)，小腐蝕坑不可分問題）數(shù)據(jù)解釋較復(fù)雜。 （坑蝕和焊縫損失數(shù)據(jù)要傳回CorrOcean公司 數(shù)據(jù)處理中心處理。）產(chǎn)品價格昂貴。 后續(xù)服務(wù)昂貴、不便。技術(shù)和系統(tǒng)研究、研制3.1 目標 研制的系統(tǒng)，充分保持上述優(yōu)點，克服上述缺點，填補國內(nèi)空白。牽扯效應(yīng)，小腐蝕坑不可分問題的解決牽扯效應(yīng)（Drag effect）的解決一個電阻增加10%時 電壓差 理論計算局部區(qū)域減薄10%時電壓差 實際測試 （高精度銑床，恒流源，電壓表）結(jié)論：牽扯效應(yīng)確實存在。對坑蝕精度有很大的影響。 消去牽扯效應(yīng)后兩個電阻變化10%的FC值圖 消除牽扯效應(yīng)后三個電阻變化10%的FC值圖兩個電阻均變化1

11、0%FC值圖 三個電阻均變化10%FC值圖 EI核心期刊基于電位列陣的金屬管道坑蝕監(jiān)測研究儀器儀表學(xué)報。2. SCI期刊 Investigation of drag effect in field signature method, Measurement Science and Technology . 2012/01 小腐蝕坑不可分問題在實際測量中，一個面積較大而深度較淺的腐蝕坑所產(chǎn)生的極間電壓變化值（當前電壓值初始電壓值）與一個面積較小而深度較深的腐蝕坑所產(chǎn)生的極間電壓變化值可能是相同的。 主輔電壓法-判斷小蝕坑的直徑和深度精度10% (1mm /10mm )3.3 研制的FSM系統(tǒng)類型

12、、方案遙測型：GJ-T2 （非防爆型），GJ-TF2（防爆型）(太陽能供電，無線通訊，可同時監(jiān)測2處，適合用于野外，沙漠，戈壁等。)市電型：GJ-S4 (非防爆型)，GJ-SF4 (防爆型)（市電供電，可同時在線監(jiān)測4處，適用于煉油廠，凈化廠等)便攜型：GJ-BF1 (防爆型)，, GJ-B1 (非防爆型) （每次檢測1處，適用于多處定期巡檢）無線發(fā)收模塊遠程主機中國移動網(wǎng)絡(luò)太陽能充電器狀態(tài)電池容量狀態(tài)檢測系統(tǒng)狀態(tài)啟動檢測命令溫度激勵電流被測管道電位場，指紋系數(shù)日期短信貓RS485也可是：T型，L型，Y型管焊縫安裝在外部的電極矩陣數(shù)據(jù)采集箱控制箱可同時監(jiān)測2處遙測型：GJ-T2 （非防爆型），

13、GJ-TF2（防爆型）(太陽能供電，無線通訊，可同時監(jiān)測2處，適合用于野外，沙漠，戈壁等。)太陽能電池DC 5VRS485（最大500米）中央控制室市電220V也可是：T型，L型，Y型管焊縫安裝在外部的電極矩陣本安數(shù)據(jù)采集箱防爆控制箱可同時監(jiān)測4處市電型：GJ-S4 (非防爆型)，GJ-SF4 (防爆型)（市電供電，可同時在線監(jiān)測4處，適用于煉油廠，凈化廠等)通訊線電源線To：中央控制室（20-60米）220V交流300W恒流源模塊3V120A直流變壓器+全波整流+超級電容主控單片機 + 多路DCDC模塊隔爆型控制電箱3-6米防爆電纜1本電箱全部插頭、插座為防爆型3-6米防爆電纜23-6米防爆電纜33-6米防爆電纜4防爆電纜5多 路 互 隔 離 超 高 精 度AD多 路 互 隔 離 單 片 機 組模 擬 開 關(guān) 組 （8點一組最大48組）多路互隔離精密前置放大器組本安型集電箱485防爆電纜線6中心控制室插頭可現(xiàn)場插拔RS232 PC機辦公室充電器也可是：T型，L型，Y型管焊縫安裝在外部的電極矩陣本安數(shù)據(jù)采集箱防爆控制箱每次檢測1處便攜型：GJ-BF1 (防爆