Chapter 06 在線腐蝕監(jiān)測技術(shù)

Chapter06油氣田在線腐蝕監(jiān)測技術(shù)1〕腐蝕掛片法試樣經(jīng)過一段時間的暴露后，根據(jù)其失重或增重測量平均腐蝕速率。特點是：測試方法簡單，適用于幾乎任何體系，無需任何現(xiàn)場儀器；可以定量地測量均勻腐蝕速率；也可用于局部腐蝕的判斷。特點：僅提供平均腐蝕速率，反映不出腐蝕速率的波動。試驗周期受到生產(chǎn)條件限制，試驗周期較長，勞動強度大。圖7.腐蝕掛片裝置編輯課件2〕線性極化法用兩電極或三電極探頭，通過電化學(xué)極化阻力測量腐蝕速率，通過對電位—電流曲線線性回歸，計算出曲線的斜率，即極化電阻Rp，最后，借助于Stern系數(shù)〔即B值〕，將Rp轉(zhuǎn)換為腐蝕速率。線性極化技術(shù)可以快速測定體系的瞬時腐蝕速度，適用于有適當(dāng)電導(dǎo)率的大多數(shù)金屬體系。編輯課件3〕弱極化曲線法線性極化技術(shù)是一種快速靈敏的、可以連續(xù)測量瞬時腐蝕速度的電化學(xué)方法。但這種技術(shù)也有其固有的局限性和缺點，如有的腐蝕體系在自腐蝕電位附近線性度不好，尤其是運用線性極化技術(shù)必須塔菲爾常數(shù)或Stern常數(shù)B，而弱極化測量技術(shù)那么不受腐蝕體系線性度限制，也無須Tafel常數(shù)。通過非線性擬合如下方程可直接得到腐蝕速率、Tafel斜率等參數(shù)。與線性極化技術(shù)類似，它也不適用于低電導(dǎo)率的介質(zhì)〔如原油〕?！?〕編輯課件4〕交流阻抗法它可看作線性極化技術(shù)的繼續(xù)和開展，在理論上它適合于多種體系。它不但可以求得極化阻力Rp、微分電容Cd等重要參數(shù)。對于線性極化法不適宜的高電阻體系是特別有效的。工業(yè)腐蝕監(jiān)測的交流阻抗可以采用2～3頻率點，比方一個高頻10KHZ,一個低頻0.01Hz正弦波,分別涌入測量溶液電阻Rs和方案電阻Rp,該方法可以防止復(fù)雜的阻抗譜解析，同時又適用于高阻體系。是一種比較有開展前途的電化學(xué)監(jiān)測方法。交流阻抗譜等效電路編輯課件5〕電化學(xué)噪聲技術(shù)電化學(xué)噪聲是指腐蝕著的電極外表所出現(xiàn)的一種電位或電流隨機自發(fā)波動的現(xiàn)象。它的測量對被測體系沒有擾動，可以反映材料腐蝕的真實情況。與其他方法相比，電化學(xué)噪聲法特別適合于監(jiān)測點蝕、縫隙腐蝕、以及應(yīng)力腐蝕開裂等局部腐蝕。而其它電化學(xué)方法那么很難用于監(jiān)測局部腐蝕。編輯課件1.原位無損監(jiān)測技術(shù)，在測量過程中無須對被測電極施加可能改變電極腐蝕過程的外界擾動；2.無須預(yù)先建立被測體系的電極過程模型；3.它無須滿足阻納的三個根本條件：(1)系統(tǒng)的擾動與響應(yīng)之間必須具有因果關(guān)系；(2)被測系統(tǒng)必須是線性系統(tǒng)；(3)被測系統(tǒng)對于擾動信號是穩(wěn)定的；4.電化學(xué)噪聲檢測設(shè)備簡單可靠，且可以實現(xiàn)遠距離監(jiān)測。電化學(xué)噪聲相對于傳統(tǒng)腐蝕監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)點編輯課件電化學(xué)噪聲分析的統(tǒng)計學(xué)方法，包括方差Var、標(biāo)準(zhǔn)偏差

、均方根RMS(rootmeansquare)。電化學(xué)噪聲特征參數(shù)的計算局部腐蝕指數(shù)LI(localizationindex)來判斷腐蝕發(fā)生形式及程度，并認(rèn)為如果LI在10-3數(shù)量級，說明體系可能發(fā)生了均勻腐蝕；如果LI接近于1，那么是局部腐蝕。不過近來發(fā)現(xiàn)，LI指數(shù)并不能反映局部腐蝕情況，它只反映了兩個“相同〞工作電極之間腐蝕動力學(xué)的差異程度。由于噪聲電流在零點附近的緩慢漂移，會使LI值等于1，盡管此時發(fā)生的是典型的均勻腐蝕。編輯課件噪聲電阻的計算統(tǒng)計噪聲電阻Rn---同步波動的電位噪聲與電流噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差之比在某些情況下，噪聲電阻Rn可能等于極化電阻Rp。這是電化學(xué)噪聲電阻應(yīng)用于工業(yè)腐蝕監(jiān)測的理論背景。譜噪聲電阻，即對“相同〞電極體系的電位和電流同時采樣，經(jīng)FFT變換成PSD后，用相同頻率下的電位PSD除以電流PSD。

譜噪聲電阻Rsn(f)和極限譜噪聲電阻Rsn(0)編輯課件電化學(xué)噪聲應(yīng)用與現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測1999以來，美國Califomia的LostHills油田的Cahn3水處理廠進行了實時電化學(xué)噪聲腐蝕監(jiān)測現(xiàn)場試驗。5個腐蝕監(jiān)測電極被安裝在曾經(jīng)腐蝕速率為0.0125~11.25mm/a的不同位置，同時進行線性極化電阻和電位噪聲的測量，計算其瞬時和平均腐蝕速率，結(jié)果說明：在生產(chǎn)環(huán)境條件下，實時噪聲腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠，并提供了有價值的設(shè)備運行信息。2005年，華中科技大學(xué)與四川天然氣研究院合作開發(fā)了用于全面腐蝕與局部腐蝕監(jiān)測的自動腐蝕監(jiān)測裝置，在現(xiàn)場試用良好，與LPR相比可以較準(zhǔn)確地評估局部腐蝕傾向，見以下圖。編輯課件EN500電化學(xué)噪聲腐蝕監(jiān)測儀器編輯課件6〕電阻探針法電阻探針通過測量正在腐蝕的金屬元件〔金屬絲或金屬片〕的電阻變化對金屬損失進行累積測量，優(yōu)點有：簡單、靈敏、適用性強〔在任何介質(zhì)中均可使用；可在設(shè)備運行條件下定量監(jiān)測腐蝕速率。特別適用于氣相環(huán)境的腐蝕監(jiān)測。最近開展了一種測量電感線圈電阻(磁阻探針)的技術(shù)，具有比普通ER測量更高的靈敏度。編輯課件電阻探針用于腐蝕監(jiān)測的優(yōu)勢電阻探針實際上是一個裝有金屬試片的探頭，在腐蝕介質(zhì)中，金屬試片的橫截面積將因腐蝕而減小，從而使其電阻增大，如果金屬的腐蝕大體是均勻的，那么電阻的變化率就與金屬的腐蝕量成正比，周期性地測量這種電阻，便可計算出該段時間后的總腐蝕量，從而計算出金屬的腐蝕速率。電阻探針儀器的優(yōu)點主要有：簡單、靈敏、適用性強〔在任何介質(zhì)中均可使用〕。由于環(huán)境介質(zhì)的溫度、流速、金屬材料的成份和熱處理以及電極外表制備等方面的偏差，或者探針外表存在的外來物質(zhì)〔如腐蝕產(chǎn)物〕，均會影響到測量結(jié)果的精度和可靠性。該方法也不適用于監(jiān)測局部腐蝕。編輯課件電阻探針內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖電阻探針測試裝置采用典型的四線制測量法。以期提高測量電阻〔尤其是低阻〕的準(zhǔn)確度。程控恒流源、程控前置放大器、16~24bitA/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成了測量電路的主體。中央控制單元(C8051f020)通過控制恒流源給外部參考電阻Rc和待測電阻Rx施加一個恒定、高精度的電流，然后，將所獲得的數(shù)據(jù)〔包括測試電壓、當(dāng)前的測試電流等〕進行處理，得到實際參考電阻和被測電阻值，然后，測量的電流示意圖如以下圖所示，電阻探針的實物照片見下頁。圖1.電阻探針內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖編輯課件電阻探針的結(jié)構(gòu)為了進一步了解探針內(nèi)部的接線圖，采用高精度直流電橋?qū)μ结樃饕_之間電阻進行測量，其測量精度可到達1.按照圖1的定義，.各探針引腳之間的連接關(guān)系〔a是以插針為標(biāo)號為開頭，按順時方向依次為b、c、d、e、f〔單位為歐姆〕〕圖1.電阻探針的外觀及內(nèi)部示意圖iFEDCBA編輯課件電阻探針溫度補償原理其中Lx,Lr分別為被測電阻絲和標(biāo)準(zhǔn)電阻絲的長度，這兩個物理量在整個測量過程中均不會改變；rx,rr那么代表被測電阻絲和參考電阻絲的半徑，前者會隨著腐蝕的進行而逐漸減小，揮著由于處于封閉的探頭腔體內(nèi)，其值不會改變，因此Bx,r的增加將反映探頭敏感元件〔被測電阻絲的半徑〕的減小。因此，在時間從t1~t2這段時間內(nèi)，敏感元件的腐蝕速率據(jù)電阻探針的結(jié)構(gòu)，任何電阻都是溫度的函數(shù)，與溫度的關(guān)系根本服從經(jīng)驗公式：，而碳鋼絲的電阻阻值計算為：,這樣被測電阻Rx/參考電阻Rr的比值Bx,r應(yīng)為：編輯課件影響電阻探針測量精度的因素1〕溫度波動由于溫差電勢和接觸電勢的存在，導(dǎo)致及時采用開爾文電橋的方式進行精密電阻測量，也無法完全補償溫度對測量結(jié)果造成的影響，使腐蝕監(jiān)測精度降低。這一點無論對于電阻探針還是磁阻探針，在當(dāng)前的設(shè)計中均無法解決。2〕導(dǎo)電性腐蝕產(chǎn)物由于碳鋼在H2S體系中的腐蝕產(chǎn)物為硫化物，而FeS具有半導(dǎo)體的性質(zhì)，隨著腐蝕的進行，電阻死的電阻可能隨著硫化物膜的增厚而下降，這樣就無法準(zhǔn)確測量腐蝕量。編輯課件電阻探針溫度效應(yīng)一般金屬絲的電阻值均是溫度的函數(shù)，所以電阻探針內(nèi)碳鋼絲的電阻必然會隨著溫度的變化而變化，這樣就必須對電阻值溫度系數(shù)進行校正，一般采用與被測金屬絲處于相同環(huán)境中的參考電阻絲阻值進行比較，由于二者本質(zhì)上是由同一種材料所組成的，其溫度系數(shù)也相同。根據(jù)下式：Uab=a(T2-T1)+?b(T2-T1)2其中T代表溫度，而t那么代表時間，L表示電阻絲的長度，r(t)表示碳鋼或其他金屬絲的半徑是時間的函數(shù)雖然監(jiān)測腐蝕的傳感器是碳鋼絲所組成，如果考慮到異種金屬焊接在以其所形成的溫差電偶，那么計算公式比較復(fù)雜。圖1.電阻探針內(nèi)部溫度效應(yīng)產(chǎn)生的原因分析編輯課件提高電阻探針測量精度由于結(jié)點電勢與化學(xué)電源一樣，其電勢差是有方向的，因此通過改變恒流源的電流方向，可以對節(jié)點電勢ξ進行完全補償，通過正反向被測電阻上電壓降VIR,那么兩次測量值之和：ΣV=(VIR+ξ〕-(ξ-VIR)=2VIR,從而將節(jié)點電勢完全補償?shù)?，將測量精度提高了10倍，使腐蝕速率的分辨率可到達10nm左右。為此，華中科技大學(xué)與長慶油田油氣院合作，開發(fā)了一種全新的電阻探針腐蝕監(jiān)測儀器ER400，該儀器采用交流方波進行測量，通過電流的換向測量來補償節(jié)點溫差電勢的漂移，如以下圖所示。編輯課件安裝在長慶油田某集氣站ER400電阻探針編輯課件電阻探針、磁阻探針、掛桿失重試驗結(jié)果比照G31－12井

05.11.1～05.11.21，06.4.6～06.4.26磁阻探針監(jiān)測平均腐蝕速率0.0760.012電阻探針監(jiān)測平均腐蝕速率0.0890.012標(biāo)準(zhǔn)偏差14%0%G21-21井1#05.11.17～06.1.1906.3.21～06.4.27失重掛桿平均腐蝕速率mm/a0.0120.004電阻探針監(jiān)測平均腐蝕速率0.01130.005標(biāo)準(zhǔn)偏差5.8%20%G21-21井2#05.11.17～06.1.1906.3.21～06.4.2失重掛桿平均腐蝕速率mm/a0.0120.0120電阻探針監(jiān)測平均腐蝕速率0.0120.0115標(biāo)準(zhǔn)偏差0%4.2%編輯課件遠程腐蝕監(jiān)控技術(shù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)在油田的應(yīng)用領(lǐng)域油井的遙測遙控

集輸管線流量、壓力和溫度等的監(jiān)測

集輸管線的腐蝕監(jiān)測陰極保護系統(tǒng)監(jiān)控編輯課件遠程腐蝕檢測技術(shù)遠程腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)將傳統(tǒng)的腐蝕檢測/監(jiān)測技術(shù)(如電阻監(jiān)測、線性極化或交流阻抗〕與無線通信技術(shù)結(jié)合起來，組成一個分布式數(shù)據(jù)采集與信息處理系統(tǒng)。它特別適用于作業(yè)點分散于野外，環(huán)境惡劣，需要無人值守遠程控制。因此，無線網(wǎng)絡(luò)將成為油田系統(tǒng)遠程監(jiān)控技術(shù)開展所不可缺少的局部。編輯課件遠程通訊的幾種方案目前國內(nèi)主要有三種解決遠程通訊的方法：1〕采用衛(wèi)星通信；2〕采用普通的大功率無線〔RF〕數(shù)傳電臺；3〕借助移動公網(wǎng)〔GSM/GPRS/CDMA〕來傳輸。以上三種通信方式中，以方式2和3的本錢較低。而且隨著GPRS技術(shù)的飛速開展，其數(shù)據(jù)傳輸率明顯提高，數(shù)據(jù)延遲性較小。是一種較有前途的開展技術(shù)。編輯課件GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(GeneralPacketRadioService)的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上開展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)。GPRS可以充分利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)，覆蓋面廣，實時性好，傳輸速率高，運營費用低，支持IP協(xié)議。具有“永遠在線〞、“快速登陸〞、“按量計費〞、“切換自如〞、“高速傳送〞、“平安可靠〞等優(yōu)點，數(shù)據(jù)傳輸速率高達160Kbps。使用GPRS技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，用戶永遠在線且按流量計費，迅速降低了效勞本錢。編輯課件GPRS移動數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用GPRS移動數(shù)據(jù)傳輸有很大的應(yīng)用范圍，包括：遠程工業(yè)控制自動化城市配電網(wǎng)絡(luò)自動化、自來水、煤氣管道自動化商業(yè)POS機、INTERNET接入金融、交通、公安等以它為技術(shù)支撐采用這種最簡單、最低本錢、最平安可靠的方式構(gòu)建遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可大幅節(jié)省人力物力，提高工業(yè)控制的自動化水平。編輯課件基于GPRS的遠程腐蝕監(jiān)測由于當(dāng)前許多腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)是通過人工現(xiàn)場下載的方式進行，由于油、氣生產(chǎn)井分布不集中，地區(qū)跨度較大，將所有的監(jiān)測點跑一遍將消耗大量的人力物力。人工本錢高，勞動強度大。而且由于不能及時到現(xiàn)場下載數(shù)據(jù)，導(dǎo)致測量結(jié)果滯后時間長。通過進一步提升腐蝕監(jiān)測的遠程監(jiān)控能力，將極大地提高腐蝕監(jiān)測的自動化水平，能夠?qū)夤芫€設(shè)備的平安狀態(tài)進行實時監(jiān)測，同時通過監(jiān)測人力物力的消耗，極大地降低監(jiān)測本錢。因此采用基于無線通訊網(wǎng)絡(luò)〔SCADA或者GPRS〕，建立遠程腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)將具有極大的優(yōu)勢。它特別適用于作業(yè)點分散于野外，環(huán)境惡劣，需要無人值守遠傳控制的地區(qū)。因此，無線網(wǎng)絡(luò)將成為油田系統(tǒng)遠程監(jiān)控技術(shù)開展所不可缺少的局部。編輯課件遠程監(jiān)測單元的組成遠程腐蝕監(jiān)測與控制系統(tǒng)主要包括三個局部：監(jiān)控中心、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場監(jiān)測單元〔可測量腐蝕速率、流量、溫度等〕。其中監(jiān)控中心主要由效勞器、監(jiān)控軟件和中央數(shù)據(jù)庫組成。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)主要包括GPRS或GSMSMS(短消息模式)Modem?，F(xiàn)場腐蝕測量單元包括單片機、數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換、嵌入式分析軟件和測試探頭。編輯課件中央監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控中心是整個監(jiān)控系統(tǒng)的大腦,集中管理和指揮整個監(jiān)控系統(tǒng)的運行。監(jiān)控中心的主要硬件設(shè)備有計算機、通訊主臺、打印機等必需的設(shè)備。計算機用來運行數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)(常稱作上位機軟件)和數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng),并可根據(jù)數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常進行報警、并調(diào)整遠程系統(tǒng)的工作狀態(tài)，或?qū)⑿畔⒅苯油ㄟ^短消息方法發(fā)送到管理人員的上