場(chǎng)指紋法管道腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)小腐蝕坑的高精度識(shí)別方法

許華文，廖俊必，殷國富

（1.四川大學(xué) 測(cè)控系，成都610065；2.四川大學(xué) 機(jī)械工程系，成都610065）

油氣管道的腐蝕檢測(cè)與監(jiān)測(cè)是石化行業(yè)中保障管道安全運(yùn)行的一個(gè)重大問題，因此提高管道腐蝕檢測(cè)與監(jiān)測(cè)的精度具有重要意義。

對(duì)管道腐蝕的理想探測(cè)方式是不停產(chǎn)狀態(tài)下的長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。在實(shí)時(shí)得到腐蝕狀態(tài)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，及時(shí)調(diào)整緩蝕劑的投放和陰極保護(hù)電流的大小，或安排必要的維修、更換，從而確保管道安全運(yùn)行。目前，國內(nèi)大量采用的是基于電化學(xué)原理的電極法以及基于電學(xué)原理的電阻探針和電感探針［1］。但它們只能間接推斷平均腐蝕速率，沒有對(duì)普遍存在和至關(guān)重要的坑蝕、沖蝕的監(jiān)測(cè)能力，不能滿足現(xiàn)代企業(yè)安全生產(chǎn)和管理的需求。

場(chǎng)指紋法（FSM）利用被測(cè)管壁體電阻與輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，監(jiān)測(cè)管道的內(nèi)腐蝕情況。該方法具有對(duì)均勻腐蝕、焊縫損失、坑蝕和沖蝕的在線監(jiān)測(cè)能力，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1 FSM原理及優(yōu)點(diǎn)

1.1 FSM原理

FSM腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將測(cè)量電極沿鋼制管道的軸向和周向，以m×n的矩陣形式布局在管道外壁上，并在被測(cè)區(qū)域軸向兩端通入恒定電流，然后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電極之間的電壓變化。FSM系統(tǒng)原理圖，見圖1。

圖1 FSM系統(tǒng)原理圖

當(dāng)管道內(nèi)壁某一區(qū)域發(fā)生腐蝕時(shí)，該區(qū)域體電阻增加，并改變電流場(chǎng)分布，從而引起極間電壓的變化。通過監(jiān)測(cè)電極矩陣的極間電壓變化就可以判斷管道的內(nèi)腐蝕情況。

在使用中，管壁的電阻率會(huì)隨溫度變化，電流也會(huì)發(fā)生微小的波動(dòng)，為了消除這些變化對(duì)精度的影響，需在外壁上布置一塊參考板。參考板緊貼管道但與管道絕緣，通過電纜接入測(cè)量系統(tǒng)。通過測(cè)量參考板上的參考電壓，可以補(bǔ)償溫度變化和電流波動(dòng)帶來的影響。圖2是FSM系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝。

圖2 FSM系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝

安裝完畢后，在管道外包裹防腐蝕層，將設(shè)備密封，以達(dá)到防腐蝕、絕緣、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的目的。

任意一對(duì)測(cè)量電極都擁有一個(gè)指紋系數(shù)（FC），其定義見式（1）［2］：

式中：FCi——電極對(duì)i的指紋系數(shù)；Vit，Vit0——電極對(duì)i在t0時(shí)刻（初始時(shí)刻）和t時(shí)刻的極間電壓；Vreft，Vreft0——參考電極在t0時(shí)刻和t時(shí)刻的極間電壓。

初始時(shí)刻，F(xiàn)C＝0，當(dāng)發(fā)生腐蝕之后，極間電壓發(fā)生變化，F(xiàn)C值也隨著變化。由于FC值變化的本質(zhì)是極間電壓的變化，為了表述直觀，下文將以電壓變化值為討論對(duì)象。

1.2 FSM的優(yōu)點(diǎn)

與漏磁法、超聲波法、渦流傳感器、電阻探針和電感探針［3］相比，F(xiàn)SM腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)在概念上有傳感器，但在實(shí)體上沒有傳感器的測(cè)試系統(tǒng)。傳感器三要素中的敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路即管體本身?；贔SM這一突出的特點(diǎn)，及其密封安裝形式，它在實(shí)際應(yīng)用中具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）具有監(jiān)測(cè)全面腐蝕、局部腐蝕、坑蝕和沖蝕的能力；

（2）溫度適應(yīng)范圍特別大（-20500℃）；

（3）具有不需再次開挖管道或剝開保護(hù)層的在線監(jiān)測(cè)能力；

（4）可靠性高，可以與管道同壽命；

（5）不需要在管道上開安裝孔，安全性好。

2 小腐蝕坑不可識(shí)別問題

許多管道的失效都是腐蝕穿孔造成的，最終導(dǎo)致油氣泄漏，對(duì)財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，還可能引起人員的傷亡。圖3為典型的腐蝕穿孔宏觀圖。

圖3 腐蝕穿孔宏觀圖

根據(jù)管道實(shí)際腐蝕情況和測(cè)量要求，小腐蝕坑被定義為直徑小于或等于一對(duì)測(cè)量電極極間距的圓柱體腐蝕坑。在本實(shí)例中，極間距30mm，壁厚10mm。

當(dāng)一對(duì)測(cè)量電極之間出現(xiàn)小腐蝕坑時(shí)，極間體電阻會(huì)增加，同時(shí)，電流的分布也會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致極間電壓發(fā)生變化。一個(gè)小腐蝕坑有兩個(gè)因素影響著電壓的變化——坑的面積和深度，即：

式中：S——面積，D——深度，而這對(duì)測(cè)量電極只能輸出一個(gè)電壓變化值，因而式（2）是多解的。也就是說，小腐蝕坑的面積和深度具有多種可能性，僅憑一個(gè)電壓變化值無法確定小腐蝕坑的面積和深度，即小腐蝕坑不可識(shí)別問題。由于定義的小腐蝕坑是圓柱體，所以面積可用直徑φ來表征。

當(dāng)腐蝕坑位于電極對(duì)中心位置時(shí)，其增阻作用使極間體電阻增加，極間電壓有增大趨勢(shì)，其擾流作用改變電流場(chǎng)分布，使極間電流減小，極間電壓有減小趨勢(shì)。仿真計(jì)算表明，在直徑和深度取值范圍內(nèi)（直徑830mm，深度08mm），增阻作用占優(yōu)勢(shì)。因此，電壓變化值隨深度和直徑都是單調(diào)遞增的，于是出現(xiàn)這樣一個(gè)現(xiàn)象：一個(gè)大而淺的蝕坑造成的電壓變化值與一個(gè)小而深的蝕坑造成的電壓變化值可能是相同的。圖4為這種情況的示意圖。

圖4 小腐蝕坑不可識(shí)別問題示意圖

利用ANSYS［4］所做的仿真數(shù)據(jù)可以更清楚地闡明這個(gè)問題。

圖5為根據(jù)仿真數(shù)據(jù)所作的在小腐蝕坑直徑、深度影響下極間電壓變化值ΔV的等值線圖。位于同一條等值線上的小腐蝕坑具有相同的電壓變化值，但其直徑和深度卻不相同，如腐蝕坑A和B。這充分證實(shí)了小腐蝕坑不可識(shí)別問題的存在。

圖5 極間電壓變化值ΔV的等值線圖

由于小腐蝕坑不可識(shí)別問題的存在，致使國際上FSM系統(tǒng)做得最好的Corrocean公司的產(chǎn)品用于坑蝕檢測(cè)時(shí)，精度只能達(dá)到±（15%25%）WT（管道壁厚），即壁厚為10mm時(shí)，精度為±（1.52.5）mm，最小可測(cè)的腐蝕坑面積為1.5WT。雖然坑蝕檢測(cè)精度差，但由于FSM固有的優(yōu)點(diǎn)和出于安全性的考慮，國外仍然在廣泛使用，國內(nèi)也從2009年開始小批量進(jìn)口。

目前坑蝕檢測(cè)的通用辦法是：（1）在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)測(cè)得的電壓變化值和經(jīng)驗(yàn)公式得到管道的壁厚減薄量。（2）限定被測(cè)坑蝕面積必須大于一定的值，例如，蝕坑直徑大于1.5WT。理論分析和試驗(yàn)表明，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到腐蝕量誤差極易達(dá)到±（10%20%）WT。

3 主輔電壓法

顯然，僅有一個(gè)電壓輸出信息無法確定小腐蝕坑的兩個(gè)參數(shù)，需要引入另外的包含腐蝕坑信息的輸出電壓，即輔助電壓。

式中：ΔV0——主電壓變化值；ΔV1——輔電壓變化值；φ——直徑；D——深度。

只要式（3）和式（4）在直徑和深度的取值范圍內(nèi)有唯一解，就說明能夠通過ΔV0和ΔV1來唯一確定小腐蝕坑的直徑和深度，這就是主輔電壓法（MAVM）。

FSM系統(tǒng)具有一個(gè)測(cè)量電極矩陣，可以輸出多個(gè)電壓，在不消除牽扯效應(yīng)［5］的情況下，只要合理選擇輔助電壓，就能夠判斷出蝕坑的直徑和深度。

如圖6所示，測(cè)量電極1，2的極間電壓為主電壓V0，變化值為ΔV0。測(cè)量電極3，4的極間電壓為輔電壓V1，變化值為ΔV1。小腐蝕坑位于1，2電極的中心位置。

圖6 主輔電壓法示意圖

1，2電極之間的小腐蝕坑有增阻作用和擾流作用，這些都影響著極間電壓的變化。一個(gè)大而淺的蝕坑與一個(gè)小而深的蝕坑對(duì)V0的影響相同，ΔV0相等。但是，它們對(duì)V1的影響不同。大而淺的腐蝕坑，其擾流作用使電流更加集中于V1附近，同時(shí)，它自身也相距V1更近，增阻作用更強(qiáng)，這使得ΔV1相對(duì)更大。表1的仿真數(shù)據(jù)顯示了這一規(guī)律。

表1 不同腐蝕坑的ΔV0，ΔV1值

圖7是主輔電壓變化值的等值線圖。如圖7所示，等 值線ΔV0＝12.65μV與 等 值 線ΔV1＝3.10μV唯一相交于E點(diǎn)，而E點(diǎn)所代表的是直徑為15mm，深度為5.5mm的小腐蝕坑。這樣的結(jié)果與表1的數(shù)據(jù)相呼應(yīng)，證實(shí)運(yùn)用主輔電壓法可以唯一地確定腐蝕坑。也就是說式（3）、（4）在定義域內(nèi)具有唯一解。F是直徑為24mm，深度為3mm的小腐蝕坑，其造成的主電壓變化值ΔV0與E的相同，都是12.65μV，但輔電壓變化值ΔV1比E（3.10μV）大，是3.60μV，這將E和F很好地區(qū)分開了，證明了主輔電壓法的可行性。

圖7 ΔV0和ΔV1的等值線相交圖

4 誤差分析

四川大學(xué)測(cè)控系研制的FSM系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)采集精度可以達(dá)到±0.01μV。下文將利用圖解法，來說明由此造成的誤差。

圖8所示的是ΔV0＝17.62μV，ΔV0±0.01μV及ΔV1＝5.18μV，ΔV1±0.01μV六條等值線。圖9是其局部放大圖。

H為待測(cè)的小腐蝕坑。它所造成的主電壓變化值ΔV0＝17.62μV，輔 電 壓 變 化 值ΔV1＝5.18μV。在對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于測(cè)量系統(tǒng)有著±0.01μV的誤差，使得實(shí)際測(cè)量點(diǎn)可能落在G1，G2，G3，H1，H2，J1，J2，J3等其他幾個(gè)位置，其中落在G1，J3所造成的誤差最大。這種誤差包括直徑的誤差和深度的誤差。在實(shí)際情況當(dāng)中，最主要的是小腐蝕坑的深度，因?yàn)檫@直接影響到管道的壽命。由圖9可見，G1與H，J3與H在深度上的誤差都小于0.05mm。

由于主輔電壓變化值對(duì)直徑和深度的敏感度不同，所以等值線并不是直線，這就意味著隨著小腐蝕坑直徑和深度的變化，測(cè)量的誤差也會(huì)跟著變化?？傮w趨勢(shì)是腐蝕坑面積越小，深度上的誤差就越大，這也是小腐蝕坑很難監(jiān)測(cè)的原因。大量的仿真表明，采用主輔電壓法，深度誤差可控制在±2.5%WT（10mm壁厚，誤差不超過±0.25mm，最小可測(cè)的腐蝕坑直徑為0.8WT）。

5 小腐蝕坑位置甄別的研究

上文討論的小腐蝕坑都處于主電壓電極對(duì)的中心位置，實(shí)際上，腐蝕坑可能隨機(jī)出現(xiàn)在任何位置。為了甄別腐蝕坑的位置，為最終深度的監(jiān)測(cè)服務(wù)，需要引入更多的輔助電壓。

如圖10所示，當(dāng)小腐蝕坑的圓心落在虛線方框內(nèi)時(shí)（包括邊線），電極對(duì)6，7之間的極間電壓變化值都是大于或等于其他電極對(duì)的極間電壓變化值的，此時(shí)，將其作為主電壓V0，變化值為ΔV0。不論小腐蝕坑出現(xiàn)在測(cè)量區(qū)域的哪個(gè)位置，總可以找到一個(gè)電壓變化值最大的作為主電壓，以確定腐蝕坑的大致位置，然后圍繞這個(gè)主電壓，通過周圍的輔電壓變化值來確定腐蝕坑在虛線方框內(nèi)（包括邊線）的位置。小腐蝕坑在方框內(nèi)的位置變化只有兩個(gè)方向——軸向和周向，為了甄別這種變化，需引入了更多的輔助電壓——V1，V2，V3，V4。其中，V1，V3處于周向，對(duì)小腐蝕坑位置在周向上的變化敏感（腐蝕坑靠近V1，則對(duì)V1影響大，對(duì)V3影響小，反之亦然），軸向上是同樣的原理。據(jù)此，主輔電壓法就具備了甄別了腐蝕坑位置的能力，確定了位置，才能實(shí)現(xiàn)最終對(duì)深度的監(jiān)測(cè)。

圖10 具有位置甄別能力的主輔電壓法示意圖

小腐蝕坑在不同的位置上，所作出的等值線圖是不一樣的。但無論在哪個(gè)位置，通過主輔電壓變化值都可以唯一確定一個(gè)小腐蝕坑。

當(dāng)小腐蝕坑中心位于圖11所示位置時(shí)，其等值線相交圖如圖12所示。在此位置上，小腐蝕坑對(duì)五個(gè)極間電壓的影響程度都是不同的。因此有五條等值線唯一相交于K，這是一個(gè)直徑為23mm，深度為5mm的 腐 蝕 坑，此 時(shí)，ΔV0＝10.28μV，ΔV1＝6.73μV，ΔV2＝-2.92μV（蝕坑擾流作用使極間電流減小，電壓下降），ΔV3＝3.82μV，ΔV4＝1.2μV。

圖11 小腐蝕坑位置示意圖

圖12 可甄別位置的主輔電壓法等值線相交圖

觀察ΔV2，ΔV4的等值線，可以發(fā)現(xiàn)在某些部分，直徑和深度不是一一對(duì)應(yīng)的（呈二值關(guān)系）。這說明在某些直徑（深度）下，ΔV4（ΔV2）不是單調(diào)的。但主輔電壓法并不依賴于極間電壓變化值的單調(diào)性，其依據(jù)的是腐蝕坑對(duì)多個(gè)極間電壓的影響程度不同。因?yàn)楦鱾€(gè)極間電壓與腐蝕坑的相對(duì)位置不同，所以影響程度不同，各個(gè)電壓變化值的等值線就會(huì)唯一相交于一點(diǎn)，正如圖12所示的那樣，這說明主輔電壓法是有效的。

6 結(jié)束語

介紹了FSM監(jiān)測(cè)中的小腐蝕坑不可識(shí)別問題，并提出用主輔電壓法來解決這個(gè)問題。大量的仿真分析驗(yàn)證了其可行性。主輔電壓法顯示了在監(jiān)測(cè)精度方面的優(yōu)越性，可測(cè)量的小腐蝕坑最小直徑可達(dá)0.8WT，最大深度誤差為±2.5%WT（壁厚10mm，最小可測(cè)直徑8mm，最大誤差±0.25mm），滿足了實(shí)際監(jiān)測(cè)的要求。主輔電壓法的提出，完善了FSM，對(duì)管道坑蝕的監(jiān)測(cè)具有實(shí)用意義。

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