基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的在線測(cè)厚技術(shù)應(yīng)用

劉濤

（中國(guó)石油錦州石化公司機(jī)動(dòng)設(shè)備處，遼寧 錦州，121001）

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的在線測(cè)厚技術(shù)應(yīng)用

劉濤

（中國(guó)石油錦州石化公司機(jī)動(dòng)設(shè)備處，遼寧 錦州，121001）

腐蝕監(jiān)測(cè)是企業(yè)防腐管理的重要手段，連續(xù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)使企業(yè)資產(chǎn)管理更加完整，為安全運(yùn)行和收益提高提供可靠的決策依據(jù)。永感?超聲波測(cè)厚監(jiān)測(cè)技術(shù)將先進(jìn)的超聲技術(shù)與無(wú)線技術(shù)結(jié)合，可以在-180～600℃的環(huán)境中永久安裝使用，無(wú)需維護(hù)，實(shí)現(xiàn)腐蝕數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的真正應(yīng)用場(chǎng)景。其采用AXC計(jì)算方法與溫度補(bǔ)償技術(shù)，最大限度的消除局部腐蝕和溫度對(duì)測(cè)厚數(shù)據(jù)的影響，使測(cè)量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠，數(shù)據(jù)精度可達(dá)微米級(jí)，為監(jiān)測(cè)高風(fēng)險(xiǎn)管線的安全運(yùn)行提供可靠、高精度的數(shù)據(jù)支撐，其應(yīng)用能收到良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

超聲波測(cè)厚；無(wú)線；AXC；溫度補(bǔ)償

腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為設(shè)備完整性管理及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供可靠、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)依據(jù)，這些信息可以有效指導(dǎo)設(shè)備維修，并協(xié)助腐蝕管理者優(yōu)化防腐策略，但任何行之有效的設(shè)備完整性管理及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)都離不開(kāi)真實(shí)、可靠、及時(shí)、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)和支撐。然而一些傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段，往往達(dá)不到這樣的數(shù)據(jù)要求，例如傳統(tǒng)人工測(cè)厚由于受檢測(cè)人員的技術(shù)水平、檢測(cè)位置的相對(duì)不固定等因素影響，難以獲取準(zhǔn)確連續(xù)的管線壁厚變化數(shù)據(jù)，因此無(wú)法準(zhǔn)確判斷高風(fēng)險(xiǎn)、高腐蝕部位的厚度變化情況，也就無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)知運(yùn)行管線安全風(fēng)險(xiǎn)情況。在線超聲測(cè)厚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅可以有效解決上述問(wèn)題，提供大量精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，而且大大降低檢測(cè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)。

Permasense永感?超聲波測(cè)厚監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)AXC（自適應(yīng)交叉相關(guān)）計(jì)算方法以及溫度補(bǔ)償技術(shù)，最大限度的消除管道內(nèi)部局部腐蝕以及溫度變化對(duì)測(cè)厚數(shù)據(jù)的影響，突破了傳統(tǒng)超聲測(cè)厚技術(shù)的局限性，使測(cè)量數(shù)據(jù)精度高達(dá)微米級(jí)，這些高精度的數(shù)據(jù)既充分滿足了設(shè)備安全管理、風(fēng)險(xiǎn)控制的需要，又為工藝防腐的評(píng)定和監(jiān)控提供了依據(jù)。

1 監(jiān)測(cè)原理及特點(diǎn)

1.1 波導(dǎo)桿設(shè)計(jì)

Permasense永感?在線測(cè)厚系統(tǒng)采用波導(dǎo)桿專利設(shè)計(jì)，將超聲波傳感器與被測(cè)管線隔離，因此可在高、低溫（介質(zhì)溫度范圍-180～600℃）、高壓、臨氫等危險(xiǎn)環(huán)境下使用。

如圖1所示，在高溫管線外壁，波導(dǎo)桿通過(guò)固定螺柱壓緊，超聲波的激發(fā)和接收裝置都設(shè)置在波導(dǎo)桿末端，與管道外壁通過(guò)管線外保溫材料以及隔熱片進(jìn)行隔離，保證儀表可以在常溫區(qū)域工作，超聲波可以通過(guò)波導(dǎo)桿的傳輸?shù)竭_(dá)管道并經(jīng)過(guò)另一個(gè)波導(dǎo)桿傳輸回儀表。

圖1 波導(dǎo)桿設(shè)計(jì)

波導(dǎo)桿與被測(cè)設(shè)備采用硬耦合方式，通過(guò)被緊固在設(shè)備表面的螺柱將波導(dǎo)桿壓緊到被測(cè)設(shè)備表面即可，無(wú)需耦合劑，從而解決了高溫測(cè)厚耦合劑失效問(wèn)題，見(jiàn)圖2。

圖2 探頭通過(guò)螺柱或卡箍固定在管道

1.2 無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)

Permasense永感?在線測(cè)厚系統(tǒng)采用無(wú)線傳輸技術(shù)，IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，操作頻率為2.4GHz全球免許可證頻段,是真正的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景。網(wǎng)關(guān)和探頭之間以及探頭和探頭之間均采用無(wú)線自組網(wǎng)通訊技術(shù)，同時(shí)探頭作為數(shù)據(jù)采集終端，也作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^，一體化設(shè)計(jì)。無(wú)線傳輸方式避免了現(xiàn)場(chǎng)大量的電纜敷設(shè)工作，在減少了檢修期的工作量的同時(shí)也節(jié)約了布線成本。

采集頻率為每12小時(shí)一個(gè)數(shù)據(jù)，與人工測(cè)厚相比，測(cè)量頻率大大提升，可以極大的提高在線測(cè)厚數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備的監(jiān)控效果，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

探頭采用電池供電，按照12小時(shí)/組數(shù)據(jù)的采集頻率下，BP10電池可支持3～4年的使用，BP20電池可支持7～8年的使用（采集頻率可調(diào)），因此實(shí)現(xiàn)了裝置運(yùn)行周期內(nèi)的免維護(hù)。

圖3 局部腐蝕對(duì)波形的影響

2 永感?在線測(cè)厚系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

2.1 AXC?處理技術(shù)

在傳統(tǒng)的超聲波測(cè)厚技術(shù)中（包括手持式超聲波測(cè)厚儀），厚度的測(cè)量都是使用EP包絡(luò)算法，通過(guò)對(duì)超聲波形進(jìn)行包絡(luò)，以表面波和一次回波包絡(luò)線峰值之間的時(shí)間作為超聲波在被測(cè)物體內(nèi)部傳播的時(shí)間，因此被測(cè)物體的厚度=超聲波在被測(cè)物體中的傳播速度×?xí)r間/2。

根據(jù)超聲波測(cè)厚原理，如果測(cè)量位置存在局部腐蝕、點(diǎn)蝕、不平整等形態(tài)，會(huì)對(duì)超聲波的信號(hào)反射帶來(lái)較大影響，進(jìn)而影響設(shè)備厚度值的計(jì)算，而在常減壓裝置高溫部位的管線，由于環(huán)烷酸的存在，局部腐蝕成為廣泛存在的腐蝕形態(tài)，這是一個(gè)影響常減壓裝置高溫區(qū)域超聲波測(cè)厚結(jié)果的重要因素。

一般的可采集波形的在線測(cè)厚系統(tǒng)，可通過(guò)人工對(duì)波形的分析，定性的指出局部腐蝕的存在，但是無(wú)法定量的計(jì)算出局部腐蝕的程度以及當(dāng)前真實(shí)的厚度值。

如圖3所示，由于局部腐蝕的存在，超聲波一次回波出現(xiàn)不規(guī)則的雙波峰變化，同時(shí)經(jīng)過(guò)時(shí)間的推移，雙波峰的形態(tài)也在不斷變化，說(shuō)明局部腐蝕的情況也在不斷地變化中。

為了消除局部腐蝕對(duì)厚度值的影響，永感?在線測(cè)厚系統(tǒng)采用了最新的AXC?（Adaptive cross correlation自適應(yīng)交叉相關(guān)）技術(shù)，利用一次反射波對(duì)測(cè)量波形進(jìn)行交叉相關(guān)分析,從而找到相關(guān)度峰值之間的時(shí)間差來(lái)計(jì)算壁厚，與EP包絡(luò)算法最大的不同就是由對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)尋峰改變?yōu)橄冗M(jìn)行交叉相關(guān)再進(jìn)行尋峰，解決了內(nèi)壁粗糙造成的包絡(luò)尋峰不準(zhǔn)確的難題。

AXC?算法能在去除內(nèi)壁粗糙干擾的同時(shí)完整地保留這些有價(jià)值的變化信息,讓數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)、真實(shí)，不僅極大地提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和分辨率，還可以自動(dòng)識(shí)別管道或設(shè)備內(nèi)壁的腐蝕形態(tài),并直接用色帶進(jìn)行標(biāo)示。當(dāng)出現(xiàn)由于點(diǎn)蝕、坑蝕等內(nèi)表面不平整的形態(tài)時(shí)，PSI?內(nèi)壁形態(tài)指示即用顏色來(lái)表示內(nèi)壁形態(tài)。顏色越深，內(nèi)壁越粗糙；顏色越淺，內(nèi)壁越平滑。

如圖4所示，圖3中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)AXC?計(jì)算之后，最大限度的消除了局部腐蝕對(duì)數(shù)據(jù)造成的影響，使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，同時(shí)，圖譜下方的PSI?色帶顯示為深紅色，表明該點(diǎn)局部腐蝕情況嚴(yán)重。

圖4 AXC處理后的數(shù)據(jù)

該監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在管線為減渣抽出線，檢修時(shí)對(duì)該線所做的腐蝕調(diào)查表明該管線腐蝕嚴(yán)重。管線中工藝介質(zhì)溫度較高（360℃），處在環(huán)烷酸腐蝕嚴(yán)重的高溫區(qū)（環(huán)烷酸平均含量0.54mgKOH/g），另外，高溫硫腐蝕也加劇管線的腐蝕(硫含量平均3.2%wt)。因此，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)壁厚減薄趨勢(shì)與實(shí)際腐蝕工況吻合較好，印證了探針監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 溫度補(bǔ)償技術(shù)

由于超聲波在金屬中傳播的速度與溫度相關(guān)，因此所有基于超聲波測(cè)量原理的監(jiān)測(cè)方法都會(huì)受到介質(zhì)工藝溫度變化的影響。如圖5所示，如果工藝溫度波動(dòng)為20℃，壁厚變化程度為0.05mm（2密耳）。這種變化程度很小，不適于用來(lái)確定腐蝕率的短期變化。

因此Permasense永感?傳感器利用自身集成熱電偶PT1000測(cè)量金屬表面溫度，自動(dòng)地補(bǔ)償工藝溫度變化時(shí)的壁厚數(shù)據(jù)，如圖6所示，數(shù)據(jù)樣本與圖5中數(shù)據(jù)相同。

圖5 溫度變化對(duì)溫度的影響

圖6 經(jīng)溫度補(bǔ)償處理的壁厚測(cè)量數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償處理的數(shù)據(jù)（粉色數(shù)據(jù)點(diǎn)）的波動(dòng)低于10μm（0.2密耳）。這樣的精度足以探測(cè)到更小、更短期的腐蝕情況，且可信度更高。需要注意的是，經(jīng)溫度補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)表明腐蝕在該位置發(fā)生過(guò)程中有兩處與溫度毫無(wú)關(guān)聯(lián)的腐蝕事件，造成了粉色曲線有兩次短時(shí)間的腐蝕減薄情況，而兩者都被原數(shù)據(jù)的溫度變化掩蓋。使用永感?智能傳感器和先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理及算法技術(shù)所能夠達(dá)到的精度可與高靈敏度侵入式電感探針相對(duì)比，而且不存在后者潛在的安全問(wèn)題和安裝成本維護(hù)高的問(wèn)題。

3 永感?系統(tǒng)的發(fā)展歷程

超聲波測(cè)厚技術(shù)的發(fā)展可以定義為四代技術(shù)。第一至四代技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)、各自特點(diǎn)及技術(shù)局限性見(jiàn)表1。

表1 超聲波測(cè)厚技術(shù)的發(fā)展

4 結(jié)語(yǔ)

Permasense永感?系統(tǒng)微米級(jí)的數(shù)據(jù)精度，為制定防腐策略、快速發(fā)現(xiàn)腐蝕變化和問(wèn)題提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其數(shù)據(jù)測(cè)量迅速、靈敏，可以和工藝變化快速地建立聯(lián)系，從而評(píng)估工藝調(diào)整、處理方案優(yōu)化、原油板巖變化、助劑品種和劑量調(diào)整等對(duì)于裝置設(shè)備的影響。永感?系統(tǒng)高質(zhì)量數(shù)據(jù)，使腐蝕管理人員獲得了第一手詳實(shí)的設(shè)備信息，為實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)腐蝕防護(hù)到主動(dòng)腐蝕控制提供了決策和評(píng)估依據(jù)。其基于工業(yè)物理網(wǎng)場(chǎng)景的應(yīng)用，為企業(yè)提升經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)智能工廠、智慧決策、智慧生產(chǎn)提供了大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

[1]Peter Collins. Continuous Corrosion Monitoring[J]. Hydro Carbon Asia, 2011, 7-9: 48～51.

TP206+.1

A

1671-0711（2017）07（上）-0100-03