基于多路超聲回波特性的在線腐蝕監(jiān)測技術(shù)

奚運濤 ，崔 熙 ，張萬里，劉 君 ，冉照輝

(1.西安石油大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710065； 2.長慶油田公司 第六采氣廠地質(zhì)工藝研究所，陜西 西安 710021；3.中國石油長慶油田 蘇里格氣田開發(fā)分公司，陜西 西安 710021； 4.中國石油長慶油田 第二采油廠，甘肅 慶陽 745100；5.中國石油西部鉆探工程有限公司 蘇里格氣田分公司，內(nèi)蒙古 烏審旗 017300)

引 言

濕氣輸送工藝具有帶液計量、流程簡單、經(jīng)濟有效等特點，已被國內(nèi)外許多氣田采用[1]。但是由于濕氣輸送時，管線內(nèi)部積液的成分復雜，電離程度高，液量變化大，導致管道的腐蝕速率遠高于干氣輸送，因此必須配以防腐措施和監(jiān)測手段，保證地面系統(tǒng)運行安全[2]。

目前常用的地面系統(tǒng)監(jiān)測方式主要有兩種：一種為在線腐蝕監(jiān)測，包括電阻探針法[3]、電化學法[4-5]、磁阻法[4-5]、氫探針法[6]、電指紋FSM[7]等；另一種為離線腐蝕監(jiān)測，包括掛片失重法[8]、超聲波法[9]、超聲導波法[10]、渦流法[11]和漏磁法[12]等。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，以上這些監(jiān)測手段均存在一定的局限性，具體表現(xiàn)為：(1)電阻探針法、電化學法、氫探針法等需要直接與腐蝕流體接觸才能測試，安裝時需停輸作業(yè)，并且還需要在設(shè)備或管線上開孔或安裝三通，導致管線的完整性被破壞，存在一定的安全風險；(2)FSM等方法需要在管線建設(shè)的初期進行設(shè)計和配套，成本較高，后期改造難度大；(3)離線腐蝕監(jiān)測技術(shù)依賴人工定期檢測，檢測結(jié)果受環(huán)境和人員的影響大，誤差較大；(4)超聲測厚技術(shù)自19世紀30年代發(fā)展至今，已逐漸趨近于完善，特別是近年來，與計算機、電子成像、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)相結(jié)合，測量更加準確、數(shù)據(jù)更加直觀。但是，該技術(shù)僅能進行定點檢測，監(jiān)測效果與選點位置關(guān)系較大，導致發(fā)現(xiàn)點蝕和坑蝕的幾率較低。由此可見，現(xiàn)有的地面系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)難以滿足氣田關(guān)鍵設(shè)備在線腐蝕監(jiān)測和預警的要求，亟需開展在線腐蝕監(jiān)測技術(shù)研究。

綜上可知，將超聲測厚技術(shù)的監(jiān)測點加密，尤其是對地面系統(tǒng)的薄弱部位進行超聲逐點掃描，可以解決目前常規(guī)超聲測厚點蝕發(fā)現(xiàn)幾率低的問題。因此，本文將參照以上研究思路，通過基于多路超聲回波特性的實驗設(shè)計，開展不同厚度條件下4種常用

超聲測厚設(shè)備測試數(shù)據(jù)的可靠性和準確性研究，進而通過相應的模塊化設(shè)計和現(xiàn)場安裝測試，最終研發(fā)一種在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)氣田管網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)遠傳，保障氣田地面系統(tǒng)運行安全。

1 多路超聲回波特性及實驗設(shè)計

1.1 多路超聲回波特性

多路超聲回波特性是指多通道下某種材料內(nèi)超聲波傳播時內(nèi)外表面存在反射波差異的特性。超聲脈沖回波測厚方法就是依托該特性實現(xiàn)的，采用這種測試方法，試件的厚度[13]

(1)

式中：δ為材料的厚度，t1為超聲波從物體外表面反射回來所用的時間，t2為超聲波從物體內(nèi)表面反射回來的時間，Δt為超聲波在材料中雙程傳播的時間，c為被測物體中的聲速。由此可知，多路超聲回波技術(shù)可以通過多通道方式對多個監(jiān)測點進行同步超聲測厚和監(jiān)測，進而實現(xiàn)監(jiān)測點的加密和同步測量。

1.2 檢測難點及實驗設(shè)計思路

管壁發(fā)生腐蝕后，通常表現(xiàn)為壁厚減薄，局部產(chǎn)生凹坑或麻點，突變界面大量增加，進而導致管道內(nèi)壁的聲反射率升高、幅值變大、信噪降低，并產(chǎn)生大量的超聲散射，使超聲回波信號復雜，最終導致氣田地面系統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測難度大，準確性不高，缺乏在線腐蝕監(jiān)測技術(shù)[14-15]。

為了解決以上問題，首先從測試結(jié)果的準確性和穩(wěn)定性等兩方面開展常用腐蝕監(jiān)測設(shè)備優(yōu)選。然后，選用穩(wěn)定性好、準確性高的超聲測厚設(shè)備進行多路超聲回波在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)管線在線腐蝕監(jiān)測。

1.3 常用超聲測厚設(shè)備對比及實驗設(shè)計

目前常用的超聲測厚設(shè)備主要有Krautkramer CL5、USM/DMS GO、DM5E DL和Rightrax DL2等4種，其內(nèi)部組成及特點對比見表1。

表1 常用超聲測厚設(shè)備組成及特點Tab.1 Composition and characteristics of common ultrasonic thickness measurement equipment

為了進一步對比4種超聲測厚設(shè)備的穩(wěn)定性和準確性，優(yōu)選出一種設(shè)備進行多路超聲回波在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)，設(shè)計了如下的超聲波測厚對比實驗：

首先，將特制的軸向厚度不均勻的圓柱形鋁合金筒作為測試對象，選取1、3、6、9、12、14號等6處厚度變化較大的位置作為測量點。在鋁合金圓柱的外側(cè)涂抹耦合劑，粘貼柔性傳感帶，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。然后，用游標卡尺在每個測量點進行多次測量，取平均值作為該點的真實壁厚，并以此為基準，計算各個設(shè)備的測量誤差。隨后，分別采用4種超聲測厚設(shè)備在各測量點重復測量100次，準確記錄并進行數(shù)據(jù)處理，開展4種超聲測厚設(shè)備的穩(wěn)定性和準確性對比研究。

圖1 柔性傳感帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Internal structure of flexible sensing belt

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)定性分析

表2為用游標卡尺在各測量點多次測量后所取的平均值，作為該點的真實壁厚。由于篇幅原因，此處僅列出4種設(shè)備在不同測量點測量100次后，經(jīng)公式計算和處理得到的平均值及標準差，見表3。

表2 鋁合金試樣上6個測量點的真實壁厚Tab.2 Real thickness of aluminum alloy sample at 6 measuring points

標準差是方差的算術(shù)平方根，能反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度，反映測量的穩(wěn)定度[16]。由表3可以看出，Rightrax DL2在6個測量點處的標準差均最小，測量穩(wěn)定性最好；USM/DMS GO在6個測量點處的標準差均較大，測量穩(wěn)定性最差。

表3 4種設(shè)備測量數(shù)據(jù)的標準差值Tab.3 Standard deviation of measurement data of 4 kinds of thickness measurement equipment

2.2 準確性分析

在統(tǒng)計學中，一個概率樣本的置信區(qū)間是對這個樣本的某個總體參數(shù)的區(qū)間估計[17]。置信區(qū)間體現(xiàn)的是這個參數(shù)的真實值有一定概率落在測量結(jié)果周圍的程度，其給出的是被測量參數(shù)測量值的可信程度。通常將壁厚的真實數(shù)值加減某一數(shù)值后，置信水平達到95%時的這一絕對值稱為置信區(qū)間絕對值，它和標準偏差及樣本的數(shù)目有關(guān)。表4所示為4種設(shè)備在6個不同位置測量數(shù)據(jù)的置信區(qū)間絕對值。可以看出，Rightrax DL2測量值的置信區(qū)間絕對值最小，說明真值所處的范圍比較小，也就是說每次測量的數(shù)值與真值偏離最小，最接近真實值。而USM/DMS GO測量值的置信區(qū)間絕對值最大，準確性最差。

表4 4種測厚設(shè)備測量數(shù)據(jù)的置信區(qū)間絕對值Tab.4 Confidence interval absolute values of measurement data of 4 kinds of thickness measurement equipment

2.3 在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)與現(xiàn)場試驗

2.3.1 多路超聲回波在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

通過室內(nèi)實驗對比可知，Rightrax DL2的準確性和穩(wěn)定性最好，可作為多路超聲回波在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)硬件的主要設(shè)備。同時，配以數(shù)據(jù)采集卡、超聲發(fā)射電路、超聲接收處理電路等組成多路超聲回波在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)。超聲發(fā)射電路用于產(chǎn)生激勵超聲探頭的高壓脈沖，超聲接收處理電路用于接收和處理回轉(zhuǎn)后的超聲電信號[18]。探頭和被測物體之間的傳輸介質(zhì)采用長期應用型超聲檢測專用耦合劑，該耦合劑使得超聲波在探頭和管壁接觸表面進行可靠的傳輸。系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 多路超聲回波在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)工作原理Fig.2 Principle diagram of multi-channel ultrasonic echo on-line corrosion monitoring system

由圖2可以看出，超聲發(fā)射電路接收來自數(shù)字信號處理電路的控制信號，產(chǎn)生超聲激勵脈沖，激發(fā)超聲探頭產(chǎn)生超聲波。超聲波在介質(zhì)中傳播，接收探頭接收超聲波，并將其轉(zhuǎn)換為微弱的電信號。微弱超聲電信號經(jīng)過超聲限幅電路后進入可控增益放大電路進行信號幅度放大?？煽卦鲆娣糯箅娐穼π盘柕姆糯笤鲆嬗蓴?shù)字信號處理電路控制。經(jīng)過放大后的超聲電信號進入模擬濾波電路，提高信號的信噪比，并且防止與后面的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生混疊。超聲電信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并進入數(shù)字信號處理電路進行后續(xù)處理，最后傳輸至計算機進行顯示和數(shù)據(jù)分析[19-20]。

2.3.2 現(xiàn)場試驗及效果

長慶某氣田開發(fā)層位為下古碳酸鹽巖儲層，H2S平均含量2 078.26 mg/m3，CO2含量約3.83%。地面系統(tǒng)采用濕氣輸送模式，隨著開發(fā)時間的延長，輸氣管線及關(guān)鍵設(shè)備的腐蝕問題日益突出。從日常巡檢結(jié)果(表5)可以看出，腐蝕損傷主要集中在集輸管線彎頭、再生塔中部及酸氣分離器等部位，給氣田生產(chǎn)造成嚴重的安全隱患。為此，選取再生塔中部和集輸管線彎頭2個易腐蝕部位開展現(xiàn)場試驗，分別標記為MP1和MP2。柔性傳感帶分別沿再生塔和集輸管線彎頭的環(huán)向粘貼安裝，能夠同時監(jiān)測14個點的壁厚變化，包含了再生塔從前到后、彎頭從頂部到底部的范圍，從而反映監(jiān)測部位整體腐蝕情況。

表5 長慶某氣田管線及設(shè)備日常巡檢結(jié)果Tab.5 Routine inspection results of pipeline and equipment in a gas field in Changqing

利用多路超聲回波在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)每天對監(jiān)測點進行壁厚自動測試及遠程傳輸，電腦接收數(shù)據(jù)并自動繪制壁厚變化(圖3)。由圖3可知，MP1監(jiān)測點腐蝕均勻，3個月內(nèi)壁厚由16.19 mm減至16.12 mm，腐蝕速率為0.345 mm/a，根據(jù)NACE RP0775-2005標準屬于嚴重腐蝕，需采取相應的防腐措施。MP2為集輸管線彎頭監(jiān)測點，可以看出，3個月內(nèi)該處壁厚基本沒有變化，穩(wěn)定在13.17 mm左右，腐蝕輕微?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)安裝方便，無需停輸或開挖，無需動火，運行可靠，避免了技術(shù)人員每日爬塔和巡線檢測等工作，勞動強度大大降低，為氣田地面系統(tǒng)的長期安全運行提供了可靠的技術(shù)支撐。

圖3 2個監(jiān)測點的壁厚隨時間變化情況Fig.3 Change curves of wall thickness with time at two monitoring points

3 結(jié) 論

(1)4種超聲波測厚設(shè)備中，Rightrax DL2設(shè)備所測數(shù)據(jù)的標準差值和置信區(qū)間最小，穩(wěn)定性和準確性最高。

(2)優(yōu)選Rightrax DL2作為主要硬件，配以數(shù)據(jù)采集、超聲發(fā)射、超聲接收處理等模塊設(shè)計，研發(fā)了一種適用于氣田地面集輸系統(tǒng)實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)遠傳的在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)。

(3)現(xiàn)場試驗表明，該系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)準確，能夠在線反映設(shè)備的壁厚變化和腐蝕情況，且具有安裝方便、數(shù)據(jù)遠傳等特點，可以實現(xiàn)對氣田管網(wǎng)重點部位的重點監(jiān)控。