油氣管道在線腐蝕監(jiān)測技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

＊宋積文 張亮 金曦

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油氣管道因腐蝕發(fā)生的泄漏和開裂而引發(fā)的安全事故時有發(fā)生，腐蝕防護和腐蝕監(jiān)測越來越受到油氣行業(yè)關注并成為其重點工作內(nèi)容。在線腐蝕監(jiān)測為實時動態(tài)監(jiān)測手段，能夠?qū)崟r在線測量并遠程傳輸設備的腐蝕速率及相關參數(shù)，并通過系統(tǒng)軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析及圖表化展示，為智能管道建設提供感知層支持，為領導決策提供管理依據(jù)[1]。在線腐蝕監(jiān)測技術可以分為侵入式直接監(jiān)測和非侵入式的間接監(jiān)測。電阻探針、電感探針、電化學探針以及電化學噪聲探針需要放入到管道內(nèi)部進行監(jiān)測，屬于侵入式直接監(jiān)測方式。而非侵入式監(jiān)測主要通過聲、電、熱等參數(shù)的監(jiān)測來判斷管道腐蝕情況，主要包括：超聲波測厚、氫通量探針、電指紋、光纖腐蝕監(jiān)測。

1.侵入式在線腐蝕監(jiān)測

侵入式在線腐蝕監(jiān)測是通過探針侵入到油氣管道內(nèi)部，敏感元件與管道內(nèi)部介質(zhì)（油、氣、水等）直接接觸，來測量管道內(nèi)部介質(zhì)的腐蝕特性參數(shù)來反應管道的內(nèi)腐蝕情況。侵入式探針能夠?qū)崟r快速檢測管道腐蝕速率，但需要對管道進行動火開孔，操作相對復雜，本身破壞管道，且容易形成新的管道安全風險點。

(1)電阻探針

在線電阻探針，經(jīng)過不斷的優(yōu)化改進，借助物聯(lián)網(wǎng)及可視化展示，已經(jīng)發(fā)展成為油氣企業(yè)應用非常普遍和成熟的腐蝕監(jiān)測手段。電阻法常被稱為可自動測量的失重掛片法，當敏感元件（電極）接觸管道內(nèi)腐蝕介質(zhì)時，發(fā)生腐蝕反應，其厚度和截面積減少，電阻增加，通過電阻變化來測定腐蝕率。電阻探針根據(jù)敏感元件形狀的不同分為平面、圓柱及絲狀探針，如圖1所示，以適用不同的監(jiān)測環(huán)境[2]。

電阻探針優(yōu)勢在于不受腐蝕介質(zhì)限制，在氣相、液相、導電或不導電的介質(zhì)中均可使用。在石油化工、煤化工、核電行業(yè)、風電行業(yè)以及橋梁等行業(yè)都有應用。另外，電阻探針可以實現(xiàn)腐蝕監(jiān)測的連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測過程中不必將探針取出；相對腐蝕掛片，相應速率大大提高，響應時間在1～20h不等；電阻數(shù)據(jù)可以實時傳輸，可實現(xiàn)遠程監(jiān)測，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析利用。電阻探針的局限在于以電阻來反應腐蝕速率，對電阻探針的加工精度要求高。且相對電感及線性極化探針的精度及相應時間都較低[3-5]。

(2)電感探針

在20世紀90年代，為了提高腐蝕監(jiān)測精度，科研人員在電阻原理的基礎上，利用電感原理研發(fā)出了電感探針。隨后，美國Cortest公司將高精度的電感探針推向市場。通過檢測電磁場強度的變化來測試試樣腐蝕變化[6]。放入電磁線圈中的金屬導磁材料會影響交流通電線圈中的磁場強度，金屬試樣厚度變化就會靈敏反應到線圈電感量的變化。因此電感法相比電阻法，具有更高的測量精度（1～5nm）、對微小的腐蝕速率變化更為敏感。和電阻探針一樣，它適用于各種介質(zhì)、響應快（響應時間小于10min）、抗干擾性強，所以近些年發(fā)展已經(jīng)在很多場景下替代了部分電阻探針。特別是油氣管道重點腐蝕監(jiān)測部位，一般都會選擇高精度腐蝕探針來進行實時監(jiān)測。其不足之處在于價格相對電阻探針高。

(3)電化學探針

電化學探針也叫線性極化探針，是快速、高靈敏度的一種腐蝕速率測量技術。在溶液體系內(nèi)，通過測量極化電阻Rp，估算比例系數(shù)B，來測量介質(zhì)的腐蝕速率。腐蝕電流icorr等于極化常數(shù)B與極化電阻Rp的比值。由于需要測試電解質(zhì)腐蝕體系極化電阻，因此該技術主要用于含水介質(zhì)的腐蝕環(huán)境中，如循環(huán)冷卻裝置進出口等。電化學探針優(yōu)勢在于監(jiān)測靈敏度高（可以到納米級），響應速率快（幾分鐘），并且電化學探針是一種原位、無損的腐蝕監(jiān)測技術。缺點在于只能應用于電解質(zhì)腐蝕體系（主要是水系統(tǒng)），受電導率影響較大，很容易受到介質(zhì)的污染，現(xiàn)場應用過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。另外，成本較高，也是其應用受限的一種原因[1,4]。

以上三種在線腐蝕探針加上腐蝕掛片是現(xiàn)在油氣管道企業(yè)監(jiān)測內(nèi)腐蝕常用的技術手段，表1總結這四種監(jiān)測手段各自特點適用于各種介質(zhì)、響應快（響應時間小于10min）、抗干擾性強，正在快速發(fā)展。

表1 常用腐蝕監(jiān)測技術總結

(4)電化學噪聲探針

電化學噪聲技術時通過檢測腐蝕發(fā)生引起腐蝕電位或電偶電流的微幅波動，來測量點蝕系數(shù)，計算初始點蝕及局部腐蝕趨勢。電化學噪聲分析主要包括頻域分析以及時域分析。時域分析主要是利用電位、電流噪聲標準偏差和孔蝕指數(shù)來評價腐蝕類型和腐蝕速率。朱培珂等研究了電化學噪聲技術對不銹鋼表面局部腐蝕監(jiān)測；張中正[6]對國內(nèi)外對金屬腐蝕電化學噪聲測量法的機理、分析方法及應用做了系統(tǒng)的介紹，張震等對電化學噪聲原位監(jiān)測應力腐蝕開裂的研究現(xiàn)狀與進展進行了系統(tǒng)論述。

電化學噪聲技術是一種新興的腐蝕監(jiān)測技術，具有以下優(yōu)勢：首先，它是原位無損監(jiān)測，不需要對被測電極施加可能改變腐蝕電極腐蝕過程的外界擾動；其次，無須提前構建待測體系的電極過程模型；然后，可以監(jiān)測分析管道的局部腐蝕和點蝕，這是其他監(jiān)測技術做不到的；最后，檢測設備簡單，并且可以實現(xiàn)遠距離監(jiān)測。電化學噪聲技術是未來具有發(fā)展?jié)摿Φ母g監(jiān)測應用技術之一。不過，對于電化學噪聲探針要得到可靠的測量結果，要求測量者足夠的細心。且數(shù)據(jù)具體分析及具體應用過程中的理論還需要進一步研究。

2.非侵入式

非侵入式在線腐蝕監(jiān)測技術監(jiān)測探頭安裝在管道外壁，探頭通過監(jiān)測管道外壁相關的變化參數(shù)（壁厚、溫度、電阻、及滲氫量）來間接反應管道內(nèi)腐蝕速率。非侵入式在線腐蝕監(jiān)測技術最大的優(yōu)勢就是不需要對管道進行開孔破壞。

(1)在線測厚

在線測厚，主要是利用超聲波測厚探頭，結合低功耗線路板設計和無線傳輸技術，實現(xiàn)遠程無損在線腐蝕監(jiān)測技術。利用壁厚的減薄量來計算管壁的內(nèi)腐蝕速率。是目前油氣管道較流行采用的一種設備壁厚或腐蝕速率監(jiān)測手段。在線測厚技術原理明晰、設備結構簡單，相對電感探針價格便宜，無需插入管道，傳感器不受腐蝕，使用壽命長。對于相對粗糙管道內(nèi)壁，會大大影響測量效果。腐蝕速率是間接計算得出，腐蝕速率響應時間慢，不能實時反映管道內(nèi)腐蝕速率，不能用于緩蝕劑效果評價及優(yōu)化工藝參數(shù)評價。從超聲波的激發(fā)類型上分為：壓電超聲在線測厚和電磁超聲在線測厚技術兩種[5]。

①壓電超聲在線測厚

壓電超聲在線測厚是目前應用較為廣泛的一種超聲測厚，在油氣管道有不少的應用案例。其原理為：利用壓電晶片換能器來產(chǎn)生超聲波，通過耦合劑（低溫下）或者波導干（可用于高溫）將超聲波傳入被測管壁，利用超聲后發(fā)射和接受的時間差和波速即可算出壁厚。

②電磁超聲測厚

電磁超聲測厚利用電磁耦合方法激勵和接收超聲波,無需耦合劑,對被測管道表面要求不高，不需要對粗糙的被測管壁表面進行打磨和去掉保護層。但相對于壓電超聲，電磁超聲換能器效率低，現(xiàn)場使用時信噪比低，精度容易受環(huán)境影響。高溫容易使磁鐵磁性降低，對于長期監(jiān)測來說，使用溫度不能超過150℃。雖然，電磁超聲可實現(xiàn)非接觸測量，但最大提離高度不能超過6mm。

(2)氫通量探針

氫通量探針工作原理如圖2所示，對于含氫元素的管道，氫分子（原子）由于其粒徑小，可以通過管壁晶隙、位錯、缺陷等路徑滲出管壁，通過收集器將滲氫送入到檢測儀中，通過監(jiān)測其中的氫含量來分析滲氫量，因此氫通量探針多以測試氫腐蝕為主。其主要應用于HF、H2S腐蝕、環(huán)烷酸腐蝕等酸性腐蝕環(huán)境中。由于其具有高的靈敏性，廣泛用于緩蝕劑的評價、普查和確定腐蝕風險部位、評估內(nèi)保護層完整性等。

(3)電指紋(FSM)

FSM技術是將傳感針或電極呈矩陣式焊接在管道表面（探針間距一般為壁厚的2～3倍）如圖3所示，通過監(jiān)測電極上采集電壓與初始值的變化來檢測由于腐蝕引起的金屬損失、脆裂和凹坑。矩陣分布電極可以進行大面積腐蝕監(jiān)測分析，判斷凹坑和脆裂的位置和嚴重程度，計算腐蝕速率及趨勢，敏感性是剩余壁厚的0.1%。

由于其非插入式大面積監(jiān)測的模式，其優(yōu)點表面為：①沒有泄漏的危險，提高在硫化氫環(huán)境中的安全性，適用于困難的位置；②不需耗材（探針、掛片），不需取放工具；③可以大面積測量，能夠測量均勻腐蝕、局部腐蝕；④測量不受導電性硫化亞鐵膜的影響，適用于無線、在線測量。FSM技術也存在自身的不足：①監(jiān)測時需要在管壁表面焊接矩陣電極，技術水平要求高，操作復雜；②監(jiān)測操作及數(shù)據(jù)分析復雜，設備昂貴。目前FSM的設備、監(jiān)測技術和數(shù)據(jù)解析技術仍被國外公司所壟斷。國內(nèi)油氣田以及煉化廠使用時仍以從國外進口設備使用為主，不僅成本很高，而且后續(xù)的復雜數(shù)據(jù)解析還要依靠國外公司的技術服務[9]。

(4)光纖腐蝕在線監(jiān)測

光纖傳感技術是最近新興的一種監(jiān)測技術。管道腐蝕引起的變化可由管道外壁的周向多種參數(shù)反映，如管道腐蝕引起的管道壁厚變薄或腐蝕產(chǎn)生腐蝕裂紋。這個參數(shù)的變化都會引起管道周向應變的變化，這些變化都會被光纖傳感器感知用來評估管道的腐蝕狀況。其優(yōu)點為光纖“傳”“感”合一，可以分布式安裝，覆蓋面積大。同時由于光纖具有抗電磁干擾、耐腐蝕、輕質(zhì)量、高韌性、寬傳輸頻帶等特點，適合在高溫高壓的環(huán)境下工作。光纖需要在管道建設時期，和管道一起進行鋪設；另外光纖傳感器易受到外界干擾，容易產(chǎn)生大量錯誤信號。對于光纖腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)還需要后續(xù)大量的數(shù)據(jù)進行算法的優(yōu)化調(diào)整[10]。

3.在線腐蝕監(jiān)測技術智能化發(fā)展趨勢

油氣管道腐蝕監(jiān)測技術智能化一定是未來發(fā)展的趨勢，本文介紹的不同在線腐蝕監(jiān)測技術為智慧管網(wǎng)中最基礎層—數(shù)據(jù)感知層。后續(xù)不同監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合、共享及深度挖掘應用，來實現(xiàn)油氣管網(wǎng)管控一體化、監(jiān)控預警集中化及決策分析智能化將是智慧管道建設的重點。