一種新型在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)在集輸天然氣管道的應(yīng)用

練 斌 陳振棟 李萬炯 只 偉 楊 陽

（1. 中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459；2. 中海油油氣田腐蝕防護中心，天津 300459；3. 中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452）

腐蝕監(jiān)測是指對設(shè)備的腐蝕速度以及某些與腐蝕狀態(tài)有密切關(guān)聯(lián)的參數(shù)進行測量，并進而通過所測量的結(jié)果對生產(chǎn)過程相關(guān)條件實行自動控制或報警。通常無損檢測技術(shù)超聲檢測在油氣管道腐蝕監(jiān)測領(lǐng)域占有重要地位，利用超聲波在金屬中的響應(yīng)關(guān)系而發(fā)展的一種監(jiān)測點蝕和裂紋缺陷及厚度的方法。超聲檢測的主要優(yōu)點在于能夠探測固體材料的內(nèi)部，不同于光學方法、X射線衍射法和磁性測量方法僅能探測材料的表面和近表面區(qū)域。金屬管道在長期服役過程中，疲勞、蠕變、熱時效、輻射、腐蝕引起的材料微觀組織變化也需要檢測，在線監(jiān)測金屬管道應(yīng)力及微觀組織，以保證結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

0 引言

新疆某氣庫與站場具備多種規(guī)格各類天然氣集輸管道，根據(jù)短距離高壓天然氣集輸管道特點，分析集輸管道腐蝕現(xiàn)狀及腐蝕檢測技術(shù)應(yīng)用情況，結(jié)合儲氣庫作業(yè)區(qū)點檢情況，確定集輸管道的腐蝕關(guān)鍵位置進行監(jiān)測，開發(fā)適用于高壓天然氣集輸管道的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)及腐蝕率計算等算法，研發(fā)一套腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)配套硬件設(shè)施并能夠成功應(yīng)用是很有必要的。

1 電磁超聲腐蝕監(jiān)測技術(shù)介紹

1.1 技術(shù)原理

對于鋼制管道等磁性材料，電磁超聲激發(fā)過程：置于磁性材料上方的線圈通以瞬態(tài)交變電信號產(chǎn)生交變磁場，導致處于偏置磁場中的材料表層磁化強度發(fā)生變化，產(chǎn)生磁致伸縮力和磁化力。交變磁化區(qū)域在磁致伸縮力和磁化力的共同作用下產(chǎn)生振動，進而產(chǎn)生超聲波。

對于磁性導電材料，電磁超聲是洛倫茲力、磁致伸縮力和磁化力共同作用產(chǎn)生的。

1.2 電磁超聲技術(shù)優(yōu)勢及局限性

電磁超聲檢測[1]方法的優(yōu)點主要有：

圖1 電磁超聲與壓電超聲測厚原理對比圖

（1）非接觸，不需要耦合劑。適用于高溫、低溫、干燥或真空環(huán)境條件下檢測。適用于表面有覆蓋層的工件檢測。適用于快速和自動化檢測；

（2）能產(chǎn)生各種波形的超聲，包括縱波、各種偏振方向的橫波（特別是水平偏振的橫波）和各種類型的超聲導波；

（3）電磁聲換能器可實現(xiàn)主動調(diào)頻發(fā)射和接受，適宜進行多頻率檢測，適宜進行多波形檢測，適宜進行超聲導波模態(tài)控制。

電磁超聲檢測方法的局限性：

（1）不適用于既非導電又非導磁材料檢測；

（2）受被檢材料電磁特性影響較大；

（3）采用永磁體式電磁聲換能器檢測鐵磁性材料時，探頭有吸力，移動比較困難，不便于進行手動掃查；

（4）邊緣效應(yīng)明顯，在邊緣處檢測盲區(qū)較大；

（5）在某些場合下檢測后需對工件進行退磁。

2 電磁超聲腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)平臺搭建

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架組成

電磁超聲無線腐蝕監(jiān)測[2]系統(tǒng)通過無線傳輸技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，使用技術(shù)具有超低功耗、安裝簡單、系統(tǒng)免維護、適用于惡劣環(huán)境等特點。如圖2系統(tǒng)架構(gòu)圖所示，無線腐蝕監(jiān)測儀通過無線組網(wǎng)（Lora傳輸協(xié)議）傳輸數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過無線/有線上報數(shù)據(jù)到服務(wù)器，根據(jù)氣庫作業(yè)區(qū)現(xiàn)場情況，暫定通過光纖傳輸。

圖2 腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)平臺

腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)平臺軟件主要由腐蝕在線監(jiān)測軟件、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器等組成，系統(tǒng)軟件為B/S構(gòu)架，在瀏覽器上輸入網(wǎng)址即可使用分析軟作，無需要安裝客戶端和任何插件，保證數(shù)據(jù)瀏覽的靈活性。

監(jiān)控平臺集成了專業(yè)的腐蝕監(jiān)測模塊，可實現(xiàn)對有線腐蝕監(jiān)測傳感器設(shè)置及無線腐蝕監(jiān)測儀的遠程控制，計算腐蝕率，顯示腐蝕厚度及相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)置報警等完善的功能，包括：

（1）便捷易用：簡便的數(shù)據(jù)獲取、可視化顯示、數(shù)據(jù)報表及易用的用戶操作界面；

（2）靈活部署：支持公有/私有/混合云部署彈性擴容：自適應(yīng)彈性伸縮擴展，支持千萬級并發(fā)連接。

軟件具備豐富的數(shù)據(jù)分析功能，如壁厚趨勢分析，長短周期腐蝕速率分析，溫度趨勢分析等功能，如圖3～圖5所示。

圖3 腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)界面示意圖-1

圖4 腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)界面示意圖-2

圖5 腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)界面示意圖-3

2.3 無線腐蝕監(jiān)測儀

無線腐蝕監(jiān)測儀主要由超聲波測量傳感器[3]、溫度測量傳感器、高容量鋰電池組成，一體化設(shè)計，具備本安防爆認證，可滿足0區(qū)、1區(qū)設(shè)備要求。

2.4 腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案

（1）無線傳輸

由于現(xiàn)場環(huán)境，管線多，會阻擋傳輸信號，一般傳輸信號受影響比較大，而且距離較短，比如藍牙傳輸協(xié)議。經(jīng)分析測試驗證，無線腐蝕監(jiān)測儀與無線網(wǎng)關(guān)之間采用Lora無線傳輸協(xié)議，然后再通過專用線纜或者光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器；

（2）有線傳輸

無線網(wǎng)關(guān)接收到無線腐蝕監(jiān)測儀[4]的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)由氣庫作業(yè)區(qū)光纖傳輸至機柜間內(nèi)的服務(wù)器監(jiān)控平臺，可在同一局域網(wǎng)內(nèi)的任意電腦內(nèi)，通過網(wǎng)絡(luò)登錄進入腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)平臺；

2.5 供電方案

無線腐蝕監(jiān)測儀內(nèi)置大容量鋰電池，支持更換，使用壽命長達10年（默認采集周期為1天/次）。

無線網(wǎng)關(guān)需要外部供電，直流DC24V，現(xiàn)場需要提供電源。服務(wù)器安裝在機柜間內(nèi)，需要交流220V電源，建議提供UPS不間斷電源。

3 腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)運行概況及數(shù)據(jù)分析

3.1 腐蝕數(shù)據(jù)統(tǒng)計

該電磁超聲腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)于2021年11月15日啟動運行至今，已穩(wěn)定運行超過15月。全部數(shù)據(jù)存儲于氣庫服務(wù)器，腐蝕防護工程師定期前往站場進行數(shù)據(jù)采集和設(shè)備維護，對腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)[5]進行收集和評估，提交電磁超聲腐蝕監(jiān)測分析報告。

系統(tǒng)設(shè)置監(jiān)測周期設(shè)定為1天，我們選取2021年11月～2022年2月階段數(shù)據(jù)進行分析。

氣庫某管線G1位置的起始壁厚和當前壁厚數(shù)據(jù)及腐蝕速率計算如圖6所示。

圖6 管線腐蝕監(jiān)測信息數(shù)據(jù)表（G1監(jiān)測點位）

3.2 腐蝕數(shù)據(jù)分析

電磁超聲腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)在GI 監(jiān)測點于2021年11月15日～2022年2月15日共采集103個數(shù)據(jù)，根據(jù)圖7可以看出：依據(jù)NACE SP 0775 腐蝕速率分級標準，G1監(jiān)測點位腐蝕速率在全區(qū)間內(nèi)均屬于嚴重腐蝕（v＞0.25mm/a），在2021年11月15日～2021年12月14日變化波動較大，在2022年2月7日后腐蝕速率又呈現(xiàn)上升的趨勢。

圖8 NACE SP 0775 腐蝕速率分級標準

NACE SP 0775油田生產(chǎn)中腐蝕掛片的準備和安裝，其中第5部分腐蝕掛片數(shù)據(jù)解讀中列出了油田生產(chǎn)系統(tǒng)碳鋼腐蝕速率的定性分級表，這是目前油田最常使用的腐蝕速率定性分級方式，根據(jù)此分級方法，管線監(jiān)測點屬于嚴重腐蝕。

管線剩余壁厚曲線顯示：壁厚變化在初始階段呈現(xiàn)一個波動現(xiàn)象（如圖9所示），由于測量位置腐蝕表面的粗糙度較大，造成超聲信號的波動較大，因而解析的壁厚值也存在一定程度波動。后續(xù)壁厚數(shù)據(jù)平穩(wěn)后整體壁厚值呈下降趨勢，管線監(jiān)測點在2022年2月8日下降至12.288mm，減薄了0.037mm。

圖9 監(jiān)測管線剩余壁厚

3.3 建議及措施

根據(jù)在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程，該管線屬于GC2級第四類管道，通過對管線全面、在線腐蝕監(jiān)測，壓力試驗數(shù)據(jù)及管道耐壓強度計算分析后，按照工業(yè)管道檢驗規(guī)程的相關(guān)規(guī)定，對監(jiān)測管段進行安全狀況評價，此段安全狀況等級達到四級。

根據(jù)上述分析此段安全狀況等級達到四級，并且金屬損失超過54.48%，根據(jù)ASME PCC-2-2018 壓力設(shè)備和管道維修標準，建議：

（1）采用纖維材料對監(jiān)測管道段進行補強修復；

（2）停產(chǎn)大檢修時，可進行切割換管。

4 結(jié)語

在油氣生產(chǎn)及儲運等生產(chǎn)過程的腐蝕控制，按過程中、過程前、過程后的區(qū)段采取措施時，前～中～后所耗費的人力、財力是成倍、甚至是萬倍以上增長的。過程中進行腐蝕監(jiān)測也是防止過早腐蝕失效的重要方法。開展在線定點測厚腐蝕監(jiān)測，加強腐蝕監(jiān)測是腐蝕控制的重要環(huán)節(jié)。配備先進的監(jiān)測儀器，結(jié)合現(xiàn)場在線檢測為主，停工檢查為輔，一定可以大為縮短大修周期，大大節(jié)約檢修成本和生產(chǎn)成本。此外還需建立穩(wěn)定可靠有效的腐蝕檔案數(shù)據(jù)庫，為管道設(shè)備的使用壽命檢測評估提供數(shù)據(jù)支持。

電磁超聲腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，在本次儲氣庫的應(yīng)用，表明了作業(yè)者在腐蝕控制領(lǐng)域?qū)嵤┬录夹g(shù)的強大決心，事實證明電磁超聲新型腐蝕監(jiān)測技術(shù)具有廣闊的實用價值和應(yīng)用前景。