場指紋法管道腐蝕監測系統小腐蝕坑的高精度識別方法

許華文，廖俊必，殷國富

（1.四川大學 測控系，成都610065；2.四川大學 機械工程系，成都610065）

油氣管道的腐蝕檢測與監測是石化行業中保障管道安全運行的一個重大問題，因此提高管道腐蝕檢測與監測的精度具有重要意義。

對管道腐蝕的理想探測方式是不停產狀態下的長期在線監測。在實時得到腐蝕狀態數據的基礎上，及時調整緩蝕劑的投放和陰極保護電流的大小，或安排必要的維修、更換，從而確保管道安全運行。目前，國內大量采用的是基于電化學原理的電極法以及基于電學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，沒有對普遍存在和至關重要的坑蝕、沖蝕的監測能力，不能滿足現代企業安全生產和管理的需求。

場指紋法（FSM）利用被測管壁體電阻與輸出電壓的對應關系，監測管道的內腐蝕情況。該方法具有對均勻腐蝕、焊縫損失、坑蝕和沖蝕的在線監測能力，是一種具有廣闊應用前景的腐蝕監測技術。

1 FSM原理及優點

1.1 FSM原理

FSM腐蝕監測系統將測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，并在被測區域軸向兩端通入恒定電流，然后實時監測電極之間的電壓變化。FSM系統原理圖，見圖1。

圖1 FSM系統原理圖

當管道內壁某一區域發生腐蝕時，該區域體電阻增加，并改變電流場分布，從而引起極間電壓的變化。通過監測電極矩陣的極間電壓變化就可以判斷管道的內腐蝕情況。

在使用中，管壁的電阻率會隨溫度變化，電流也會發生微小的波動，為了消除這些變化對精度的影響，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，通過電纜接入測量系統。通過測量參考板上的參考電壓，可以補償溫度變化和電流波動帶來的影響。圖2是FSM系統的現場安裝。

圖2 FSM系統現場安裝

安裝完畢后，在管道外包裹防腐蝕層，將設備密封，以達到防腐蝕、絕緣、延長設備使用壽命的目的。

任意一對測量電極都擁有一個指紋系數（FC），其定義見式（1）［2］：

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

初始時刻，FC＝0，當發生腐蝕之后，極間電壓發生變化，FC值也隨著變化。由于FC值變化的本質是極間電壓的變化，為了表述直觀，下文將以電壓變化值為討論對象。

1.2 FSM的優點

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，FSM腐蝕監測系統是一個在概念上有傳感器，但在實體上沒有傳感器的測試系統。傳感器三要素中的敏感元件、轉換元件和轉換電路即管體本身。基于FSM這一突出的特點，及其密封安裝形式，它在實際應用中具有如下優點：

（1）具有監測全面腐蝕、局部腐蝕、坑蝕和沖蝕的能力；

（2）溫度適應范圍特別大（-20500℃）；

（3）具有不需再次開挖管道或剝開保護層的在線監測能力；

（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 小腐蝕坑不可識別問題

許多管道的失效都是腐蝕穿孔造成的，最終導致油氣泄漏，對財產造成巨大損失，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

根據管道實際腐蝕情況和測量要求，小腐蝕坑被定義為直徑小于或等于一對測量電極極間距的圓柱體腐蝕坑。在本實例中，極間距30mm，壁厚10mm。

當一對測量電極之間出現小腐蝕坑時，極間體電阻會增加，同時，電流的分布也會發生改變，從而導致極間電壓發生變化。一個小腐蝕坑有兩個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，而這對測量電極只能輸出一個電壓變化值，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。

當腐蝕坑位于電極對中心位置時，其增阻作用使極間體電阻增加，極間電壓有增大趨勢，其擾流作用改變電流場分布，使極間電流減小，極間電壓有減小趨勢。仿真計算表明，在直徑和深度取值范圍內（直徑830mm，深度08mm），增阻作用占優勢。因此，電壓變化值隨深度和直徑都是單調遞增的，于是出現這樣一個現象：一個大而淺的蝕坑造成的電壓變化值與一個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 小腐蝕坑不可識別問題示意圖

利用ANSYS［4］所做的仿真數據可以更清楚地闡明這個問題。

圖5為根據仿真數據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。這充分證實了小腐蝕坑不可識別問題的存在。

圖5 極間電壓變化值ΔV的等值線圖

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

目前坑蝕檢測的通用辦法是：（1）在經驗基礎上，根據測得的電壓變化值和經驗公式得到管道的壁厚減薄量。（2）限定被測坑蝕面積必須大于一定的值，例如，蝕坑直徑大于1.5WT。理論分析和試驗表明，根據經驗公式得到腐蝕量誤差極易達到±（10%20%）WT。

3 主輔電壓法

顯然，僅有一個電壓輸出信息無法確定小腐蝕坑的兩個參數，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系統具有一個測量電極矩陣，可以輸出多個電壓，在不消除牽扯效應［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，測量電極1，2的極間電壓為主電壓V0，變化值為ΔV0。測量電極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。一個大而淺的蝕坑與一個小而深的蝕坑對V0的影響相同，ΔV0相等。但是，它們對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，它自身也相距V1更近，增阻作用更強，這使得ΔV1相對更大。表1的仿真數據顯示了這一規律。

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，而E點所代表的是直徑為15mm，深度為5.5mm的小腐蝕坑。這樣的結果與表1的數據相呼應，證實運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

四川大學測控系研制的FSM系統，其數據采集精度可以達到±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。在對其進行檢測時，由于測量系統有著±0.01μV的誤差，使得實際測量點可能落在G1，G2，G3，H1，H2，J1，J2，J3等其他幾個位置，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。在實際情況當中，最主要的是小腐蝕坑的深度，因為這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，測量的誤差也會跟著變化。總體趨勢是腐蝕坑面積越小，深度上的誤差就越大，這也是小腐蝕坑很難監測的原因。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的中心位置，實際上，腐蝕坑可能隨機出現在任何位置。為了甄別腐蝕坑的位置，為最終深度的監測服務，需要引入更多的輔助電壓。

如圖10所示，當小腐蝕坑的圓心落在虛線方框內時（包括邊線），電極對6，7之間的極間電壓變化值都是大于或等于其他電極對的極間電壓變化值的，此時，將其作為主電壓V0，變化值為ΔV0。不論小腐蝕坑出現在測量區域的哪個位置，總可以找到一個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（包括邊線）的位置。小腐蝕坑在方框內的位置變化只有兩個方向——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，對小腐蝕坑位置在周向上的變化敏感（腐蝕坑靠近V1，則對V1影響大，對V3影響小，反之亦然），軸向上是同樣的原理。據此，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，才能實現最終對深度的監測。

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。但無論在哪個位置，通過主輔電壓變化值都可以唯一確定一個小腐蝕坑。

當小腐蝕坑中心位于圖11所示位置時，其等值線相交圖如圖12所示。在此位置上，小腐蝕坑對五個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，這是一個直徑為23mm，深度為5mm的 腐 蝕 坑，此 時，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，可以發現在某些部分，直徑和深度不是一一對應的（呈二值關系）。這說明在某些直徑（深度）下，ΔV4（ΔV2）不是單調的。但主輔電壓法并不依賴于極間電壓變化值的單調性，其依據的是腐蝕坑對多個極間電壓的影響程度不同。因為各個極間電壓與腐蝕坑的相對位置不同，所以影響程度不同，各個電壓變化值的等值線就會唯一相交于一點，正如圖12所示的那樣，這說明主輔電壓法是有效的。

6 結束語

介紹了FSM監測中的小腐蝕坑不可識別問題，并提出用主輔電壓法來解決這個問題。大量的仿真分析驗證了其可行性。主輔電壓法顯示了在監測精度方面的優越性，可測量的小腐蝕坑最小直徑可達0.8WT，最大深度誤差為±2.5%WT（壁厚10mm，最小可測直徑8mm，最大誤差±0.25mm），滿足了實際監測的要求。主輔電壓法的提出，完善了FSM，對管道坑蝕的監測具有實用意義。

［1］敖曼，徐冬東，畢文軍，等.利用電阻探針對石油設備及管道的腐蝕進行監測［J］.遼寧化工，2007，36（2）：126-127.

［2］Strommen R D，Horn H，Moldestad G et al.FSMnon-intrusive monitoring of internal corrosion，erosion，and cracking［J］.Anti-corrosion Methods and Materials，1995，42（6）：3-6.

［3］劉慧芳，張鵬，周俊杰，等.油氣管道內腐蝕檢測技術的現狀與發展趨勢［J］.管道技術與設備，2008，（5）：46-48.

［4］辛偉，丁克勤，黃冬林，等.帶保溫層管道腐蝕缺陷的脈沖渦流檢測技術仿真［J］.無損檢測，2009，31（7）：509-512.

［5］萬正軍，廖俊必，王裕康，等.基于電位列陣的金屬管道坑蝕監測研究［J］.儀器儀表學報，2011，32（1）：19-25.