油氣管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)建模分析

段汝嬌 何仁洋 唐大為 李義宏

（1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）（2.中石化天然氣分公司 濟(jì)南 250101）

油氣管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)建模分析

段汝嬌1何仁洋1唐大為2李義宏1

（1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）（2.中石化天然氣分公司 濟(jì)南 250101）

本文通過(guò)對(duì)金屬管道內(nèi)腐蝕缺陷和電場(chǎng)圖形方法的理論分析，系統(tǒng)的說(shuō)明了電流傳導(dǎo)的特征以及缺陷對(duì)電位分布的影響；依據(jù)電場(chǎng)圖形腐蝕監(jiān)測(cè)方法對(duì)缺陷模型進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算，分析了不同缺陷形狀下電位分布的特征；搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)加工多種缺陷模型樣板，通過(guò)試驗(yàn)與仿真的對(duì)比分析，并探究不同缺陷尺寸與Fc值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

腐蝕監(jiān)測(cè) 電場(chǎng)圖形法 電流傳導(dǎo) 有限元分析

在石油化工行業(yè)中油氣管道內(nèi)腐蝕引發(fā)的事故往往都具有隱蔽性和突發(fā)性，后果一般都比較嚴(yán)重［1-2］。據(jù)美國(guó)運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)，在2002年～2008年間的大部分年份里，由內(nèi)腐蝕導(dǎo)致的管道事故比外腐蝕導(dǎo)致的事故比例更高，只有2005年和2008年略低于外腐蝕［3］。

常見(jiàn)的管壁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)有著費(fèi)用高、影響正常的介質(zhì)輸送、開(kāi)挖或者剝離防護(hù)層等缺陷，而常用的腐蝕監(jiān)測(cè)方法如掛片失重法、電阻探針?lè)?、線性極化電阻法、感抗探針?lè)?、電化學(xué)阻抗法和氫探針?lè)ǖ榷家茐墓艿辣倔w完整性，造成新的安全隱患［4］。

FSM方法具有不開(kāi)挖、在線、不破壞管體等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用［5］。該方法的核心技術(shù)多掌握在國(guó)外的某幾個(gè)大型公司手中，沒(méi)有太多的技術(shù)文獻(xiàn)公開(kāi)。但是即使對(duì)于技術(shù)成熟的國(guó)外公司，在小腐蝕坑的檢測(cè)上仍有許多關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決，造成檢驗(yàn)精度不高，乃至誤判等。

1 FSM技術(shù)介紹

FSM方法是通過(guò)在管體的部分范圍內(nèi)通入直流激勵(lì)電流［6］，并在電流流通區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)次數(shù)的電位測(cè)量，通過(guò)對(duì)管道表面電位分布的精細(xì)分析，可對(duì)管道局部區(qū)域進(jìn)行腐蝕情況評(píng)估，達(dá)到腐蝕監(jiān)測(cè)的目的，其原理示意圖如圖1所示。工程上一般引用Fc值來(lái)評(píng)判腐蝕程度。

圖1 FSM原理示意圖

Fc值的定義是壁厚減薄量與當(dāng)前壁厚的千分比，測(cè)量電極對(duì)ki在t時(shí)刻的電場(chǎng)圖形系數(shù)Fc的計(jì)算公式為：

式中：

Fcki（t）——電極對(duì)ki在t時(shí)刻的指紋系數(shù)，單位為ppt （Part per thousand）；

Eki（0）——電極對(duì)ki在監(jiān)測(cè)開(kāi)始t=0時(shí)的電壓；

Ek0（0）——參考電極對(duì)k0 在監(jiān)測(cè)開(kāi)始t=0時(shí)的電壓；

Eki（t）——電極對(duì)ki在t時(shí)刻的電壓；

Ek0（t）——參考電極對(duì)k0在t時(shí)刻的電壓。

2 局部腐蝕電流分布仿真

設(shè)定初始尺寸為600mm×140mm×10mm，電阻率設(shè)為7.3e-8Ω?m（參考304鋼的電阻率）。在平板左側(cè)選取節(jié)點(diǎn)施加電流I=10A，仿真缺陷30mm×30mm，深度2mm。如圖2所示，按照間隔10mm排列電極，保證腐蝕缺陷上方有2行、每行2對(duì)的電極排列。

經(jīng)數(shù)據(jù)提取、計(jì)算，將Fc值的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab作出三維圖形，如圖3所示。

圖2 局部腐蝕模型

圖3 具有等值線的Fc值曲面圖

取x=0.305即缺陷處的Fc值，進(jìn)行插值擬合，畫出x-Fc曲線如圖4所示。

圖4 x-Fc曲線圖

從x軸方向（電流傳導(dǎo)方向）看，在缺陷的前后Fc均出現(xiàn)負(fù)值。即電流傳導(dǎo)通路中出現(xiàn)的“大電阻區(qū)”導(dǎo)致電流出現(xiàn)分流而衰減，表現(xiàn)的結(jié)果是電位梯度的減弱，F(xiàn)c出現(xiàn)負(fù)值。

3 局部腐蝕電流分布實(shí)驗(yàn)對(duì)比

將上一章的模型加工樣板進(jìn)行試驗(yàn)?？紤]到實(shí)際條件，在缺陷上方間隔40mm取一組電壓測(cè)量點(diǎn)，用以采集缺陷上方的電壓信息。讀取缺陷上方Fc值為81.01（ppt）。

根據(jù)該仿真模型，設(shè)計(jì)加工兩塊外形一致的樣板，編號(hào)為F01a和F01b。外形尺寸長(zhǎng)190mm、寬140mm、厚10mm，焊接電極間距為40mm，外側(cè)電極為電流輸入輸出點(diǎn)，內(nèi)側(cè)電極對(duì)為電壓采集點(diǎn)。其中在樣板F01a底部加工了一個(gè)30mm×30mm×2mm的模擬缺陷；F01b為完整樣板，作為對(duì)照。具體外形尺寸如圖5所示。

圖5 樣板加工圖

對(duì)電源與樣板進(jìn)行電路連接，將兩塊樣板串聯(lián)，樣板F01b作為初始狀態(tài)。樣板F01a測(cè)得電壓為測(cè)試電壓Et，樣板F01b測(cè)得電壓作為初始電壓E0。試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

對(duì)比仿真結(jié)果Fc=81.01，表明試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果已經(jīng)十分接近，證實(shí)了電流傳導(dǎo)有限元仿真分析結(jié)果的參考價(jià)值，肯定了仿真分析工作的意義。

4 方形缺陷深度實(shí)驗(yàn)分析

腐蝕缺陷的物理形態(tài)包括面積、長(zhǎng)度、深度、邊界輪廓等，這些因素的改變都會(huì)對(duì)電流傳導(dǎo)造成影響，為了探究缺陷物理形態(tài)的各變量與電流傳導(dǎo)（通過(guò)電壓信號(hào)反映出來(lái)）的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合前文的仿真分析，設(shè)計(jì)了如表1中的6種具有不同長(zhǎng)寬深尺寸的矩形缺陷。

表1 六種不同尺寸的矩 形缺陷參數(shù)

該組6處缺陷均為矩形，面積均為4.8cm2。將2種不同長(zhǎng)寬比與3種不同缺陷深度一一對(duì)應(yīng)，這符合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)思想。樣板設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 帶矩形缺陷試驗(yàn)樣板加工圖

加工完成后的實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 帶矩形缺陷樣板實(shí)物圖

根據(jù)電極陣列的Fc值作出三維柱狀圖形與等值線圖，分別如圖9所示。

圖9 矩形缺陷Fc值三維柱狀圖

缺陷中心位置的Fc值二維曲線圖如圖10所示。

圖10 缺陷中心位置的Fc值曲線圖

兩種不同形狀的缺陷Fc值曲線對(duì)比圖形如圖11所示。

圖11 兩種不同缺陷對(duì)比圖

圖11表明，對(duì)于面積相同的缺陷，缺陷深度是影響Fc值的主要因素。而對(duì)比30×16和16×30兩條曲線明顯看出，30×16缺陷的Fc值隨著減薄深度有更明顯的變化趨勢(shì)，電極間距為40mm，也就是說(shuō)，當(dāng)缺陷長(zhǎng)度越接近于電極對(duì)的間距時(shí)，F(xiàn)c值越能反映出真實(shí)的腐蝕程度。

5 圓形缺陷深度實(shí)驗(yàn)分析

為對(duì)比分析缺陷形狀對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，本章將對(duì)圓形缺陷進(jìn)行定量分析。圓形缺陷只有兩種變量因素，分別為直徑和深度。本樣板設(shè)計(jì)了直徑為30mm和20mm，深度分別為1mm、3mm、5mm的圓柱形缺陷，具體設(shè)計(jì)尺寸列于表2中。

表2 六種不同尺寸的圓柱形缺陷參數(shù)

該組6處缺陷將2種直徑尺寸與3種深度尺寸分別成對(duì)應(yīng)關(guān)系，樣板設(shè)計(jì)加工圖如圖12所示。

圖12 帶圓柱形缺陷試驗(yàn)樣板加工圖

加工完成后實(shí)物圖如圖13所示。

圖13 帶圓柱形缺陷樣板實(shí)物圖

作出Fc值的三維柱狀圖和等值線圖如圖14所示。

圖14 圓柱形缺陷Fc值三維柱狀圖

缺陷中心位置的Fc值的二維曲線圖如圖15所示。

圖15 缺陷中心位置的Fc值曲線圖

與矩形缺陷樣板的試驗(yàn)結(jié)果類似，圓柱形缺陷的Fc值三維柱狀圖14能明顯顯示出缺陷位置與程度，結(jié)合等值線圖15，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更加直觀。圖16中顯示，相同直徑缺陷的Fc值隨著缺陷深度的增加呈增加趨勢(shì)，且直徑為30mm的缺陷的Fc值明顯高于直徑為20mm的缺陷的Fc值。

圖16 兩種不同缺陷對(duì)比圖

另外，分析圖16，直徑為30mm缺陷與直徑20mm缺陷的Fc值隨缺陷深度變化有大致相同的變化趨勢(shì)，證明某一直徑下缺陷深度與Fc值呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，使得可以利用Fc值來(lái)評(píng)估腐蝕程度。

6 結(jié)束語(yǔ)

理想化的腐蝕缺陷模型形狀是簡(jiǎn)易的矩形和圓柱形，然而在實(shí)際情況中，腐蝕缺陷的形狀往往都是不規(guī)則的，這就需要通過(guò)大量的腐蝕模型仿真與試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行綜合分析，作為后續(xù)的一個(gè)研究方向進(jìn)行深入探究。

另外，對(duì)于電場(chǎng)圖形腐蝕監(jiān)測(cè)方法，文中對(duì)數(shù)據(jù)采集的方面并沒(méi)有過(guò)多的提及，由于電極對(duì)之間的電壓信號(hào)多為μV級(jí)，這使得如何提高數(shù)據(jù)采集精度成為一個(gè)難點(diǎn)。本次試驗(yàn)中是采用Keithley 2182A高精度納伏表完成電壓測(cè)量，測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，極小的溫度變化、接觸電阻、熱電偶效應(yīng)的存在等都會(huì)造成讀數(shù)的不穩(wěn)定，那么在工程現(xiàn)場(chǎng)中，如何做到電壓信號(hào)的多通道、高精度采集，仍需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

［1］ 楊靜，馬國(guó)光，張友波.含硫管道腐蝕預(yù)測(cè)方法［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006（10）： 55-58.

［2］ 梁平，唐柯，陶振春，等.天然氣管線內(nèi)腐蝕影響因素分析［J］.河南石油，2000（6）： 28-30.

［3］ 羅鵬，張一玲，蔡陪陪，等.長(zhǎng)輸天然氣管道內(nèi)腐蝕事故調(diào)查分析與對(duì)策［J］.全面腐蝕控制，2010（6）： 16-21.

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［5］ 劉 ，陳學(xué)峰.西南油氣田輸氣管道內(nèi)壁腐蝕的控制［J］.腐蝕與防護(hù)，2007（5）： 43-45.

［6］ 紀(jì)大偉.管道內(nèi)壁腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)， 2010.

Analysis on Pivotal Technology Modeling for Outside Monitoring of Oil and Gas Pipeline Internal Corrosion

Duan Rujiao1He Renyang1Tang Dawei2Li Yihong1
(1. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029) (2. Sinopec gas company Ji'nan 250101)

The character of current conduction and infl uence of potential distribution by defects were illustrated with theoretical analyzing the internal corrosion defects in metal pipeline and fi eld signature method (FSM) technology. Then, the fi nite element simulation was used for defect model according to FSM and the characters of potential distribution in different defects were analyzed. Then the test platform was set up and test samples with various defects were processed. Finally, the correspondence between defects and Fc was explored and the presented model was validated by the comparison with the test.

Corrosion monitoring FSM Current conduction Finite element analysis

X923

B

1673-257X（2015）03-14-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.03.004

段汝嬌（1984～），女，博士，主要研究?jī)?nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)、管道安全運(yùn)行管理。

2014-12-09）