基于傳感器網絡的腐蝕在線監測與壽命評估系統

張魯濱+魏建華+王秀+劉學軍

摘要：由于腐蝕帶來的嚴重經濟損失以及人員傷亡問題日趨突出，腐蝕在線監測受到了人們的廣泛關注。研究并實現了基于傳感器網絡的腐蝕在線監測與壽命評估系統。系統以無線傳感器網絡為基礎，采用超聲波測厚技術，實現了腐蝕在線監測。同時，基于合于使用評價方法對設備剩余壽命進行預測，提高了設備的安全管理水平。

關鍵詞：傳感器網絡；在線監測；壽命評估；測厚技術

DOIDOI：10.11907/rjdk.171971

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：1672-7800（2018）001-0142-04

Abstract：Due to the serious economic losses and casualties caused by corrosion， the on-line monitoring of corrosion has been paid more and more attention. In this paper， an on-line corrosion monitoring and life assessment system based on sensor networks is presented. The system is based on the wireless sensor network， using the ultrasonic thickness measurement technology， realizes on-line corrosion monitoring， at the same time， to use the evaluation methods of residual life evaluation based on improving the safety management level of equipment.

Key Words：sensor network； online monitoring； life assessment； thickness measurement technology

0引言

腐蝕廣泛存在于石油、化工、冶金、輕工等工業部門。有資料顯示，因腐蝕造成的損失約占國民生產總值的1%～4%，腐蝕給人類造成的危害和損失甚至超過了風災、火災、水災和地震等自然災害的總和。特別是對于石油煉制和化學工業，其裝置不僅要承受溫度和壓力的作用，還要在腐蝕介質條件下運行，所以腐蝕狀況尤為嚴重，由腐蝕造成的損失也非常大[1-2]。據統計，石化設備的失效中，大約40%的失效是由腐蝕原因引起的。因腐蝕造成的設備跑冒滴漏，不僅影響了生產裝置的生產周期，增加了生產成本，而且還會因有毒物質的泄漏而污染環境，危害人類健康。

開展腐蝕監測，不僅可以直觀方便地了解設備腐蝕情況，而且可以分析監測到的腐蝕數據，為腐蝕管理提供第一手資料，從而更好地保證設備的安全運行，減少非計劃停工，保證設備的長周期運行[3-4]。

腐蝕監測數據的采集主要有3種：人工現場下載、有線數據采集與無線數據采集。近年來，基于無線傳感器網絡的數據采集技術引起了人們的廣泛關注[5-6]。

無線傳感器網絡（WSN）由大量小型節點組成，這些小型節點集成了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術與通信技術，能夠通過協作，實時監測、感知、采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象信息，并對其進行處理，獲得詳盡準確的信息，傳送給需要這些信息的用戶[7-8]。

采用基于低功耗的無線傳感器網絡方式對腐蝕數據進行采集，不僅避免了復雜布線帶來的不便，也有利于設備的安全運行。通過對采集的腐蝕數據作進一步分析，可以提升設備的運行預警能力。

因此，本文以無線傳感器網絡為基礎，采用超聲波測厚技術，研究并開發了腐蝕在線監測系統。同時，基于合于使用評價方法對設備剩余壽命進行評價，提高了設備的安全管理水平。

1系統結構與功能

1.1系統總體結構

系統基于傳感器網絡和超聲波測厚技術實現了對重點腐蝕缺陷部位的在線測厚，幫助及時發現腐蝕減薄等缺陷。

系統主要由超聲波傳感器系統、防爆無線網關、中心服務器和診斷分析軟件組成，如圖1所示。

每個超聲波傳感器系統是傳感器網絡中的一個節點，負責測厚數據采集、數據預處理與數據轉發。節點由電池模塊、超聲波測量模塊、信號采集模塊、無線通訊模塊以及波導桿組成。

各個節點采集的測厚數據匯集到無線網關。無線網關采用防爆型設計，無線傳輸方式為IEEE802.15.4標準協議，操作頻率為2.4GHz全球免許可證頻段。由于傳感器網絡的能耗主要來源于數據傳輸，并且與傳輸距離的平方成正比，所以為了降低能耗，采用了短距離多跳傳輸方式，網關與節點及節點之間距離不超過50m。無線短距離傳輸過程中，存在著一定的信息衰減。因此，系統的中繼節點要求不超過7個，從而使最遠節點與網關距離不超過400m。網關通過專用電纜連接至通訊轉換器，進入企業局域有線網。

中心服務器接收、存儲、備份網關上傳的數據，管理腐蝕監測數據庫，向瀏覽站發布腐蝕監測數據。

診斷分析軟件提供了系統設置、腐蝕數據可視化、腐蝕數據圖譜分析與剩余壽命預測等功能，可以從系統狀態總覽、測點總覽、壁厚實時數據表、壁厚趨勢圖、測點波形圖等不同角度幫助用戶了解設備腐蝕情況，通過圖譜分析和剩余壽命預測更加深入地評估設備健康狀況。

1.2系統功能設計

考慮到多用戶性和可擴展性，系統采用了B/S的體系結構。功能包括系統設置、腐蝕數據可視化、腐蝕數據圖譜分析、剩余壽命預測、損傷模式判別與敏感性分析等。endprint

系統設置實現了系統級參數設定功能，如正常和報警界限值、默認分類周期，發生溫度異常、波動異常、耦合異常時的顏色顯示，以及是否計算時排除這些異常等。排除事件實現了定義、瀏覽及手動排除事件功能。

腐蝕數據可視化提供了列表、波形和圖譜等顯示方式，可以從系統狀態總覽、測點總覽、壁厚實時數據表、壁厚趨勢圖、測點波形圖等不同角度查看腐蝕狀況。通過系統狀態總覽，用戶可以從總體上掌握設備情況，如測點總數、正常運行測點數、腐蝕超標測點數、數據波動測點數等。測點總覽顯示每個測點總體信息，如近7天平均壁厚、當前和上一次測量壁厚、近一個月和三個月腐蝕速率、腐蝕是否超標等。用戶可以進一步通過壁厚實時數據表和壁厚趨勢圖查看每個測點各個采樣時間的測厚數據，分析變化趨勢。可以選中某些時刻的測量數據，顯示數據波形圖，包括初次波和一次波，通過波形圖分析更深刻地理解腐蝕狀態。

系統提供了腐蝕數據圖譜分析功能，典型圖譜分類包括高腐蝕速率、無腐蝕速率、局部腐蝕、溫度變化及低耦合導致的數據波動。超聲波在低溫下比在高溫狀況下傳播速度更快，所以第一個波峰靠前，如圖2所示。局部腐蝕時，表面波形狀受表面粗糙度影響變得不規則，一次波形狀和幅度也發生了變化，如圖3所示。

基于典型損傷模式的剩余壽命評價是設備健康診斷的重要內容。剩余壽命預測模塊基于合于使用評價方法對壓力管道壽命進行評價與預測，在國內處于領先地位。計算流程如圖4所示。模塊實現了如下功能：①典型管線元件（直管、彎頭、三通、異徑管）的壽命預測、最小允許壁厚計算，以及基于時間的厚度監測點（TML）基準值設定；②均勻腐蝕減薄、局部腐蝕減薄、點蝕坑、焊接面型缺陷、焊接體型缺陷等損傷模式的壽命計算；③提供前提條件確認、不同管線元件選擇、免評條件計算、壽命評價計算功能；④提供屈服強度、抗拉強度、許用應力、彈性模量等自動查詢功能，使用戶無需手工查詢技術手冊。

損傷模式判別和敏感性分析模塊提供典型損傷模式判別及分級評價功能，為設備管理人員、工藝人員提供必要的技術支持，幫助其安排腐蝕介質控制與設備腐蝕檢測，以保證設備長周期運行的需要。

該模塊依據GB/T30579-2014《承壓設備損傷模式識別》、GB/T26610.1～5《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則》、美國石油學會石化設備損傷模式判別標準API571等國內外權威標準規范，實現了應力腐蝕開裂、環境開裂、材料劣化、機械損傷、低溫腐蝕、高溫腐蝕、層下腐蝕等54種損傷機理的判別和35種損傷敏感性判別，并提供了損傷形態和發生部位信息。

2系統實現及應用

本系統已經應用于中原油田普光分公司某集氣站的管道危險部位監測中。普光氣田屬于高含硫天然氣氣田，在開采、運輸等過程中硫化氫會對金屬設施造成腐蝕，導致管線設備出現壁厚減薄或點蝕穿孔等腐蝕問題。由于硫化氫的高毒性，致使集氣站成為危險區域，傳統的人工測厚方法難以開展。

為了及時發現管道腐蝕情況，掌握腐蝕變化過程，從而總結腐蝕規律、開展針對性選材或者在線防腐保護，中石化普光分公司開發了腐蝕在線測厚和壽命評估系統。該系統一期包括6個監測點、1個無線網關。監測探頭采用螺柱安裝方式，將其直接固定在管道上。無線網關安裝在裝置外空地上，其附近為電纜線地溝。各個監測點以無線多跳方式將測厚數據匯總于無線網關，網關通過有線電纜與集氣站控制間機柜內的協議轉換器相連，協議轉換器與企業局域網的交換機相連，數據進入企業有線網絡。診斷分析軟件安裝于公司信息中心的虛擬服務器，各用戶通過Web瀏覽器登陸軟件系統。軟件接收前端監測點的測厚數據，進行信息顯示和分析診斷，如圖5所示。

通過軟件系統，用戶可以直觀地看到管道當前壁厚及年腐蝕速率，通過不同顏色可以區分正常測點和腐蝕超標測點。通過觀察圖譜，能夠分析管道是否有溫度變化、局部腐蝕以及內壁粗糙等變化。

根據設備設計標準，各種損傷的評價、評級標準，研究基于每一種損傷機理的剩余壽命計算方法，開發了便于企業自用的剩余壽命評價計算軟件。軟件利用在線測厚獲得的壁厚、腐蝕速率，以及壓力、溫度、管徑等信息，實現了典型管件的典型損傷模式剩余壽命評價和預測，如圖6所示。

系統優勢體現在：①適用于惡劣作業環境，尤其是人員不易進入的環境或高空環境；②利用波導桿技術，將超聲波傳感器與被測設備隔離，不使用耦合劑，可長期、有效、準確地對高溫、高壓、臨氫等危險環境下的設備進行在線監測；③可靠的無線自組網傳輸技術，節點通過穩定可靠的無線網絡傳輸數據，節省了信號傳輸電纜等費用及布線工作；④對同一位置、連續的腐蝕數據監測，準確可靠，測量精度高；⑤用戶界面友好，具有直觀的腐蝕趨勢分析和剩余壽命預測功能；⑥傳感器及電池低功耗設計，可完全滿足現場安全性和長周期使用要求。在電池壽命內，幾乎無需進行維護。

3結語

腐蝕監測和腐蝕數據分析是保障設備安全運行的重要手段。由于溫度、壓力和腐蝕介質的聯合作用，承壓設備腐蝕問題尤為突出，是目前影響設備運行的主要風險來源。本研究采用無線傳感器網絡和超聲波技術實現了腐蝕在線測厚，對于連續監測和設備腐蝕狀況分析具有重要作用，尤其適用于人力難以企及的危險或高空環境。系統不僅具有直觀的腐蝕趨勢分析與圖譜分析功能，還具有剩余壽命預測功能。系統已成功應用于高含硫氣田的腐蝕監測中。下一步工作是將與腐蝕相關的更多功能納入系統，形成腐蝕監測、管理、分析、控制綜合集成平臺，從而實現設備健康診斷與運行風險預警的精準化。

參考文獻：

[1]李宇庭，甘芳吉，李文強.基于交流場指紋法的金屬管道縫隙腐蝕監測方法[J].儀器儀表學報，2015，36（3）：545-551.

[2]紀大偉，任厚珉，黃一.管道內腐蝕實時監測系統研制[J].腐蝕與防護，2009，30（1）：39-42.

[3]商好賓，楊富淋.蒸餾裝置塔頂在線腐蝕監測系統對工藝防腐蝕的作用[J].石油化工腐蝕與防護，2015，32（6）：18-21.

[4]黃一，徐云澤，王曉娜，等.基于雙環電阻傳感器的管道內壁腐蝕監測技術研究[J].機械工程學報，2015，51（24）：15-23.

[5]王驥，林杰華，謝仕義.基于無線傳感網絡的環境監測系統[J].傳感技術學報，2015，24（11）：1732-1740.

[6]曾錠陽，卜方玲，張文超，等.面向滑坡的無線傳感器網絡監測周期動態調整方法[J].計算機應用與軟件，2016，33（7）：145-147.

[7]錢志鴻，王義君.面向物聯網的無線傳感器網絡綜述[J].電子與信息學報，2013，35（1）：215-227.

[8]劉帥，李正煒，吳元昊.基于能耗梯度的無線傳感器網絡路由算法[J].傳感技術學報，2016，29（8）：1247-1252.

（責任編輯：黃健）endprint