油氣管道腐蝕防護(hù)系統(tǒng)技術(shù)研究與展望

方艷 梁晶 張云 李夢熒

1中國石油塔里木油田分公司

2北京中油瑞飛技術(shù)信息有限責(zé)任公司

3西南石油大學(xué)土工工程與建筑學(xué)院

根據(jù)美國國家管道安全局統(tǒng)計，33%的油氣管道事故是由腐蝕造成的；加拿大管道失效統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，腐蝕因素占33%；中國的管道失效情況也大多是由腐蝕造成的，占失效原因的50%[1]。由此可以看出，腐蝕是影響油氣管道完整性的最主要因素之一。

我國油氣管道腐蝕情況嚴(yán)重，且腐蝕數(shù)據(jù)不方便管理，而利用腐蝕數(shù)據(jù)庫可以提高對管道腐蝕檢測和防護(hù)的效率。腐蝕數(shù)據(jù)庫主要包括材料狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)和耐腐蝕性等數(shù)據(jù)，可以監(jiān)控管道的腐蝕并準(zhǔn)確計算腐蝕速率以預(yù)測腐蝕。目前我國油氣田腐蝕數(shù)據(jù)缺失，且對已有數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一管理，因此迫切需要建立適用性強的腐蝕管理系統(tǒng)。

國際腐蝕信息和保護(hù)管理系統(tǒng)的建設(shè)比國內(nèi)起步早，在腐蝕數(shù)據(jù)庫的研究中，美國、德國、日本等國家取得了一定的成果。如美國開發(fā)的材料腐蝕數(shù)據(jù)庫，包含的內(nèi)容涉及工業(yè)、環(huán)境和日常生活的各個方面[2]。德國DECHEMA開發(fā)了一個大型腐蝕數(shù)據(jù)庫，提供有關(guān)工業(yè)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)材料腐蝕行為的信息[3]。日本國家金屬研究所和日本科學(xué)技術(shù)信息中心聯(lián)合開發(fā)了材料數(shù)據(jù)庫[4]。與國外防腐系統(tǒng)的建設(shè)相比，我國防腐系統(tǒng)的信息化和系統(tǒng)化管理還存在一定的差距。目前，國內(nèi)一些公司開發(fā)的數(shù)據(jù)庫軟件僅用于腐蝕數(shù)據(jù)的管理和收集監(jiān)測數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng)。未來腐蝕數(shù)據(jù)庫開發(fā)的具體目標(biāo)是：數(shù)據(jù)資源擴(kuò)展、軟硬件平臺建設(shè)、關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用軟件開發(fā)以及應(yīng)用服務(wù)。

1 國外腐蝕防護(hù)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

分析了國外主要的腐蝕管理產(chǎn)品及軟件，其中：Honeywell（霍尼韋爾）能夠精確量化腐蝕程度，測定腐蝕速率，進(jìn)而進(jìn)行腐蝕的預(yù)測及評價；美國PCMS則注重腐蝕的檢測，尤其致力于測厚管理，能夠制定合理測點數(shù)量與檢測周期；ICMS3/Amulet腐蝕管理系統(tǒng)和Corrosionsource數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站擁有完備的網(wǎng)絡(luò)，無論何時何地均能在全世界范圍內(nèi)調(diào)用所需的重要數(shù)據(jù)；而康伯士生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)提供了腐蝕數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。國外的腐蝕防護(hù)軟件研究了腐蝕的各個方面，并且擁有成熟的管理體系和數(shù)據(jù)庫資源。因此，我國需要盡快推進(jìn)國內(nèi)完整腐蝕防護(hù)系統(tǒng)的建設(shè)。

1.1 Honeywell

Honeywell是一個全能型的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，它提供了腐蝕管理軟件、技術(shù)和服務(wù)，以幫助工業(yè)機構(gòu)檢測并解決影響管道安全運營的腐蝕問題。如其擁有的Risk-IT 2.0可自動執(zhí)行風(fēng)險檢查（RBI），幫助用戶對腐蝕相關(guān)的風(fēng)險進(jìn)行量化并實施管理，同時安排設(shè)備檢查的優(yōu)先級，以保障設(shè)備使用壽命和安全性能達(dá)到最佳[5]。從傳統(tǒng)的離線監(jiān)測過渡到InterCorr的SmartCET在線實時監(jiān)測技術(shù)，可節(jié)省腐蝕防護(hù)成本高達(dá)20%。Predict-Crude 2.0可以準(zhǔn)確量化環(huán)烷酸和硫化物等因素引起的腐蝕，實現(xiàn)原油設(shè)備的安全運行，使煉油廠能夠安全處理高酸值原油[6]。Predict 6.1可幫助用戶預(yù)測和控制CO2和H2S環(huán)境中的碳素鋼腐蝕。該公司還有功能全面的材料選擇系統(tǒng)Socrates 9.1和準(zhǔn)確的評價系統(tǒng)等[7]。用戶可根據(jù)不同需求使用相應(yīng)的軟件及服務(wù)。

1.2 腐蝕防護(hù)數(shù)據(jù)庫PCMS

PCMS腐蝕防護(hù)數(shù)據(jù)庫由美國物理聲學(xué)公司開發(fā)，是一種基于設(shè)備監(jiān)控分析和完整性管理的管理軟件。它擁有安全閥檢測、腐蝕管理、可靠性預(yù)測和評估功能，其最突出的是測厚管理功能模塊，可根據(jù)相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)計算管道、容器和儲罐的最小允許壁厚。它還具有資產(chǎn)管理、計算引擎管理、檢測計劃、檢測執(zhí)行、KPI及與外部接口數(shù)據(jù)庫等功能，可以用于整個業(yè)務(wù)流程，便于使用[8]。

1.3 ICMS3/Amulet腐蝕管理系統(tǒng)

ICMS3/Amulet腐蝕管理系統(tǒng)提供了一個綜合性的腐蝕數(shù)據(jù)管理解決方案，可進(jìn)行高效的資產(chǎn)管理。它擁有全面的腐蝕數(shù)據(jù)管理功能及完備的網(wǎng)絡(luò)功能，可進(jìn)行腐蝕數(shù)據(jù)與工藝過程數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)計算，可處理CORROSOMETER、CORROTEMP、CORRATER的探頭、掛片、超聲波測厚儀數(shù)據(jù)及其他測量數(shù)據(jù)[9]。

該系統(tǒng)的最大優(yōu)點是能便捷地找出腐蝕數(shù)據(jù)與來自集散控制系統(tǒng)（DCS）的各種過程參數(shù)之間的相關(guān)性。通過DCS控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的簡便連接，ICMS3能夠在任何時間、任何地點調(diào)用所需的重要數(shù)據(jù)。

1.4 Corrosionsource數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站

Ccorrosionsource數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站提供了包羅萬象的咨詢服務(wù)，包括腐蝕速率計算、工程單位轉(zhuǎn)換、鋁合金腐蝕數(shù)據(jù)庫、銅合金腐蝕數(shù)據(jù)庫、低合金鋼腐蝕數(shù)據(jù)庫、鈦鋯合金數(shù)據(jù)庫等[10]。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它可以收集全世界不同地區(qū)發(fā)生的腐蝕案例，打破地域的界限，加快信息的流轉(zhuǎn)速度。

1.5 康士伯生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)

康士伯生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)是一套模塊化的解決生產(chǎn)管理問題的專家系統(tǒng)，其最突出的特點是通過建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信層，并集成一整套的技術(shù)實現(xiàn)手段，為上層模塊化的專家系統(tǒng)做統(tǒng)一支撐。數(shù)據(jù)層的補充完善，不斷支持專家系統(tǒng)的擴(kuò)充，使各系統(tǒng)之間存在既獨立又統(tǒng)一的關(guān)系。它可進(jìn)行實時泄漏檢測定位，采用基于瞬態(tài)模型的方法實時收集管道的流量、壓力、計算模型和壓力梯度，最后通過壓力測量值和計算值來診斷泄漏故障[11]；通過與DCS系統(tǒng)的發(fā)球信號同步，實現(xiàn)實時計算清管位置；還可對腐蝕沖蝕速率進(jìn)行監(jiān)測，功能完備，提高了管理質(zhì)量和效率。

2 國內(nèi)腐蝕防護(hù)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

調(diào)研了國內(nèi)現(xiàn)有的腐蝕防護(hù)系統(tǒng)，其中材料環(huán)境腐蝕網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享，勝利油田管道腐蝕數(shù)據(jù)庫等擁有全套的數(shù)據(jù)管理體系；地下管道腐蝕與防護(hù)數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)有一定的處理能力，并且能夠分析評價腐蝕情況；大型石化企業(yè)設(shè)備防腐信息系統(tǒng)對數(shù)據(jù)有綜合的整理能力，可以連接到物料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，更好地了解到設(shè)備腐蝕信息；另外，利用GIS技術(shù)顯示管道信息，可以方便地瀏覽數(shù)據(jù)。目前國內(nèi)已經(jīng)開始引進(jìn)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，但是由于時間較短，數(shù)據(jù)采集度還不夠，數(shù)據(jù)的分析利用也有待完善。

2.1 材料環(huán)境腐蝕網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

材料環(huán)境腐蝕網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常設(shè)計為B/S結(jié)構(gòu)，用戶可以通過Internet瀏覽器瀏覽并實現(xiàn)系統(tǒng)的所有功能。系統(tǒng)需進(jìn)行軟硬件基礎(chǔ)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、物質(zhì)環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[12]。

在共享系統(tǒng)中采用新型Java框架的Spring技術(shù)，它起著框架的作用，將應(yīng)用程序分為了3個部分：①滿足數(shù)據(jù)缺乏的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的功能和程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在應(yīng)用程序開發(fā)中的對接[13]；②在對接的基礎(chǔ)上，編寫程序來訪問、修改和操作數(shù)據(jù)庫等功能；③處理用戶需求，調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)操作模塊，并將結(jié)果綁定到視圖。

2.2 油田管道腐蝕數(shù)據(jù)庫

勝利油田管道腐蝕數(shù)據(jù)庫和大慶油田設(shè)施防腐保溫數(shù)據(jù)庫都具有接收、儲存腐蝕數(shù)據(jù)的功能。勝利油田管道腐蝕數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)對輸油管道腐蝕殘余強度的評估和剩余壽命的初步預(yù)測。大慶油田設(shè)施防腐保溫數(shù)據(jù)庫基于Access/Oracle數(shù)據(jù)庫管理平臺，可以動態(tài)監(jiān)測管道、容器和儲罐的腐蝕狀況，為油田規(guī)劃、生產(chǎn)管理和設(shè)備維護(hù)提供信息服務(wù)和技術(shù)支持[14]。

大慶油田設(shè)施防腐保溫數(shù)據(jù)庫包括油田主要設(shè)施及相關(guān)配套設(shè)施的基本信息以及運行狀態(tài)記錄。除了提供通用查詢和統(tǒng)計功能外，防腐保溫數(shù)據(jù)庫還提供設(shè)施腐蝕專用查詢、油田設(shè)施基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)管理和技術(shù)評估等功能[15]。

2.3 地下管道腐蝕與防護(hù)數(shù)據(jù)庫

在現(xiàn)有地面數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，油氣儲運公司建立了地下管道腐蝕與防護(hù)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)出腐蝕與防護(hù)信息系統(tǒng)的分析評估與預(yù)測系統(tǒng)。

地下管道腐蝕與防護(hù)數(shù)據(jù)庫包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、腐蝕與防護(hù)信息系統(tǒng)和腐蝕評價。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫包括設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及陰極保護(hù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等。信息系統(tǒng)按功能分為系統(tǒng)維護(hù)、防腐數(shù)據(jù)管理、Geomedia命令和系統(tǒng)幫助。腐蝕評價包括管體腐蝕損傷評價、防腐層狀況評價、陰極保護(hù)狀況評價、管體腐蝕狀況評價和綜合評價。

2.4 大型石化企業(yè)設(shè)備防腐信息管理系統(tǒng)

設(shè)備防腐管理系統(tǒng)的主要功能是建立設(shè)備的腐蝕文件，記錄和處理現(xiàn)場設(shè)備的腐蝕監(jiān)測、檢測和防腐施工信息及數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)與物料基礎(chǔ)腐蝕數(shù)據(jù)庫連接，可查詢相關(guān)的耐腐蝕材料和防腐材料，為設(shè)備的防腐工作提供參考。實現(xiàn)查詢、數(shù)據(jù)輸入、修改和刪除的各種數(shù)據(jù)庫功能，并且可以執(zhí)行所選條件的查詢、新數(shù)據(jù)的輸入和修改等[16]。

2.5 GIS技術(shù)在腐蝕防護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用

GIS是一種視覺理念，它以圖形的形式顯示具有地理坐標(biāo)的復(fù)雜管道、設(shè)備數(shù)據(jù)等，并以簡單明了的方式瀏覽數(shù)據(jù)信息[17]。GIS技術(shù)用于以“地圖”的形式呈現(xiàn)設(shè)備管道分布，并通過GIS地圖形式顯示各種流程圖[18]。設(shè)備管道腐蝕的統(tǒng)計分析信息顯示在地圖的關(guān)鍵點上，用鼠標(biāo)可以輕松操作。獲得所需的位置和狀態(tài)信息可為有效的腐蝕管理創(chuàng)造條件，這是未來的設(shè)計理念之一。

3 國內(nèi)外腐蝕防護(hù)系統(tǒng)對比

國外的材料數(shù)據(jù)庫及腐蝕防護(hù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)發(fā)展得較早，目前已較為成熟，各大廠商在腐蝕數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用方面都有自己一套完整的解決方案。對比國際發(fā)展水平，我國材料數(shù)據(jù)的發(fā)展情況具有以下特點：

（1）頂級設(shè)計超過發(fā)達(dá)國家。材料科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)使中國成為世界上第一個擁有國家材料科學(xué)數(shù)據(jù)庫的國家，而日本在2014年剛剛成為世界上第二個建立國家材料數(shù)據(jù)中心的國家[19]。目前，材料科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)已編制了561個性能指標(biāo)[20]，包括89個物理性能指標(biāo)和163個機械性能指標(biāo)。

（2）部分專題數(shù)據(jù)庫已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。由國家材料環(huán)境腐蝕平臺建立的材料腐蝕數(shù)據(jù)庫已成為世界領(lǐng)先的主題數(shù)據(jù)庫，涵蓋了大氣、土壤和自然條件下材料腐蝕的實驗數(shù)據(jù)。材料科學(xué)項目完成后，將形成極端條件和大型材料試驗數(shù)據(jù)，具有較高的材料應(yīng)用價值。

（3）數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)量不夠充足、不夠精確，在材料計算和模擬材料數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建中是空白的。目前數(shù)據(jù)可視化和標(biāo)準(zhǔn)化仍未成型，未來在資源的整合上還有很長的路要走。

（4）我國對材料數(shù)據(jù)的深入使用并未得到足夠的重視和發(fā)展。材料數(shù)據(jù)的深入開發(fā)與數(shù)據(jù)化密切相關(guān)，缺乏開發(fā)和利用直接影響數(shù)據(jù)化過程。我國在20世紀(jì)80年代建立的材料數(shù)據(jù)庫，僅有部分納入了材料科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)。

（5）對數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用還不全面。國內(nèi)大多數(shù)數(shù)據(jù)庫/應(yīng)用軟件還停留在數(shù)據(jù)查詢階段，在數(shù)據(jù)的分析、利用上做得還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。國內(nèi)的用戶多通過定制軟、硬件系統(tǒng)來滿足自身需要。數(shù)據(jù)庫技術(shù)在腐蝕科學(xué)中的廣泛應(yīng)用，極大地促進(jìn)了材料腐蝕科學(xué)的開發(fā)，建設(shè)我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的具有普適性商用系統(tǒng)已迫在眉睫。

4 展望

我國材料腐蝕數(shù)據(jù)系統(tǒng)及防腐系統(tǒng)不可能依賴于引進(jìn)發(fā)達(dá)國家的數(shù)據(jù)來替代，更不可能依賴國外的軟、硬件系統(tǒng)，必須通過自己的長期數(shù)據(jù)積累和試驗研究，建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料腐蝕數(shù)據(jù)庫和保護(hù)系統(tǒng)。建設(shè)和發(fā)展未來腐蝕數(shù)據(jù)庫的具體目標(biāo)是：

（1）擴(kuò)大數(shù)據(jù)資源。腐蝕數(shù)據(jù)庫應(yīng)基于科學(xué)意義和實用價值的結(jié)合，根據(jù)用戶的需求進(jìn)行開發(fā)。腐蝕數(shù)據(jù)庫應(yīng)采取自我獲取、處理、合作交流，互利網(wǎng)絡(luò)和謹(jǐn)慎購買等方式來發(fā)展，形成一系列可用、有效、高應(yīng)用和更廣泛的信息資源覆蓋，內(nèi)置于全面的多學(xué)科腐蝕數(shù)據(jù)庫入口。在現(xiàn)有支持的專業(yè)圖書館的基礎(chǔ)上，以利用優(yōu)點、重點和滾動支持原則建立現(xiàn)有的專業(yè)數(shù)據(jù)庫。

（2）軟、硬件平臺建設(shè)。軟、硬件平臺建設(shè)應(yīng)基于現(xiàn)有的軟、硬件平臺和腐蝕數(shù)據(jù)庫的開發(fā)環(huán)境，其中網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)環(huán)境，分布式處理是運行模式，多媒體和全文檢索是關(guān)鍵技術(shù)。

（3）關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用軟件開發(fā)。數(shù)據(jù)庫必須首先研究和解決數(shù)據(jù)庫移植和互聯(lián)互通的問題，建立分布式腐蝕數(shù)據(jù)庫資源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對腐蝕數(shù)據(jù)庫信息經(jīng)濟(jì)學(xué)和定價策略進(jìn)行研究，使腐蝕數(shù)據(jù)庫的各個方面都進(jìn)入市場，并提高腐蝕數(shù)據(jù)庫的服務(wù)質(zhì)量和水平。其次，腐蝕數(shù)據(jù)庫應(yīng)利用計算機軟件等先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)各種應(yīng)用軟件和友好的用戶界面。

（4）做好應(yīng)用服務(wù)。做好腐蝕數(shù)據(jù)庫信息的管理、應(yīng)用和服務(wù)，加強專家知識庫、腐蝕評價模型的技術(shù)研究，進(jìn)一步實現(xiàn)智能化的腐蝕綜合評價管理。可進(jìn)一步擴(kuò)展腐蝕綜合評價管理系統(tǒng)，如設(shè)備腐蝕原因分析、腐蝕形態(tài)分析系統(tǒng)和專家系統(tǒng)。