國(guó)產(chǎn)化FSM設(shè)備在高含硫氣田輸氣管道上的應(yīng)用*

王清嶺 郭西水 黃雪松 尹依娜 伍丹丹

中國(guó)石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院

H2S與CO2是導(dǎo)致高含硫氣田濕氣集輸系統(tǒng)腐蝕的兩大主要因素。高酸性介質(zhì)在管道中流動(dòng)和滯留，易引起鋼材均勻腐蝕、局部腐蝕和沖刷腐蝕，且面臨硫化物應(yīng)力腐蝕開裂和氫致開裂風(fēng)險(xiǎn)，腐蝕監(jiān)測(cè)及控制不當(dāng)易導(dǎo)致管線腐蝕穿孔、刺漏，甚至破裂[1-3]。隨著高含硫氣田的深入開發(fā)，所面臨的形勢(shì)越發(fā)嚴(yán)峻，一是腐蝕工況變化，如水量增加、水型變化、氣量降低、細(xì)菌、結(jié)垢等問題導(dǎo)致集輸系統(tǒng)腐蝕有不同程度增加；二是管道設(shè)備服役性能下降、外部受力影響，特別是焊接部位、異形構(gòu)件應(yīng)力集中部位等，面臨應(yīng)力累積的風(fēng)險(xiǎn)，若腐蝕監(jiān)測(cè)與控制不當(dāng)，將給氣田生產(chǎn)造成嚴(yán)重危害和經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。目前，國(guó)內(nèi)外常見的腐蝕監(jiān)測(cè)手段主要有聲發(fā)射、電磁超聲、電指紋（FSM）、超聲導(dǎo)波、腐蝕掛片、C掃描、智能檢測(cè)等。但大多數(shù)監(jiān)測(cè)方法都屬于間接測(cè)量方法，需在檢測(cè)部位開口安裝以測(cè)量元件的腐蝕速率，屬于介入式；FSM和超聲波均屬于直接測(cè)量方式，無需開口安裝和帶壓拆卸系統(tǒng)，直接測(cè)量目標(biāo)本體的剩余壁厚，杜絕了因開口和帶壓拆卸帶來的風(fēng)險(xiǎn)[6-7]。

但目前進(jìn)口FSM監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在一定的不足。一方面價(jià)格較高，運(yùn)行中多次出現(xiàn)硬件故障現(xiàn)象，且配件購(gòu)買和維修周期長(zhǎng)，不能及時(shí)更換來保障完好率，嚴(yán)重影響了集輸系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；另一方面沖蝕和坑蝕檢測(cè)精度低，不能為腐蝕認(rèn)識(shí)與控制提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。鑒于此，研發(fā)了國(guó)產(chǎn)化FSM監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并做了一定改進(jìn)以提升沖蝕與坑蝕的檢測(cè)精度，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，提升服務(wù)，且在高含硫氣田輸氣管道上得到了成功應(yīng)用。

1 國(guó)產(chǎn)化FSM的改進(jìn)與提升

目前進(jìn)口FSM監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高含硫氣田輸氣管道安全監(jiān)測(cè)過程中多出現(xiàn)硬件故障現(xiàn)象，原因主要表現(xiàn)為4個(gè)方面：①電源模塊故障；②主板故障；③交流轉(zhuǎn)直流模塊損壞；④傳輸線損壞。以上4類故障中，①和②最常見，絕大部分是由這2種引起的，③和④只出現(xiàn)過一次，分別出現(xiàn)在403集氣站和102集氣站。同時(shí)針對(duì)進(jìn)口FSM監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的數(shù)據(jù)分析服務(wù)滯后、數(shù)據(jù)質(zhì)量有瑕疵等問題，國(guó)產(chǎn)化FSM設(shè)備在這些方面做了一定改進(jìn)與提升，以做到精準(zhǔn)檢測(cè)、精準(zhǔn)定位，保障高含硫氣田集輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1.1 FSM工作原理

電指紋法腐蝕監(jiān)測(cè)（FSM）屬于一種在線監(jiān)測(cè)金屬管道/壓力容器腐蝕的無損檢測(cè)技術(shù)，F(xiàn)SM的本質(zhì)是電位降技術(shù)，而電位降技術(shù)又是基于歐姆定律，當(dāng)管道發(fā)生腐蝕時(shí)，管道的壁厚減小，等效電阻的電阻值會(huì)增加。FSM具有以下多方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：①可以實(shí)現(xiàn)在線、原位、實(shí)時(shí)直接測(cè)量；②系統(tǒng)與介質(zhì)隔離，系統(tǒng)壽命長(zhǎng)，幾乎與設(shè)備同壽命；③無需開口安裝和帶壓拆卸系統(tǒng)，杜絕了因開口和帶壓拆卸帶來的風(fēng)險(xiǎn)；④電極矩陣采取澆封方式安裝，全系統(tǒng)可靠性高，維護(hù)工作量很少；⑤具有監(jiān)測(cè)平均腐蝕速率、坑蝕、沖蝕等局部腐蝕的大小、深度、位置及分布的能力，測(cè)量精度高；⑥系統(tǒng)適應(yīng)的溫度區(qū)間寬（-20～-500℃）。

如圖1所示，在被測(cè)對(duì)象（金屬管道、壓力容器等）的外壁按照一定規(guī)則焊接上測(cè)量電極矩陣；在被測(cè)管道的外壁上添加一塊參考板，該參考板與被測(cè)管道外壁之間填充有絕緣材料。參考板的材質(zhì)與被測(cè)對(duì)象的材質(zhì)相同，參考板上布置參考電極，用于消除電流涌動(dòng)、溫度變化以及背景噪聲等對(duì)測(cè)量造成的影響；然后再接上激勵(lì)電流電纜，測(cè)量電極上接上測(cè)量電纜，安裝若干溫度傳感器，在管道外壁安裝金屬保護(hù)罩；最后再用環(huán)氧樹脂澆灌到金屬保護(hù)罩中，形成對(duì)測(cè)量探針、測(cè)量電纜和激勵(lì)電流導(dǎo)線的保護(hù)層，此時(shí)FSM的管道部分即安裝完成[8-10]。

圖1 實(shí)際的埋地FSM系統(tǒng)Fig.1 Actual buried FSM system

在FSM安裝完成之后，將最初測(cè)得的電壓值作為原始電壓，安裝時(shí)測(cè)得的壁厚作為原始壁厚。在FSM運(yùn)行過程中，測(cè)得的電壓與原始電壓做比較，再利用原始壁厚值將電壓的變化值計(jì)算轉(zhuǎn)變成壁厚的變化值。每一對(duì)測(cè)量電壓的變化情況可以用場(chǎng)指紋系數(shù)（Fingerprint Concept）FC來衡量[11]。

式中：WT為壁厚；WT(t0)為初始壁厚；WT(loss)(tx)為壁厚損失。

根據(jù)FC值以及初始壁厚，可以推算出腐蝕的壁厚損失。

1.2 牽扯效應(yīng)的消除

所謂牽扯效應(yīng)是指當(dāng)某一區(qū)域發(fā)生腐蝕導(dǎo)致電阻變化，電流場(chǎng)的分布也隨之變化，該區(qū)域前后的電流將減小，上下電流將增加，特別對(duì)電阻變化的相鄰區(qū)域影響很大[12]。圖2所示為等效電阻鏈網(wǎng)絡(luò)模型，當(dāng)一個(gè)電阻增加10%時(shí)，它的電壓相對(duì)增加4.8%，但是在其他未發(fā)生腐蝕的地方電壓也有相應(yīng)變化，使得該電阻上下相鄰電阻的FC增加，前后相鄰的電阻FC值減少為負(fù)值。以FC值為基礎(chǔ)進(jìn)行腐蝕分析時(shí)，若直接使用上述數(shù)據(jù)，將對(duì)結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差。當(dāng)管道多處發(fā)生坑蝕時(shí)，由于疊加效應(yīng)，牽扯效應(yīng)引起的誤差將會(huì)大幅度增加。圖3所示為3個(gè)相鄰電阻阻值均變化10%之后得到的FC值，由于牽扯效應(yīng)，3個(gè)發(fā)生腐蝕的地方的FC值不一樣，且存在較大差距，而且其他沒發(fā)生腐蝕的地方也產(chǎn)生了一些較大的FC值信號(hào)，且存在著較大的負(fù)FC值，因此必須消除牽扯效應(yīng)的影響。

圖2 等效電阻鏈網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2 Network model of equivalent resistance chain

圖3 3個(gè)電阻阻值均變化10%后FC值示意圖Fig.3 Schematic diagram ofFCvalue after all three resistance values changed by 10%

若能找出牽扯效應(yīng)對(duì)整個(gè)測(cè)量區(qū)域電流場(chǎng)中的各個(gè)子塊電阻的影響因子即牽扯因子，然后進(jìn)行量化、建模和處理，則可消除牽扯效應(yīng)的影響。基于此，假設(shè)電阻鏈大小為(2 n-2)×(m -1)，當(dāng)有電阻值改變時(shí)，根據(jù)對(duì)稱性，整個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)上電流將上下、左右對(duì)稱，可以得到第n行流向n+1行的電流大小Δn與原電流I的關(guān)系，再根據(jù)基爾霍夫電流定律，依次計(jì)算類推出nm-1,nm-2，……各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流方程，同時(shí)在每個(gè)環(huán)路中建立電壓方程組，對(duì)其求解，再根據(jù)FC值公式推導(dǎo)出當(dāng)某一個(gè)電阻變化時(shí)其他電阻的FC值對(duì)于變化電阻的FC值的變化率，即牽扯因子[12]。由圖4可以看出，在消除牽扯效應(yīng)之后，其他電阻阻值未變的地方FC值基本上為0（最大誤差0.07‰），F(xiàn)C的值可真實(shí)反映電阻網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)電阻值的變化，即真實(shí)反映了局部坑蝕、沖蝕的情況。

圖4 消除牽扯效應(yīng)后3個(gè)電阻均變化10%的FC值Fig.4FCvalues of all three resistors changed by 10%after re‐moving the drag effect

1.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的提升

1.3.1 異常值處理

管道腐蝕在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)隨時(shí)間緩慢變化并有一定的趨勢(shì)特征，因此，從動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的特性出發(fā)，基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)相關(guān)知識(shí)對(duì)異常值進(jìn)行處理。首先計(jì)算出測(cè)量信號(hào)相鄰時(shí)刻變化速率，然后獲取變化速率的分布規(guī)律，根據(jù)總體分布規(guī)律設(shè)置信號(hào)變化速率的容差限，以此為判別異常值的依據(jù)，剔除異常值之后采用線性內(nèi)插的方法修復(fù)原始測(cè)量信號(hào)。圖5為異常值處理前后對(duì)比圖。

1.3.2 溫度修正

首先利用初始多組電壓、溫度為基準(zhǔn)計(jì)算初始值。按照

利用數(shù)值擬合對(duì)ΔV～ΔT關(guān)系進(jìn)行擬合，確定擬合系數(shù)進(jìn)行修正。擬合關(guān)系具體情況可以分為一次、二次、三次、四次甚至更復(fù)雜的擬合，以此來修正電壓值，圖6為原始電壓和修正后電壓對(duì)比圖。

1.3.3 數(shù)據(jù)濾波-分析電壓信號(hào)頻譜

圖5 異常值處理前后對(duì)比Fig.5 Comparison before and after expectional value processing

圖6 原始電壓和修正后電壓對(duì)比Fig.6 Comparison of original voltage and modified voltage

進(jìn)行頻譜分析，即將時(shí)域信號(hào)變換至頻域信號(hào)加以分析。頻譜分析的過程是先把復(fù)雜的時(shí)間歷程波形化，然后利用傅里葉變換將信號(hào)分解成若干個(gè)單一的諧波分量，以此來得到信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)和各諧波分量的相位信息。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)與安裝

高含硫氣田P304—P305集輸站管線于2014年進(jìn)行了智能檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)20～22號(hào)桁架之間的管道存在一定程度內(nèi)部腐蝕，因此選擇在304—305站間管道的兩個(gè)檢測(cè)井安裝了兩套自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)化FSM系統(tǒng)（圖7），以檢測(cè)管道腐蝕狀況，并預(yù)留超聲波壁厚測(cè)試孔以直接測(cè)厚，而且可以驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)化FSM的檢測(cè)精度。

2.2 測(cè)量結(jié)果

2.2.1 FSM在304-1觀察井管道監(jiān)測(cè)部位

圖8左圖是304-1觀察井管道監(jiān)測(cè)部位管道剩余壁厚圖。數(shù)據(jù)顯示，原始壁厚數(shù)據(jù)在9.3～10.3 mm之間，壁厚偏差符合GBT 9711—2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送用鋼管》的規(guī)定。圖8右圖為304-1觀察井管道監(jiān)測(cè)部位管道的腐蝕厚度圖，分析腐蝕深度三維圖可知，304-1觀察井的監(jiān)測(cè)部位管道腐蝕值在0.02 mm范圍內(nèi)變化。

圖7 FSM測(cè)量電纜的布置及超聲波傳感器的布置Fig.7 Layout of FSM measurement cable and ultrasonic sensor

2.2.2 FSM在304-2觀察井管道監(jiān)測(cè)部位

圖9左圖是304-2觀察井管道監(jiān)測(cè)部位管道剩余壁厚圖。數(shù)據(jù)顯示，原始壁厚數(shù)據(jù)在9.5 mm～10.3 mm之間，壁厚偏差符合GBT 9711—2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送用鋼管》的規(guī)定。圖9右圖為304-2觀察井管道監(jiān)測(cè)部位管道的腐蝕厚度圖，分析腐蝕深度三維圖可知，304-2觀察井的監(jiān)測(cè)部位管道腐蝕值在0.02 mm范圍內(nèi)變化。

2.2.3 超聲波在304-1和304-2觀察井管道監(jiān)測(cè)部位

在304-1和304-2號(hào)井站安裝了超聲波探頭和預(yù)留了外部監(jiān)測(cè)點(diǎn)。超聲波探頭數(shù)據(jù)如圖10和圖11所示，測(cè)試結(jié)果如表1所示。其中304-2的一組位于P13-1位置的探頭由于后期膠封導(dǎo)致松動(dòng)，未緊密貼合，數(shù)據(jù)采集箱未能獲得有效信號(hào)。對(duì)比結(jié)果可以看到超聲波數(shù)據(jù)和FSM數(shù)據(jù)略有差異，這是因?yàn)楣艿篮穸炔灰恢聦?dǎo)致的，但整體上來看，數(shù)據(jù)在0.03 mm范圍內(nèi)變化，屬于儀器測(cè)量誤差。

圖8 304-1觀察井管道監(jiān)測(cè)部位管道的剩余壁厚圖（左）與腐蝕厚度圖（右）Fig.8 Residual wall thickness(left)and corrosion thickness(right)of the pipe at the pipe monitoring site of 304-1 observation well

圖9 304-2觀察井管道監(jiān)測(cè)部位管道的剩余壁厚圖（左）與腐蝕厚度圖（右）Fig.9 Residual wall thickness(left)and corrosion thickness(right)of the pipe at the pipe monitoring site of 304-2 observation well

圖10 304-1觀察井的超聲波探頭數(shù)據(jù)和附近FSM探針厚度值對(duì)比Fig.10 Comparison of thickness value tested by ultrasonic probe and nearby FSM probe in 304-1 observation well

圖11 304-2觀察井的超聲波探頭數(shù)據(jù)和附近FSM探針厚度值對(duì)比Fig.11 Comparison of thickness value tested by ultrasonic probe and nearby FSM probe in 304-2 observation well

表1 P304-P305管道觀察井檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics table of detection datas of pipeline observation well P304-P305 mm

3 結(jié)論與評(píng)價(jià)

（1）國(guó)產(chǎn)化FSM從消除牽扯效應(yīng)、提升數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的準(zhǔn)確性等方面做了一定創(chuàng)新與改進(jìn)，打破了國(guó)外進(jìn)口FSM系統(tǒng)的技術(shù)壟斷，解決了價(jià)格昂貴、維修周期長(zhǎng)的問題，同時(shí)提高了檢測(cè)精度。

（2）FSM電場(chǎng)指紋法腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)測(cè)量的管道壁厚和常規(guī)的超聲波測(cè)厚儀測(cè)量的管道壁厚具有一致性，其相對(duì)精度在±1.0%以內(nèi)，測(cè)量結(jié)果具有可信性。

（3）在全周向腐蝕監(jiān)測(cè)的管道范圍之內(nèi)，電場(chǎng)指紋法不僅監(jiān)測(cè)到了管道的均勻腐蝕和局部腐蝕，而且能定位各局部腐蝕發(fā)生的具體位置。