電場指紋法腐蝕監(jiān)測技術(shù)在普光氣田的應(yīng)用*

(1.中原油田普光分公司采氣廠，四川 達(dá)州 635000;2.中國科學(xué)院金屬研究所 沈陽市航發(fā)材料摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110016)

普光氣田H2S體積分?jǐn)?shù)高達(dá)12.31%～17.05%,CO2體積分?jǐn)?shù)高達(dá)7.89%～10.53%，因此腐蝕介質(zhì)對地面集輸管線和設(shè)備安全可能構(gòu)成極大威脅[1]。傳統(tǒng)的腐蝕檢測方法，包括腐蝕掛片、電阻探針、線性極化探針及便攜式氫通量測量儀等，雖然基本滿足了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)腐蝕檢測的要求，但僅能在線腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)作為輸送介質(zhì)的平均腐蝕速率，不能全面反映管線和設(shè)備的腐蝕情況[2]。實(shí)際上從管道腐蝕產(chǎn)物膜與現(xiàn)場腐蝕狀況來看，發(fā)生局部腐蝕的傾向性很大[3]。為此，相關(guān)技術(shù)人員開展了電場指紋法腐蝕監(jiān)測技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用研究，旨在精準(zhǔn)確定局部和均勻腐蝕，監(jiān)測管道本體的局部和均勻腐蝕規(guī)律，研究確認(rèn)電場指紋法腐蝕監(jiān)測技術(shù)測量的管道壁厚和常規(guī)的超聲波測厚儀測量的管道壁厚具有一致性，它不僅監(jiān)測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[4]。

針對進(jìn)口電場指紋設(shè)備發(fā)生故障，導(dǎo)致腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)采集不完整等問題，進(jìn)行了電場指紋法監(jiān)測技術(shù)國產(chǎn)化改造，從而提高設(shè)備的綜合性能，并采取控制預(yù)案，實(shí)施有效的腐蝕管理。

1 電場指紋系統(tǒng)概述

普光氣田地面集輸管道采用26套電場指紋在線監(jiān)測設(shè)備對管線的腐蝕情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，已運(yùn)行9 a多時間。儀表箱見圖1(1為激勵電流模塊，2為電壓采集模塊)。

圖1 進(jìn)口電場指紋系統(tǒng)儀表箱

1.1 進(jìn)口電場指紋系統(tǒng)運(yùn)行情況

系統(tǒng)投運(yùn)以來，累計(jì)發(fā)生故障46起，特別是部分位置反復(fù)出現(xiàn)故障。電場指紋系統(tǒng)出現(xiàn)故障不僅導(dǎo)致腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)采集不完整，不能提供異常腐蝕預(yù)警，而且還存在備件價格昂貴，采購周期長，使用壽命較短等問題。

1.2 進(jìn)口電場指紋系統(tǒng)常見故障分析

通過總結(jié)分類，故障類型主要包括主板故障、電流驅(qū)動模塊故障及傳輸線路故障等。其中主板與電源故障最頻繁，分別占故障總數(shù)的30.5%和50.8%，兩者之和占故障總數(shù)的81.3%。

1.2.1 電流驅(qū)動模塊故障原因分析

電流驅(qū)動模塊故障占了電場指紋設(shè)備故障總數(shù)的50%以上，嚴(yán)重影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)監(jiān)控功能。

測量電極間的金屬塊可以等效成一個電阻，以進(jìn)口電場指紋系統(tǒng)為例，該電場指紋系統(tǒng)在圓周方向上每一圈有14行探針，在軸向上每一行有9個探針，即一共可以測量14×8組電壓。金屬塊的電阻可以由公式(1)求得。

R=ρL/s

(1)

式中：ρ為材料的電阻率，Ω·mm；L為金屬塊的長度,mm；S為金屬塊的橫截面積,mm2。

一般金屬管道的材料為碳鋼，而碳鋼的電阻率一般為0.000 159 Ω·mm，則此種情況下該金屬塊的電阻值為16.2 μΩ。假設(shè)探針區(qū)域的電流分布是均勻的，進(jìn)口電場指紋系統(tǒng)的激勵電流的幅值為30 A，由于圓周上有14行探針，則每一對測量電極流過的電流為30/14 A，因此一對測量電極間的電壓為34.8 μV，被測電壓信號是極其微弱的，為提高信號的幅值，理論上施加的激勵電流越大越好。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口電場指紋系統(tǒng)的激勵電流模塊的輸出電壓值為12 V，由于被測金屬管道是良好的導(dǎo)體，接上激勵電流之后近似于短路，幾乎12 V的壓降全部消耗在了激勵電流模塊上了。根據(jù)焦耳定律可知，此時激勵電流模塊上將會產(chǎn)生360 W的熱量，尤其是安裝在戶外的電場指紋系統(tǒng)，夏天處于烈日暴曬之下，激勵電流模塊的溫度將更高，導(dǎo)致激勵電流模塊損壞率升高。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊故障原因分析

數(shù)據(jù)采集模塊故障占到了電場指紋設(shè)備故障總數(shù)的30%以上。數(shù)據(jù)采集模塊故障，導(dǎo)致電場指紋設(shè)備不能采集數(shù)據(jù)，不能監(jiān)控管道腐蝕狀況。

對某集氣站進(jìn)口電場指紋系統(tǒng)在2009年10月至2015年10月期間運(yùn)行情況進(jìn)行分析，被測管道在此期間，壁厚變化出現(xiàn)極大的波動見圖2。金屬管道的腐蝕不可逆，即管道的壁厚損失量應(yīng)是增加的，而圖2中顯示電場指紋測量得到的壁厚損失量出現(xiàn)了負(fù)值，即被測管道壁厚增加了，這顯然不符合實(shí)際情況。因此說明進(jìn)口電場指紋系統(tǒng)的電壓采集模塊出現(xiàn)了較大的問題，而引起該問題的主要原因在于系統(tǒng)漂移。

圖2 管道壁厚損失變化曲線

2 電場指紋技術(shù)國產(chǎn)化應(yīng)用

2.1 各種壁厚監(jiān)測技術(shù)的特點(diǎn)

腐蝕監(jiān)測和檢測是管道壁厚實(shí)時監(jiān)測技術(shù)的重要組成部分，都是保障設(shè)備安全運(yùn)行的有效手段。常用的腐蝕監(jiān)測技術(shù)有：掛片法[5]、電阻探針法[6]、電化學(xué)法[7]、電位監(jiān)測法[8]、化學(xué)分析法[9]、超聲波法[10-11]、氫通量法[12]及電場指紋(電指紋)等。常見的管壁內(nèi)檢測技術(shù)有著費(fèi)用高、影響正常的介質(zhì)輸送、開挖或者剝離防護(hù)層等缺陷，且常用的腐蝕檢測方法難以有效檢出內(nèi)腐蝕的準(zhǔn)確部位和腐蝕程度。

試驗(yàn)管道面臨的缺陷主要為坑蝕和壁厚減薄，因此腐蝕監(jiān)測技術(shù)的選擇主要是以監(jiān)測坑蝕等體積缺陷為主的腐蝕監(jiān)測。而超聲波法和電場指紋具有監(jiān)測壁厚和體積缺陷的優(yōu)勢。超聲波測量精度為0.1 mm，電場指紋的精度為壁厚的5%，其中電場指紋根據(jù)測量可以自由布置電極的分布，電極距離較近時監(jiān)測點(diǎn)蝕具有優(yōu)勢，電極距離較遠(yuǎn)時監(jiān)測均勻腐蝕具有優(yōu)勢，距離適中時可以兼顧坑蝕和均勻腐蝕，且電場指紋法可以在線檢測，檢測期間無需開挖和破壞管道本體。

2.2 電場指紋系統(tǒng)原理

電場指紋是一種在線監(jiān)測金屬管道/壓力容器腐蝕的無損檢測技術(shù)，如圖3所示。在被測對象(金屬管道、壓力容器等)的外壁按照一定規(guī)則焊接上測量電極矩陣,在被測管道的外壁上添加一塊參考板，該參考板與被測管道外壁之間填充有絕緣材料。參考板的材質(zhì)與被測對象的材質(zhì)相同，參考板上布置參考電極，用于消除電流涌動、溫度變化以及背景噪聲等對測量造成的影響；然后再接上激勵電流電纜，測量電極上接上測量電纜。

圖3 實(shí)際埋地電場指紋系統(tǒng)

由圖3可以看出，軸向上的兩個相鄰測量電極構(gòu)成一個測量電極對，每一個測量電極所對應(yīng)的被測金屬區(qū)域可以等效成一個電阻。電場指紋的本質(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，管道的壁厚減小，即在測量電極矩陣確定的情況下，等效電阻的長(L)和寬(W)不會發(fā)生改變，只有等效電阻的厚度(T)會發(fā)生改變，等效電阻的電阻值會增加。

電場指紋在安裝完成之后，將最初測得的電壓值作為原始電壓，安裝時測得的壁厚作為原始壁厚。在電場指紋儀運(yùn)行過程中，測得的電壓與原始電壓作比較，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。

2.3 國產(chǎn)電場指紋技術(shù)及現(xiàn)場實(shí)施

2.3.1 集輸管道國產(chǎn)電場指紋技術(shù)的實(shí)施

為了實(shí)時掌控維修更換后管道壁厚和腐蝕速率，及時預(yù)警管道壁厚而產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，有必要加強(qiáng)管道壁厚和腐蝕速率的實(shí)時壁厚和腐蝕監(jiān)測，且不能影響智能管道內(nèi)檢測器或者清管器的運(yùn)行。因此選取一段需要維修更換的管道間的兩處觀察井作為國產(chǎn)電場指紋設(shè)備安裝位置。

(1)國產(chǎn)電場指紋技術(shù)概況

試驗(yàn)管道間共設(shè)置2處觀察井，其中1號觀察井的管道基本參數(shù)及腐蝕監(jiān)測方式見表1、監(jiān)測部位探針布置如圖4所示[4]。順流體流動方向，沿周向順時針方向?qū)?4個探針均勻布置在管道圓周上。

圖4 探針布置三維模型

(2)原始壁厚檢測

試驗(yàn)管道1號觀察井監(jiān)測區(qū)域內(nèi)管道原始壁厚。在焊接完畢將矩陣電極后，電氣連接前，對相鄰四個電極之間的管道表面壁厚采用超聲波測厚，測得的管道壁厚。

圖5是1號觀察井管道監(jiān)測部位管道原始壁厚圖，其中Y軸為周向原始壁厚數(shù)據(jù)，X軸為軸向原始壁厚數(shù)據(jù)。

圖5 監(jiān)測部位管道原始壁厚

2.3.2 電場指紋系統(tǒng)的國產(chǎn)化改造

針對某集氣站的進(jìn)口電場指紋系統(tǒng)故障，開展國產(chǎn)化改造。更換了電流激勵模塊和電壓采集模塊。見圖6(1為激勵電流模塊，2為電壓采集模塊)。改進(jìn)后的電流激勵模塊輸出電壓只有 2.2 V，激勵電流幅值30 A，激勵電流模塊的發(fā)熱量只有66 W，遠(yuǎn)低于之前的360 W，而且激勵電流模塊中還進(jìn)行了良好的散熱處理，激勵電流模塊的工作溫度處于較低的范圍見圖7，遠(yuǎn)小于工業(yè)元器件的工作溫度上限(85 ℃)。改進(jìn)之后的激勵電流模塊解決了進(jìn)口電場指紋激勵電流模塊發(fā)熱量大、溫度高及壽命短的問題。

改進(jìn)后的電壓采集模塊采用了雙向激勵來消除漂移問題。電壓采集模塊中的核心放大器采用了儀表放大器。由于被測管道軸向上的兩個相鄰的測量電極構(gòu)成一對測量電極對，因此選取任意一對測量電極作為分析對象，討論放大電路模塊的設(shè)計(jì)要求。圖8是改造后電場指紋系統(tǒng)測得的壁厚損失曲線。

圖6 改進(jìn)后的電場指紋系統(tǒng)儀表箱

圖7 國產(chǎn)激勵電流模塊的工作溫度

圖8 管道壁厚損失變化曲線

由圖8可知，故障電場指紋系統(tǒng)經(jīng)改進(jìn)之后，測量得到的壁厚損失曲線呈單調(diào)上升趨勢，克服了系統(tǒng)漂移問題。

2.4 國產(chǎn)電場指紋數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

2.4.1 電場指紋監(jiān)測結(jié)果

(1)管道剩余壁厚

圖9為1號觀察井管道監(jiān)測部位剩余壁厚，圖10為1號觀察井管道腐蝕深度。其中Y軸為周向原始壁厚數(shù)據(jù)，X軸為軸向原始壁厚數(shù)據(jù)。

結(jié)果顯示管道壁厚偏差符合GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送用鋼管》的規(guī)定。各個時期管道腐蝕程度各不相同，但在1號觀察井位置，管道中下部首先腐蝕且沿管道軸向發(fā)展。

(2)國產(chǎn)電場指紋監(jiān)測的腐蝕最大位置及損失厚度變化

表1和表2分別為1號觀察井和2號觀察井監(jiān)測的5個腐蝕最大位置及腐蝕深度。不同時期的最大腐蝕部位具有隨機(jī)性，但不管隨機(jī)性如何變化，管道中下部腐蝕趨勢優(yōu)先發(fā)展，與常規(guī)的介入式點(diǎn)腐蝕監(jiān)測技術(shù)相比，國產(chǎn)電場指紋具有在監(jiān)測腐蝕速率的同時，監(jiān)測管道剩余壁厚和腐蝕部位定位的優(yōu)點(diǎn)。

圖9 1號觀察井管道的剩余壁厚

圖10 1號觀察井管道的腐蝕深度

檢測點(diǎn)編號P11-4P7-3P9-4P7-4P11-3原始厚度/mm9.8510.0510.0510.149.95腐蝕深度/mm0.0220.0220.0200.0200.018剩余厚度/mm9.82810.02810.03010.1209.932

注：Pa-b對應(yīng)監(jiān)測位置為Y=a，X=b

表2 2號觀察井腐蝕部位編號及腐蝕深度

注：Pa-b對應(yīng)監(jiān)測位置為Y=a，X=b

2.4.2 電場指紋與超聲波監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測結(jié)果的對比

超聲波檢測和電場指紋監(jiān)測的結(jié)果對比見表3。偏差結(jié)果是以超聲波測厚數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，按照以下公式計(jì)算：

(2)

式中：δ為偏差，%；t1為電場指紋監(jiān)測的壁厚,mm；t0為超聲波檢測的壁厚,mm。

結(jié)果顯示電場指紋測量數(shù)據(jù)與超聲波測量數(shù)據(jù)偏差在±1%以內(nèi)，說明電場指紋技術(shù)具有很好的精度和可靠性。

表3 管道剩余壁厚

3 結(jié) 論

(1)監(jiān)測結(jié)果顯示，國產(chǎn)化電場指紋監(jiān)測系統(tǒng)安裝部位測得的腐蝕數(shù)據(jù)平穩(wěn)可靠，與前期監(jiān)測數(shù)據(jù)一致。

(2)經(jīng)過1 a的運(yùn)行，國產(chǎn)電場指紋監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和信號分析正常，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

(3)對比在線超聲波檢測和電場指紋監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)果表明偏差控制在±1%以內(nèi)。