超聲波壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)在高酸氣田的應用

馬文明 張中意 尚曉培 張佳

1中國石化中原油田普光分公司采氣廠

2渤海鉆探工程有限公司華北石油工程事業(yè)部

普光氣田屬于高含硫氣田，集輸工藝采用濕氣混輸工藝，對集輸管道易造成腐蝕。為強化對集輸管線腐蝕速率的監(jiān)測，普光氣田采用人工壁厚檢測（勞動強度大）、電指紋（FSM）監(jiān)測系統(tǒng)（不適用于低洼等易積水部位）、腐蝕掛片（應用于集氣站）等手段對管線重點部位的腐蝕速率進行監(jiān)控；同時每3年對集輸管線進行一次智能檢測，即對管道的腐蝕狀況進行一次全面檢測。為克服上述監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足，進一步完善集輸管道腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，在集輸管道關鍵部位（如彎頭處、低洼易積液部位等）應用超聲波壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)對管線壁厚進行實時監(jiān)測，對集輸管道的低洼部位、沖刷部位的電化學腐蝕進行在線監(jiān)測[1-2]。本文通過對超聲波壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)在普光氣田的現(xiàn)場應用情況進行分析，對超聲波壁厚監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場應用效果做出有效評價，為酸性氣田集輸管道的防腐提供了必要的數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)原理

1.1 測厚原理

常規(guī)的超聲測厚采用發(fā)射-回波的方式，這種測量模式要求被測試件表面達到較高的表面粗糙度等級，漆層或類似涂層的存在會產(chǎn)生測量錯誤，其主要原因是聲波在漆層或涂層中的傳播速度較低（相對于在金屬相中的傳播速度而言），使壁厚測量值與實際值的誤差超過2 倍的漆層厚度[3]，如圖1所示。

圖1 發(fā)射-回波模式測厚原理Fig.1 Launch-echo mode thickness measurement principle

為了提高測量精度，降低超聲測厚（發(fā)射-回波模式）對被檢設備表面粗糙度等級的要求，本系統(tǒng)中采用超聲回波-回波模式測量管壁厚度。回波-回波模式測厚的原理如圖2所示。

圖2 回波-回波模式測厚原理Fig.2 Echo-echo mode thickness measurement principle

回波-回波測量壁厚主要是應用兩個相鄰底面回波間的時間間隔來表征計算金屬基體的壁厚，這個時間間隔代表了透過檢測材料的聲波的連續(xù)往返行程時間。在有涂層或者表面處理不夠好的被測設備中，這些多次回波只能發(fā)生在金屬中而不是涂層中，因此用任何一對回波的間隔（底面回波1 到2、底面回波2 到3 等），就可表征已去除涂層厚度后的金屬厚度。

超聲脈沖回波測厚是根據(jù)超聲脈沖反射原理來進行厚度測量的，當探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度[4]。

試件的厚度δ計算公式為

式中：t1為超聲波從物體外表面反射回來所用的時間，μs；t2為超聲波從物體內(nèi)表面反射回來的時間，μs；c為超聲波在被測物體中的傳播速度，mm/μs。

常溫條件下，進行管壁外側(cè)有涂層/無涂層測厚結(jié)果的對比研究，回波-回波模式下測得的時間是往返時間，超聲波在鋼鐵中傳播速度約為5.92 mm/μs，對比結(jié)果如表1所示。

表1 不同測量模式下壁厚測量時間對比Tab.1 Comparison of wall thickness measurement time with different measurement mode

由表1可知，在常溫下，發(fā)射-回波測量模式有涂層、無涂層測試時間差為1.1 μs，換算成測試厚度誤差為3.26 mm。而回波-回波測量模式能夠有效避免涂層對壁厚測量的影響，相對發(fā)射-回波測量模式，大大提高了壁厚測量的精度。

同時，為檢驗在不同環(huán)境下回波-回波測量模式的測量精確度，分別在低溫、常溫、高溫三種模式下進行壁厚檢測試驗，結(jié)果如表2所示。

表2 與傳統(tǒng)測厚解決方案的比較Tab.2 Comparison with traditional thickness measurement solutions

由表2 可知，回波-回波測量模式在低溫、常溫、高溫環(huán)境下，壁厚測量結(jié)果一致，不同環(huán)境下的測量誤差為0，說明此模式能夠適用于不同的測量環(huán)境。而傳統(tǒng)的發(fā)射-回波測量模式在低溫、常溫環(huán)境中的測量時間誤差為0.20 μs，厚度誤差為0.592 mm；在常溫、高溫環(huán)境中的測量時間誤差為0.40 μs，厚度誤差為1.184 mm；在低溫、高溫環(huán)境中的測量時間誤差為0.60 μs，厚度誤差為1.776 mm，適用性不強。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)

管道壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)包括超聲測厚傳感器、無線多通道超聲測厚傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡節(jié)點、GPRS遠程無線數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點通信模塊和腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件。超聲測厚傳感器用于測量管道的壁厚，無線多通道超聲傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測節(jié)點周期性地采集傳感器測量壁厚數(shù)據(jù)，GPRS 遠程無線模塊將壁厚數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點，開啟定期自動喚醒功能，完成壁厚數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送后，自動進入休眠狀態(tài)[5-7]。GPRS 遠程無線數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點通信模塊可實現(xiàn)自動接收現(xiàn)場無線傳感器的壁厚監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過通信線將數(shù)據(jù)傳輸至在線監(jiān)測系統(tǒng)，保存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)。匯聚節(jié)點與服務器通過串口相連，采用電源供電。腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要用于提供壁厚數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢及統(tǒng)計分析等功能，同時還具有事件報警功能，可針對設定的壁厚閾值、無線多通道超聲傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡節(jié)點電量閾值進行報警。

上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡分布式架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡分布式架構(gòu)Fig.3 Network distributed architecture

數(shù)據(jù)采集層是由分布在整個油氣集輸管道內(nèi)的信號采集子系統(tǒng)組成，各個采集子系統(tǒng)收集地理范圍分布較廣的標定管道位置的物理參數(shù)數(shù)據(jù)。各個采集子系統(tǒng)彼此獨立，通過無線方式，與唯一的采集匯聚節(jié)點建立連接，將實時數(shù)據(jù)上送服務中心。

數(shù)據(jù)處理層由數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和Internet 訪問展示子系統(tǒng)組成。計算存儲中心服務是本系統(tǒng)運行的核心。作為軟件架構(gòu)中承上啟下的部分，該服務維護與下位數(shù)據(jù)采集服務的連接；實時完成數(shù)據(jù)的處理，轉(zhuǎn)發(fā)需要保存的數(shù)據(jù)至Sql 數(shù)據(jù)庫；通過訂閱發(fā)布列表，動態(tài)推送數(shù)據(jù)至展示分析客戶端。從軟件部署上來說，存儲服務器也就是Sql Server 數(shù)據(jù)庫，可以部署在本中心服務所在計算機上，也可以部署在其他本局域網(wǎng)內(nèi)計算機上。存儲同時，中心服務還具備運行配置、用戶管理等輔助功能。Web發(fā)布服務是本系統(tǒng)對遠程互聯(lián)網(wǎng)用戶訪問的接口和數(shù)據(jù)源，其核心處理機制和架構(gòu)與配置計算中心服務類似。在不追求完全分布式服務器部署的情況下，可以選擇將Web發(fā)布服務和配置計算中心服務合并。

應用展示層可以部署在局域網(wǎng)內(nèi)的工程師站，或者部署在公網(wǎng)的Web工程師站。部署在局域網(wǎng)內(nèi)的工程師站上的是展示分析客戶端，部署在公網(wǎng)內(nèi)的Web工程師站上的是基于瀏覽器B/S架構(gòu)的展示客戶端控件。客戶端能夠提供整體展示、實時數(shù)據(jù)展示、歷史數(shù)據(jù)展示、報警操作、報表打印等功能。整個展示系統(tǒng)測控功能齊全，畫面、報表豐富多彩，方便現(xiàn)場操作人員使用和技術維護。

2 現(xiàn)場應用

2.1 調(diào)試安裝

在普光氣田的集輸管道安裝超聲波壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)進行現(xiàn)場應用試驗，選取集輸管道的6個重點部位進行安裝，其中閥室3處、管線低洼處觀察井1 處、管道彎頭2 處，超聲波壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝情況如表3 所示。每處安裝9 個超聲波探頭，分別分布在管道圓周的12 點、2 點、3 點、4 點、6 點、7 點、8 點、9 點、10 點鐘方向。超聲波探頭安裝示意圖如圖4所示。

表3 管道壁厚在線監(jiān)測位置分布點Tab.3 Online monitoring location distribution point of pipe wall thickness

圖4 超聲波探頭安裝示意圖Fig.4 Installation diagram of ultrasonic probe

現(xiàn)場安裝時將管道外防腐層拆掉，清除外壁上的發(fā)泡劑，將管道外壁清理平整，利用工業(yè)粘合劑將超聲波探頭固定在管道外壁上，并對管道拆除外防腐層位置進行防水處理，防止裸露部分被腐蝕。現(xiàn)場超聲波探頭安裝如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場安裝超聲波探頭Fig.4 Field installation of ultrasonic probe

2.2 系統(tǒng)運行

現(xiàn)場安裝超聲波探頭、GPRS 遠程無線數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點通信模塊后，系統(tǒng)可以實現(xiàn)定期采集管道壁厚數(shù)據(jù)，并通過無線電將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務器[8-9]，在網(wǎng)絡界面進行數(shù)據(jù)的查看及下載。

2018 年12 月，超聲波壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，系統(tǒng)運行至今未出現(xiàn)故障，設備完好率100%，采集數(shù)據(jù)傳輸正常。超聲波云端數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測界面如圖6所示。

為檢測超聲波壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準確性，每月對6處監(jiān)測部位的管道壁厚進行一次人工檢測（選取3、6、9 點鐘方向進行壁厚檢測），并將系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)和人工檢測的數(shù)據(jù)進行對比，以驗證超聲波壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)運行的準確性。

從表4可以看出，后河跨越1#線超聲波壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)1—6 月份采集的數(shù)據(jù)與人工檢測的壁厚數(shù)據(jù)吻合度很高，最大絕對誤差為0.83%，最小絕對誤差為0.07%；其中3 點鐘方向監(jiān)測數(shù)據(jù)平均誤差-0.29%，6 點鐘方向監(jiān)測數(shù)據(jù)平均誤差-0.02%，9點鐘方向監(jiān)測數(shù)據(jù)平均誤差0.12%。

從表5可以看出，后河跨越2#線超聲波壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)1—6 月份采集的數(shù)據(jù)與人工檢測的壁厚數(shù)據(jù)吻合度很高，最大絕對誤差為0.99%，最小絕對誤差0.01%；其中3 點鐘方向監(jiān)測數(shù)據(jù)平均誤差-0.26%，6點鐘方向監(jiān)測數(shù)據(jù)平均誤差-0.59%，9點鐘方向監(jiān)測數(shù)據(jù)平均誤差0.01%。

圖6 超聲波壁厚監(jiān)測系統(tǒng)云端顯示界面Fig.6 Cloud display interface of ultrasonic wall thickness monitoring system

表4 后河跨越1#線管線壁厚檢測數(shù)據(jù)對比Tab.4 Pipeline wall thickness detection data comparison of Houhe crossing 1#line

表5 后河跨越2#線管線壁厚檢測數(shù)據(jù)對比Tab.5 Pipeline wall thickness detection data comparison of Houhe crossing 2#line

其他4處監(jiān)測點的系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工檢測數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計表表6。

根據(jù)對比數(shù)據(jù)可知，超聲波壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)壁厚檢測數(shù)據(jù)與人工檢測數(shù)據(jù)吻合度很高，平均誤差均小于1%，說明超聲波壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)運行準確率較高，能夠完全適應現(xiàn)場的壁厚檢測環(huán)境，可為集輸管道的防腐工作提供重要的基礎數(shù)據(jù)[10]。

表6 監(jiān)測部位壁厚數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計Tab.6 Wall thickness data error statistics of monitoring part %

3 結(jié)論

（1）回波-回波式超聲波測厚模式具有測量精度高、環(huán)境適用性強，受管道表面涂層影響小的優(yōu)點。

（2）實現(xiàn)了管道壁厚的在線實時監(jiān)測，一方面能夠減少人工勞動強度，增強工作效率，另一方面能夠?qū)崿F(xiàn)管道壁厚連續(xù)不間斷監(jiān)測。

（3）超聲波壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)適用于酸性高含硫氣田，系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)準確率達到99%以上，能夠為集輸管道的防腐工作提供可靠的基礎數(shù)據(jù)。

（4）超聲波壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)采用無線電傳輸技術，采用云端控制顯示，數(shù)據(jù)采集方便，現(xiàn)場投入的成本低，對現(xiàn)場設備設施不產(chǎn)生任何影響，具有較高的推廣價值。