基于EMAT的在線壁厚監測系統在海上平臺的應用

馮立衛，陳偉杰

［中海石油（中國）有限公司蓬勃作業公司，天津 300452］

腐蝕是海上平臺設施及油氣集輸系統運行中面臨的一個重大、潛在風險，對生產系統進行定期的腐蝕與防護監測，是保障安全生產的一個重要和必要的措施。通過對生產系統管線、設備進行腐蝕監檢測和腐蝕評估，提出腐蝕防護、維修的計劃方案，并對腐蝕防護、修復的過程進行跟蹤、評估和優化，能夠有效地保證安全生產。由于管線流體中含有H2S、CO2等腐蝕性氣體嚴重影響管道內腐蝕，其作為影響管道安全運營的重要因素，已經成為海洋石油工業安全作業最關注的問題之一。及時有效地監測管道因腐蝕造成的壁厚減薄程度，可以及時地對管道進行維護，延長其使用壽命，同時大幅減少因管道腐蝕而發生的安全事故，降低不必要的經濟損失。圖1與圖2為某海上油田腐蝕監測信息。

圖1 點位腐蝕程度分類

圖2 不同流體系統腐蝕程度

目前腐蝕監測主要依靠防腐掛片，便攜式超聲波測厚，海管內腐蝕檢測。

依靠定期檢驗腐蝕掛片，來確定腐蝕速率，掌握管線內腐蝕情況是常用的手段之一。但是其檢測周期長，檢驗點固定，每次檢驗不能覆蓋全部掛片，且對沒有安裝掛片的管線腐蝕不能進行有效的監測。另外，當腐蝕掛片密封受損時，沒有停產機會是無法進行檢驗和更換的。圖3是某海上油田管線內腐蝕掛片監測情況。

圖3 腐蝕掛片監測情況

便攜式超聲波測厚儀，可以對生產設備中各種管道和壓力容器進行壁厚測量，監測受腐蝕后的減薄程度[2]，但受到人員操作習慣以及溫度、耦合劑、管道涂層等的影響，測厚結果具有一定的隨機性，也不能及時反映重點監測區域壁厚減薄的情況，采集壁厚需要依靠現場人工作業，同一個位置不同作業人員測出來就會有差異，很難原位比較每次測量的位置都可能有偏差，對應的數據也很可能不同。另外對一些人員不易到達的位置，需要浪費大量人力物力來支持壁厚檢測。

海管內腐蝕檢測主要依靠智能清管球作業，通過電子幾何檢測以及漏磁檢測采集管道數據，進行管道內檢測。除獲取基礎管線幾何數據，如里程、管節、焊縫、彎頭半徑等外，幾何檢測還對如下缺陷進行識別和測量：凹陷、橢圓變形、最小彎頭半徑以及最小內徑等，并對漏磁或超聲智能檢測器的通球可行性，提供數據支持。漏磁檢測器通過強磁鐵產生高磁通量通過管壁，遇到管壁中的金屬損失點、材質變化等傳感器會接收到磁通量的變化，可以檢測管道內外腐蝕、環焊縫缺陷、管道金屬外接物、管道材質硬疤等缺陷。

電磁超聲監測技術是無損檢測領域新興的技術，可以實現在線壁厚監測。與傳統的超聲檢測技術相比，它具有精度高、不需要耦合劑、非接觸、適于高溫檢測以及容易激發各種超聲波形等優點。

1 基本原理

電磁超聲檢測技術（Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT）激發和接收超聲波的先進無損檢測方法。勵磁器、線圈和待檢件是構成EMAT 的三個重要組成部件。其中，勵磁器提供外加磁場，可以采用永磁鐵或電磁鐵。永磁鐵體積較?。浑姶盆F去磁速度較快，一般分為直流電磁鐵和交流電磁鐵。線圈內加載高頻交流電，用以在待檢件中產生渦電流[1]。

EMAT能夠通過線圈激發和接收超聲波信號，同時線圈可以產生漏磁和渦流信號，通過一個傳感器可以同時獨立發射3種信號，綜合分析后可以更好地得出腐蝕的尺寸和缺陷的特點。

電磁超聲探頭由永磁鐵和線圈兩部分組成。當被測物體接近探頭時會受到兩種磁場的交互作用，洛倫茲力和磁致伸縮效應使被測物體材料自身產生超聲波。電磁超聲的超聲波通過被測金屬本身激發產生，超聲波從被測金屬表面傳遞到管壁另一端回彈信號，再次經過金屬表面轉換為電磁信號被探頭獲取，得到壁厚值。因此電磁超聲監測探頭不需要與管壁進行耦合，甚至可以不發生接觸，可以用于壁厚長期實時在線監測。圖4顯示壓電超聲波與電磁超聲波測厚對比。

圖4 壓電超聲波測厚與電磁超聲波測厚對比

2 系統概述

Q/TNOV TIM-2019電磁超聲壁厚監測系統由探頭、主機、光電復合纜、終端盒和服務器（配套鍵鼠和顯示器）組成，探頭和主機安裝在監測區，終端盒和服務器安裝在設備間，光電復合纜由主機端連接至終端盒。圖5是電磁超聲壁厚監測系統整體構成。操作軟件安裝在服務器中，可在本地使用，也可以通過局域網內訪問使用。在線超聲波EMAT系統探頭（圖5中①）、主機（圖5中②）和光電復合纜（圖5中③）是不可拆卸的固定連接方式。

圖5 整體系統構成圖

3 系統安裝調試

3.1 該系統安裝簡便

傳感探頭安裝在指定的管道監測區，安裝之前，要用壓電超聲波測厚儀進行初始壁厚的采集，探頭通過磁吸安裝在管道表面并通過不銹鋼綁帶緊固在管道上（如果管道表面是PE層，厚度大于3.5mm，需要輕微磨至3.5mm以下），探頭與管道接觸面積為50mm×60mm，高度為85mm，感應區為15mm×20mm。

傳感主機與探頭之間的連接線長度為1.5m，因此傳感主機需安裝在探頭附近1.5m的支架，傳感主機的朝向不受限制。

服務器、顯示器和終端盒安裝在監控室內，供電電源為220V。光電復合纜的插頭分別插在終端盒的光口和電口上，服務器網口A與終端盒網口相連。

3.2 該系統使用快捷

服務器開啟后，打開http://10.168.1.128:48000/index.html即可進行系統登錄，系統分為管理員賬戶和普通賬戶，方便分級管理。

管理員賬戶，可使用“首頁、主機設置、監測設置和數據計”四個模塊，供主管人員調整設置使用。普通賬戶，可使用“首頁和數據統計”兩個模塊，日常運行時采用此用戶，避免被無關人員誤操作。

3.3 該系統調試方便

使用前，只需在設置中添加主機，填寫主機ID和探頭數，在監測設置中添加監測區。

監測區可以設置：名稱、所屬主機ID、監測周期、設計壁厚、最小允許壁厚、操作溫度、操作壓力、材質、介質類型、管道直徑、投用時間、圖片（≤1M，可上傳監測區圖片并將監測點移動到對應位置）。

監測點可以設置：監測點名稱、所屬探頭ID、聲速設定、初始壁厚、監測點簡稱。

上述兩項參數設置完成后，即可為終端盒接通電源，系統運行。首頁顯示壁厚柱狀圖、報警數、異常數和總體數據量的統計。

3.4 該系統具有可追溯性

在數據統計界面，可查看系統的監測整體情況，包括數據量、最新監測時間、報警數，報警記錄，下屬監測區的壁厚、腐蝕速率和剩余壽命等。

監測區可查看更加具體的數據圖表。支持報警信息、監測數據查詢，可以導出Excel版報表，包括監測區的信息、報警日志和數據曲線。

4 系統應用

TiM 電磁超聲壁厚監測系統此次是在渤海某油田首次應用，選擇安裝在壁厚減薄嚴重的海管彎頭處，系統投用以來，一直平穩運行。圖6是超聲壁厚監測系統監測點趨勢圖。

圖6 監測點曲線

5 推廣前景

超聲探傷的發展趨勢和應用前景是提高缺陷定量準確度和檢測速度，實現自動化檢測和控制。擴大超聲成像法和電磁超聲法的應用。解決高溫探傷和測厚問題和極薄層測厚問題。

由于超聲波產生于被測物體自身，因此不必像常規壓電超聲測厚探頭需要耦合，不受表面狀態影響，甚至可以不需要與材料表面接觸。在線壁厚超聲波技術EMAT系統具有無須耦合劑、非接觸、耐高溫、實時監測等特點，測量厚度精確、快速，此技術手段具有廣泛的應用前景。

電磁超聲壁厚監測系統，適用于壁厚異常的重要設施或者難于作業的空間內設施（如舷外管線、高空管線等）的長期監測。主要優勢如下：

廣泛適用于工業常見的鐵磁性金屬材料；無須耦合劑，可非接觸測量，可穿透涂層測量；測量表面要求低，無須打磨處理；適用于管徑DN50至平面，壁厚3~50mm；壁厚測量精度±0.012 5mm；可自動計算腐蝕速率和剩余壽命；監測周期可根據需求自定義；防爆設計，在油氣環境內安全可靠；安裝便利，免維護。