天然氣處理廠管道腐蝕在線監測技術應用效果評價

蘇 容，高立斌，劉 華，李曉方，史 亮，黃華波

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，陜西西安 710018）

管道腐蝕監測技術（Pipeline Corrosion Monitoring Technology，PCMT）是指管道腐蝕的實時在線檢測技術。了解系統腐蝕因素，壁厚監測數據是指導腐蝕工作的科學依據及評價腐蝕效果的有效手段。

腐蝕是石油石化行業工業設備、工業管道最為重要的失效退化原因之一，掌控了管線的腐蝕情況，就很大程度上控制了企業的生產風險。天然氣處理廠管線已運行十五年之久，隨著長時間使用，管線已逐步接近使用年限，材質不斷老化，同時受工藝參數變化及環境影響等因素，存在腐蝕形態多、腐蝕因素雜、腐蝕范圍廣等特點。以往國家對我國油氣管道的泄漏檢測手段主要為采取自動探測儀方法和人工現場巡檢等方法，人力消耗大，人為因素較大、重復性差、成本高。

對管道采用全天候監控的方法，實時在線監測油氣場站內關鍵管道的壁厚變化，實時掌握管道的服役狀態，能及時發現，及時采取處置措施，從而降低環境污染和經濟風險。不僅對油氣場站的生產安全具有重要意義，而且可以為建設蘇里格氣田的數字化、智能化管理奠定基礎。

其中在線超聲波在線監測系統技術正是由于它具有在線操作技術簡單、測量時間準確、穿透檢測能力比較強、測量對象范圍更廣等顯著優點，近年來，已日益成為國內在線超聲無損分析檢測過程中一種應用最為廣泛且是最接近成熟國家標準的超聲波檢測系統技術[1-5]。

1 超聲波壁厚檢測技術對比分析

超聲波壁厚檢測原理為：通過超聲探頭將超聲波打入待測工件內部，使超聲波在待測工件表面和底面發生折射、反射、散射等過程，所產生的超聲回波信號進入超聲波接收換能器，然后根據不同的測厚原理求得待測工件的厚度，同時可利用測厚原理將超聲波技術推廣到工業腐蝕檢測過程中，實現無損腐蝕檢測。

根據被測物體的物理特性、結構和測試環境的不同，選用不同的測厚方法，例如共振法測厚、脈沖反射法測厚、蘭姆波法測厚等。

1.1 共振法測厚

若可調頻率的超聲波垂直入射到兩平行端面的待測試件時，當試件厚度為半波長的n 倍時（n 為整數），反射波與入射波互相疊加產生共振。共振干涉法測量的厚度范圍主要集中在0.1～100 mm，測量精度很高，最小可達0.1%，要求被測物體的表面平行且光潔。不能直接讀數，使用不方便。

1.2 脈沖反射法測厚

超聲波在材料中傳播時遇到分界面會發生聲波反射、折射等現象，因而會在材料的表面和底面發生反射。若已知超聲波在該材料中的傳播聲速，可利用其在材料內的往返時間就可計算出材料的厚度。精度較低，可進行粗略測量。但對材料表面平整度要求不高，可測凹面、粗糙面、帶漆面材料的厚度，具有較強的適應性，因而在石油化工領域得到廣泛應用。

1.3 蘭姆波測厚

蘭姆波是一種板波，常用來測量工件厚度和識別裂紋缺陷等無損檢測功能。當超聲波以一定的頻率和角度入射時，板中就會產生蘭姆波。反過來可利用探頭的角度和頻率測量厚度。蘭姆波測厚適宜于薄工件，適合于測量小直徑薄壁管的厚度，但不適于本系統壁厚監測的要求。

共振干涉測厚和蘭姆波測厚雖然精度高，但測厚條件嚴苛，不適于惡劣環境下長期監測，脈沖反射法應用相對成熟，對被測材料要求整體不高，利于系統的集成。因而最終系統測厚方式選用脈沖反射法。

2 無線多通道超聲腐蝕在線監測系統

超聲波在線腐蝕自動監測系統主要部件由微處理器超聲波終端監測器單片機和終端上位機通訊總線兩部分模塊構成，實現了管道系統的超聲腐蝕全過程在線監測[6-10]。測量工作不受其他人為、空間環境等諸多外界因素制約，降低了生產成本，提高了無損測量的準確性。其中終端監測器系統主要功能具有定時發射、測量超聲波、回波以及信號自動處理、采集波形并定時上傳檢測數據信息等一系列功能[11-13]。基本參數上位機傳輸部分主要功能用于與系統遠程通信連接及測量數據遠程在線視頻監控采集等，將視頻測量分析結果遠程傳輸到系統上位機中進行分析，經對比分析并結合現場實際情況，選用超聲多回波測量技術與VPN/4G/5G 無線網絡構筑無線多通道超聲腐蝕在線監測系統。

2.1 超聲波多回波測量技術

通常采用發射-回波的超聲波脈沖反射法進行壁厚檢測（見圖1），計算發射波和首次回波的時間差，由于回波經過了基體、涂層和延遲塊，因此，要求被測部件表面粗糙度等級較高，漆層或涂層會產生測量錯誤，厚度值有超出2 倍漆層厚度的增加。

圖1 發射-回波模式測厚示意圖

超聲脈沖回波測厚是根據超聲脈沖反射原理進行壁厚測量，當探頭發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。

采用超聲回波-回波模式測量厚度，應用了在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。因此任何一對回波的間隔，就代表了已去除涂層厚度后的金屬厚度，可有效提高測量精度。其原理（見圖2）。

圖2 回波-回波模式測厚示意圖

式中：t1-超聲波從物體外表面反射回來消耗時間；t2-超聲波從物體內表面反射回來消耗時間；c-被測物體中的聲速；δ-厚度；Δt-時差。

通過對比（見表1），回波-回波超聲檢測方法具有無需打磨涂層、無需校準、重復性、可靠性高等特點，可應用在天然氣處理廠開展管道壁厚無損檢測。

表1 傳統超聲測厚與回波-回波超聲測厚技術對比分析

2.2 超聲腐蝕在線監測系統架構

采用簡化的三層網絡架構，第一層是由無線多通道超聲傳感器網絡構成的壁厚數據采集層；第二層是由中繼節點和匯聚節點構成的數據傳輸網絡，根據傳輸條件的不同可以合并中繼節點和匯聚節點，組建更為扁平化的數據傳輸網絡；第三層是遠程在線監測系統，可在網絡內實現數據的遠程訪問。

系統的主要構成如下：

（1）多通道超聲波傳感器：負責測量管道的壁厚。

（2）無線多通道超聲傳感器網絡監測節點：壁厚數據定期采集，根據需求設定采樣周期。同時，無線模塊將壁厚數據通過無線模塊發送到中繼或匯聚節點。

（3）中繼節點：接收來自無線多通道超聲傳感器網路監測節點發送的壁厚數據，并轉發至匯聚節點。

（4）匯聚節點：接收來自中繼節點轉發的壁厚數據，并通過串口發送到腐蝕在線監測系統，保存在數據庫內。

（5）腐蝕在線監測系統：具有瀏覽、查詢、統計、分析、時間報警等功能。

采用無線傳感器網絡技術，避免了現有監測系統布線施工復雜（電源線、數據傳輸線等）、擴展性差（增加、刪除和移動監測點難度大）、后期維護成本高的弊端。

2.3 現場應用設計

蘇里格某天然氣處理廠已累計運行14 年之久，根據多相流模擬及管道檢測結果，選取集氣區、裝置區、采出水單元等高壓易沖刷、介質成分復雜的失效風險位置，安裝9 處在線腐蝕監測點（見表2）。

表2 在線超聲檢測現場安裝部位統計表

現場安裝工序及步驟：

（1）管道開挖及表面預處理：將測點設計處的管道進行開挖并除銹打磨。

（2）安裝傳感器：采用黃油或硅脂作為耦合劑，將傳感探頭安裝至管道表面。

（3）安裝無線數據采集器：與傳感器相連；安置在距監測管道約1 m 處的保護樁內。

（4）補口防腐修復處理：采用STOPAQ 黏彈體防腐修復技術進行補口防腐處理。

3 效果評價

（1）在線壁厚檢測數據準確、穩定性好。自完成系統安裝、調試之后，截止目前，系統運行穩定，數據接收完整，傳輸穩定、準確。以S 1-4 復線進站干管近一月在線腐蝕監測壁厚數據為例，原設計壁厚為10 mm，經與手動測厚進行對比，超聲在線監測壁厚值準確、穩定可靠（見表3，表4）。

表3 S 1-4 復線在線監測數據統計

表4 S 1-4 復線人工手動檢測數據統計

（2）實現了在線監測，可及時掌握管道腐蝕情況。可實時對運行管道壁厚進行監測。采樣頻率及周期均可根據需要進行調節。實現了快速采集監測點數據，并實現終端存儲顯示；掌握監測管段一段時間內的腐蝕趨勢變化（見圖3）。

圖3 在線超聲檢測壁厚數據曲線圖

（3）形成了壁厚檢測數據庫，并可進行預測及提前告警。建立管道監測統一數據庫，對各個檢測點的實時壁厚檢測值、數據采集時間、檢測部位等進行記錄存儲，形成歷史曲線，實現了壁厚減薄趨勢預測功能、預警功能、報表功能，壁厚檢測實現數字化管理，提升了管道運行的安全性，同時進一步推進天然氣處理廠智能化建設。

（4）減少人員工作量，實現了減員增效。目前處理廠共有各類管道共計10.7 km，每月需對所有天然氣、排污管線彎頭、三通等腐蝕風險較高部位全面開展一次壁厚檢測。如全面實行壁厚在線監測后，將大幅減少人員工作量，實現減員增效。

4 結論與認識

天然氣處理廠通過應用無線多通道超聲腐蝕在線監測系統，實時監測管道壁厚，了解管道運行情況，及時發現腐蝕問題，保障了管道的安全高效運行。同時將處理廠主要的工藝參數如流量、溫度、壓力與管道壁厚損失變化之間建立關聯，優化工藝決策，實現了提前預警及告警機制，可超前預判及處置，提升了處理廠本質安全運行水平。建立了腐蝕監測網絡體系，實現單一工作與體系運作的有效整合，全面提升安全管理的“系統性、連續性、科學性”，同時為處理廠智能化建設奠定基礎。