油氣管道在線腐蝕監測技術的研究現狀及發展趨勢

＊宋積文 張亮 金曦

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油氣管道因腐蝕發生的泄漏和開裂而引發的安全事故時有發生，腐蝕防護和腐蝕監測越來越受到油氣行業關注并成為其重點工作內容。在線腐蝕監測為實時動態監測手段，能夠實時在線測量并遠程傳輸設備的腐蝕速率及相關參數，并通過系統軟件對監測數據進行大數據分析及圖表化展示，為智能管道建設提供感知層支持，為領導決策提供管理依據[1]。在線腐蝕監測技術可以分為侵入式直接監測和非侵入式的間接監測。電阻探針、電感探針、電化學探針以及電化學噪聲探針需要放入到管道內部進行監測，屬于侵入式直接監測方式。而非侵入式監測主要通過聲、電、熱等參數的監測來判斷管道腐蝕情況，主要包括：超聲波測厚、氫通量探針、電指紋、光纖腐蝕監測。

1.侵入式在線腐蝕監測

侵入式在線腐蝕監測是通過探針侵入到油氣管道內部，敏感元件與管道內部介質（油、氣、水等）直接接觸，來測量管道內部介質的腐蝕特性參數來反應管道的內腐蝕情況。侵入式探針能夠實時快速檢測管道腐蝕速率，但需要對管道進行動火開孔，操作相對復雜，本身破壞管道，且容易形成新的管道安全風險點。

(1)電阻探針

在線電阻探針，經過不斷的優化改進，借助物聯網及可視化展示，已經發展成為油氣企業應用非常普遍和成熟的腐蝕監測手段。電阻法常被稱為可自動測量的失重掛片法，當敏感元件（電極）接觸管道內腐蝕介質時，發生腐蝕反應，其厚度和截面積減少，電阻增加，通過電阻變化來測定腐蝕率。電阻探針根據敏感元件形狀的不同分為平面、圓柱及絲狀探針，如圖1所示，以適用不同的監測環境[2]。

電阻探針優勢在于不受腐蝕介質限制，在氣相、液相、導電或不導電的介質中均可使用。在石油化工、煤化工、核電行業、風電行業以及橋梁等行業都有應用。另外，電阻探針可以實現腐蝕監測的連續監測，監測過程中不必將探針取出；相對腐蝕掛片，相應速率大大提高，響應時間在1～20h不等；電阻數據可以實時傳輸，可實現遠程監測，便于后續的數據分析利用。電阻探針的局限在于以電阻來反應腐蝕速率，對電阻探針的加工精度要求高。且相對電感及線性極化探針的精度及相應時間都較低[3-5]。

(2)電感探針

在20世紀90年代，為了提高腐蝕監測精度，科研人員在電阻原理的基礎上，利用電感原理研發出了電感探針。隨后，美國Cortest公司將高精度的電感探針推向市場。通過檢測電磁場強度的變化來測試試樣腐蝕變化[6]。放入電磁線圈中的金屬導磁材料會影響交流通電線圈中的磁場強度，金屬試樣厚度變化就會靈敏反應到線圈電感量的變化。因此電感法相比電阻法，具有更高的測量精度（1～5nm）、對微小的腐蝕速率變化更為敏感。和電阻探針一樣，它適用于各種介質、響應快（響應時間小于10min）、抗干擾性強，所以近些年發展已經在很多場景下替代了部分電阻探針。特別是油氣管道重點腐蝕監測部位，一般都會選擇高精度腐蝕探針來進行實時監測。其不足之處在于價格相對電阻探針高。

(3)電化學探針

電化學探針也叫線性極化探針，是快速、高靈敏度的一種腐蝕速率測量技術。在溶液體系內，通過測量極化電阻Rp，估算比例系數B，來測量介質的腐蝕速率。腐蝕電流icorr等于極化常數B與極化電阻Rp的比值。由于需要測試電解質腐蝕體系極化電阻，因此該技術主要用于含水介質的腐蝕環境中，如循環冷卻裝置進出口等。電化學探針優勢在于監測靈敏度高（可以到納米級），響應速率快（幾分鐘），并且電化學探針是一種原位、無損的腐蝕監測技術。缺點在于只能應用于電解質腐蝕體系（主要是水系統），受電導率影響較大，很容易受到介質的污染，現場應用過程中監測數據不穩定。另外，成本較高，也是其應用受限的一種原因[1,4]。

以上三種在線腐蝕探針加上腐蝕掛片是現在油氣管道企業監測內腐蝕常用的技術手段，表1總結這四種監測手段各自特點適用于各種介質、響應快（響應時間小于10min）、抗干擾性強，正在快速發展。

表1 常用腐蝕監測技術總結

(4)電化學噪聲探針

電化學噪聲技術時通過檢測腐蝕發生引起腐蝕電位或電偶電流的微幅波動，來測量點蝕系數，計算初始點蝕及局部腐蝕趨勢。電化學噪聲分析主要包括頻域分析以及時域分析。時域分析主要是利用電位、電流噪聲標準偏差和孔蝕指數來評價腐蝕類型和腐蝕速率。朱培珂等研究了電化學噪聲技術對不銹鋼表面局部腐蝕監測；張中正[6]對國內外對金屬腐蝕電化學噪聲測量法的機理、分析方法及應用做了系統的介紹，張震等對電化學噪聲原位監測應力腐蝕開裂的研究現狀與進展進行了系統論述。

電化學噪聲技術是一種新興的腐蝕監測技術，具有以下優勢：首先，它是原位無損監測，不需要對被測電極施加可能改變腐蝕電極腐蝕過程的外界擾動；其次，無須提前構建待測體系的電極過程模型；然后，可以監測分析管道的局部腐蝕和點蝕，這是其他監測技術做不到的；最后，檢測設備簡單，并且可以實現遠距離監測。電化學噪聲技術是未來具有發展潛力的腐蝕監測應用技術之一。不過，對于電化學噪聲探針要得到可靠的測量結果，要求測量者足夠的細心。且數據具體分析及具體應用過程中的理論還需要進一步研究。

2.非侵入式

非侵入式在線腐蝕監測技術監測探頭安裝在管道外壁，探頭通過監測管道外壁相關的變化參數（壁厚、溫度、電阻、及滲氫量）來間接反應管道內腐蝕速率。非侵入式在線腐蝕監測技術最大的優勢就是不需要對管道進行開孔破壞。

(1)在線測厚

在線測厚，主要是利用超聲波測厚探頭，結合低功耗線路板設計和無線傳輸技術，實現遠程無損在線腐蝕監測技術。利用壁厚的減薄量來計算管壁的內腐蝕速率。是目前油氣管道較流行采用的一種設備壁厚或腐蝕速率監測手段。在線測厚技術原理明晰、設備結構簡單，相對電感探針價格便宜，無需插入管道，傳感器不受腐蝕，使用壽命長。對于相對粗糙管道內壁，會大大影響測量效果。腐蝕速率是間接計算得出，腐蝕速率響應時間慢，不能實時反映管道內腐蝕速率，不能用于緩蝕劑效果評價及優化工藝參數評價。從超聲波的激發類型上分為：壓電超聲在線測厚和電磁超聲在線測厚技術兩種[5]。

①壓電超聲在線測厚

壓電超聲在線測厚是目前應用較為廣泛的一種超聲測厚，在油氣管道有不少的應用案例。其原理為：利用壓電晶片換能器來產生超聲波，通過耦合劑（低溫下）或者波導干（可用于高溫）將超聲波傳入被測管壁，利用超聲后發射和接受的時間差和波速即可算出壁厚。

②電磁超聲測厚

電磁超聲測厚利用電磁耦合方法激勵和接收超聲波,無需耦合劑,對被測管道表面要求不高，不需要對粗糙的被測管壁表面進行打磨和去掉保護層。但相對于壓電超聲，電磁超聲換能器效率低，現場使用時信噪比低，精度容易受環境影響。高溫容易使磁鐵磁性降低，對于長期監測來說，使用溫度不能超過150℃。雖然，電磁超聲可實現非接觸測量，但最大提離高度不能超過6mm。

(2)氫通量探針

氫通量探針工作原理如圖2所示，對于含氫元素的管道，氫分子（原子）由于其粒徑小，可以通過管壁晶隙、位錯、缺陷等路徑滲出管壁，通過收集器將滲氫送入到檢測儀中，通過監測其中的氫含量來分析滲氫量，因此氫通量探針多以測試氫腐蝕為主。其主要應用于HF、H2S腐蝕、環烷酸腐蝕等酸性腐蝕環境中。由于其具有高的靈敏性，廣泛用于緩蝕劑的評價、普查和確定腐蝕風險部位、評估內保護層完整性等。

(3)電指紋(FSM)

FSM技術是將傳感針或電極呈矩陣式焊接在管道表面（探針間距一般為壁厚的2～3倍）如圖3所示，通過監測電極上采集電壓與初始值的變化來檢測由于腐蝕引起的金屬損失、脆裂和凹坑。矩陣分布電極可以進行大面積腐蝕監測分析，判斷凹坑和脆裂的位置和嚴重程度，計算腐蝕速率及趨勢，敏感性是剩余壁厚的0.1%。

由于其非插入式大面積監測的模式，其優點表面為：①沒有泄漏的危險，提高在硫化氫環境中的安全性，適用于困難的位置；②不需耗材（探針、掛片），不需取放工具；③可以大面積測量，能夠測量均勻腐蝕、局部腐蝕；④測量不受導電性硫化亞鐵膜的影響，適用于無線、在線測量。FSM技術也存在自身的不足：①監測時需要在管壁表面焊接矩陣電極，技術水平要求高，操作復雜；②監測操作及數據分析復雜，設備昂貴。目前FSM的設備、監測技術和數據解析技術仍被國外公司所壟斷。國內油氣田以及煉化廠使用時仍以從國外進口設備使用為主，不僅成本很高，而且后續的復雜數據解析還要依靠國外公司的技術服務[9]。

(4)光纖腐蝕在線監測

光纖傳感技術是最近新興的一種監測技術。管道腐蝕引起的變化可由管道外壁的周向多種參數反映，如管道腐蝕引起的管道壁厚變薄或腐蝕產生腐蝕裂紋。這個參數的變化都會引起管道周向應變的變化，這些變化都會被光纖傳感器感知用來評估管道的腐蝕狀況。其優點為光纖“傳”“感”合一，可以分布式安裝，覆蓋面積大。同時由于光纖具有抗電磁干擾、耐腐蝕、輕質量、高韌性、寬傳輸頻帶等特點，適合在高溫高壓的環境下工作。光纖需要在管道建設時期，和管道一起進行鋪設；另外光纖傳感器易受到外界干擾，容易產生大量錯誤信號。對于光纖腐蝕在線監測系統還需要后續大量的數據進行算法的優化調整[10]。

3.在線腐蝕監測技術智能化發展趨勢

油氣管道腐蝕監測技術智能化一定是未來發展的趨勢，本文介紹的不同在線腐蝕監測技術為智慧管網中最基礎層—數據感知層。后續不同監測數據的融合、共享及深度挖掘應用，來實現油氣管網管控一體化、監控預警集中化及決策分析智能化將是智慧管道建設的重點。