管道腐蝕及振動無線監測系統設計

肖艷平，劉 方，付佳豪，李書航，詹良斌

（1.蘇州道森鉆采設備股份有限公司，江蘇蘇州 215000；2.長江大學機械結構強度與振動研究所，湖北荊州 434023）

0 引言

根據相關研究結果，截至2022 年底，我國長輸油氣管網總里程約18 萬公里，其中原油管道2.8 萬公里、成品油管道3.2 萬公里、天然氣管道12 萬公里。管道運輸在油氣田開采中發揮著重要作用[1-2]，但是在實際工作中不可避免地存在一些破壞性因素，例如腐蝕性物質、電化學反應、管材應力等，導致管壁的腐蝕[3-6]。管道腐蝕會造成直接或間接損失，嚴重時可能造成重大事故，危及人身安全。因此，對于管道腐蝕情況的監測尤為重要。

目前，國外知名管道檢測公司已經研發了成熟的壓電超聲管道腐蝕監測技術，并已廣泛應用于各種在役管道的腐蝕檢測[7-11]。我國石油天然氣管道工業自20世紀70 年代以來有很大發展，管道安全問題也越來越引起有關部門的重視[11]。20 世紀80 年代以來，我國也開始管道監測儀器的研制開發工作，取得了一些成果，但與國外先進的檢測設備仍存在較大差距，在油氣管道使用過程中亟需可以穩定、及時地獲取管道溫度、厚度、腐蝕速率以及腐蝕趨勢等參數的監測系統，提高管匯系統運行的可靠性和安全性[12-14]。

針對上述需求，本文設計了一種管道腐蝕及振動無線監測系統，通過安裝在管壁上的腐蝕檢測儀來檢測管道腐蝕狀況，然后將數據上傳到無線中繼器和無線網關，最后上傳到云平臺。相比傳統的監測方法，該監測系統更加便捷，無需維護人員現場檢查，通過手機、電腦等終端就能夠實現實時監控，具有較高的實用價值。

1 監測原理

監測系統使用的無線傳感器是安裝在待測管壁上的非侵入式超聲波傳感器，該傳感器使用了先進的信號處理技術，從而達到實時、高效的監測效果。監測原理為：超聲波傳感器發射端通過壓電晶片產生超聲波，并向管道內發射，接收端通過壓電晶片接收反射回來的超聲波，并將其轉換為電信號，并通過計算轉換為管壁厚度，可以快速、準確地判定管壁的腐蝕狀態（圖1）。

圖1 監測原理

2 監測系統設計

為滿足現場對于管道腐蝕監測的需求，利用由無線傳感器、無線路由器、無線網關組成的Theta WSN（Wireless Sensor Network，無線傳感網絡），設計出無線監測系統，解決了監測精度低、參數不全、現場監測不便捷等問題。

2.1 總體方案

針對管道監測技術的需求，提出包含基礎管道全面監測的完整解決方案。總體方案主要由無線傳感器、無線路由器、無線網關組成的Theta WSN 和云平臺組成。無線傳感器通過無線傳感網絡將傳輸數據到無線網關，無線網關通過4G 通信或以太網將腐蝕監測數據上傳至云平臺監測系統。總體方案設計如圖2 所示。

圖2 總體方案設計

2.2 電子系統

電子系統由無線傳感器、無線中繼器、無線網關、云平臺4 個部分組成（圖3）。

圖3 電子系統設計

其中，無線傳感器包括無線螺栓預緊力傳感器、無線螺栓松動傳感器、無線腐蝕傳感器、無線振動溫度傳感器、無線壓力溫度傳感器、無線傾角傳感器等，主要由外殼、超聲波傳感器以及信號發射裝置組成。無線傳感器在安裝方面無連線，監測儀通過粘接、夾具、焊接等方式固定。不需破壞管道原有結構性能，也不需停工安裝維護。在數據傳輸方面，采用2.4 GHz 無線傳感網絡，支持遠程喚醒。在功耗方面，功耗低至微瓦級。內置電池，可支持10 年以上正常使用。在耐久方面，堅固耐用，防水、防塵、防振、耐腐蝕、本安型防爆，適用于惡劣的工業環境，并且可以實現遠程監控，隨時隨地獲取信息，自動報警，免維護，支持藍牙連接，可以通過手機直連進行點檢。

無線中繼器是無線傳感網絡的中間節點，可以較大地擴展無線傳感網絡的覆蓋范圍。無線中繼器提供63 個無線傳感網絡信號中繼和路由連接，支持2.4 GHz 無線傳感網絡，超低功耗，使用鋰亞電池，防水防塵等級為IP67，使用溫度范圍為-40～85 ℃，安裝方式為螺栓/綁帶，具體尺寸如圖4 所示。

圖4 無線中繼器尺寸

無線網關是Theta WSN 的核心設備，用于協調并管理Theta WSN中的各個設備，連接并管理無線傳感器。網關接收傳感數據并傳送至云端，接收云端用戶指令并傳送到相應的傳感器，同時實現無線傳感網絡與其他網絡之間的協議轉換。無線網關支持以太網、WiFi、RS485、4G、LoRa 等多種網絡接口連接互聯網。外觀方面采用工業化設計，防水、防塵、耐腐蝕、抗沖擊，適用于在惡劣的工業環境中長時間運行。無線網關可以連接、管理63 個無線傳感網絡，實現無線傳感網絡與互聯網之間的協議轉換，支持2.4 GHz 無線傳感網絡和4G 通信，電源電壓DC 12～24 V，功耗5 W，防水防塵等級為IP67，使用溫度范圍-40～85 ℃，安裝方式為螺栓，具體尺寸如圖5 所示。

圖5 無線網關尺寸

云監控平臺使用了物聯網和云計算技術，能夠遠程管理傳感器設備和資產，并實現數據的采集、分析、預警、云端存儲及可視化等功能。用戶可以通過手機、平板、電腦等終端，實時了解設備的運行狀態，及時獲取預警信息，并能夠遠程操控設備。平臺利用了云端的計算能力，能夠對海量的傳感數據進行AI 智能分析，為實現長期監控提供了技術支持。

2.3 監測方案結構

無線腐蝕傳感器主要選用DC110/DC210 兩種型號（圖6）。DC110 型無線腐蝕傳感器體積小、重量輕，可通過粘接的方式直接安裝在管道的外壁，適用于常溫管道。DC210 型無線腐蝕傳感器采用獨特的雙導波桿隔離被測管道高（低）溫區，導波桿長度40 cm 時可用于監測超高（600 °C）或超低（-200 °C）溫度的管道。

圖6 無線腐蝕傳感器DC110/DC210

管道上的無線腐蝕傳感器連接到安裝在現場的無線路由器，無線路由器傳輸數據到安裝于監測區域的無線網關，無線網關再通過4G 通信將數據上傳至云平臺。

3 監測性能測試

為驗證無線監測系統的可行性和合理性，對管道主要指標進行性能測試，指標包括管道厚度、振動、承載數據以及溫度等。

3.1 現場試驗安裝

將無線傳感器DC110 通過粘接的方式安裝在管道的外壁進行現場測試（圖7）。

圖7 無線傳感器DC110 現場安裝

3.2 管道厚度數據測試

管道腐蝕及振動無線監測系統可對不同規格管道的外徑、內徑、壁厚等數據進行監測，且采用了專業的溫度補償算法，保證其在溫度變化較大工況下的測量精度。常溫和高溫環境下的測厚精度在±0.02 mm 以內，超高低溫環境下的測厚精度在±0.1 mm 以內。檢測結果表明，其測量精度可以滿足現場使用需求。

3.3 管道承載數據測試

管道腐蝕及振動無線監測系統可通過監測管內的壓力及流速來判斷管道的腐蝕情況，精度達到了0.001 mm（表1）。表1 為同一時刻1～4 號井管道的承載數據，數據顯示1～4 號井工作在安全范圍內。基于現場測試，證明該系統滿足對管道承載監測的要求。

表1 管道承載數據

3.4 管道振動和溫度數據測試

本文使用的溫度傳感器為SVT 系列無線振動溫度傳感器，該傳感器是專為設備狀態監測和故障診斷設計的溫振一體的工業級傳感器。用戶可以遠程監控設備的振動和溫度參數，實時監測設備運行狀態，保障設備的安全運行，避免非計劃停機，降低運維成本。1～4 號井管道的振動和溫度數據見表2，振動曲線見圖8，監測到的數據和現場實際測量情況相符合，證明該無線監測系統滿足設計指標要求。

表2 管道振動和溫度數據

圖8 管道振動曲線

4 結束語

現場測試證明，管道腐蝕及振動無線監測系統總體方案、電子系統方案、監控結構方案，均滿足設計要求，具有傳輸信號快、傳輸范圍廣、數據精度高等特點，解決了管道人工測量難度大的難題。云平臺監測系統提供基于標準協議的API 接口，支持二次開發，可以與第三方系統進行對接。用戶可通過手機、平板、計算機等終端，實時掌握管道腐蝕的狀態，及時獲取預警信息，并可以對設備進行遠程操控，功能豐富。使用管道腐蝕及振動無線監測系統實現了對管道腐蝕和振動的實時監測，經現場測試，監測數據精度符合現場的需求，具有較高實用價值。