段汝嬌張 勇何仁洋張中放孫 明祁永剛周衛(wèi)軍錢昕磊張 瑤李月霄

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029)

(2.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司 庫爾勒 841000)

油氣管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

段汝嬌1張 勇2何仁洋1張中放2孫 明1祁永剛1周衛(wèi)軍2錢昕磊2張 瑤2李月霄2

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029)

(2.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司 庫爾勒 841000)

為實現(xiàn)油氣管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測結(jié)果可視化，設(shè)計開發(fā)了基于FSM（field signature method）技術(shù)的油氣管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測系統(tǒng)軟件，分別搭建了FSM數(shù)據(jù)采集軟件框架和FSM數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件框架，通過上位機對采集數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)了對油氣管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測數(shù)據(jù)的二維顯示和三維顯示，滿足了油氣管道腐蝕狀態(tài)監(jiān)測和診斷需求。

FSM 管道腐蝕監(jiān)測 軟件設(shè)計 狀態(tài)監(jiān)測

油氣管道內(nèi)腐蝕引發(fā)的事故往往具有隱蔽性和突發(fā)性,后果一般比較嚴(yán)重[1-4]。國內(nèi)外針對管道內(nèi)腐蝕提出多種監(jiān)測技術(shù),主要有兩種類型,一種為破壞式腐蝕監(jiān)測法,常用的有失重腐蝕掛片法、電阻探針法(ER)等,這種監(jiān)測方法以破壞管道本體完整性為代價,容易帶來新的安全隱患;另一種為非破壞式腐蝕監(jiān)測法,即基于FSM(field signature method)技術(shù)[3]的監(jiān)測方法,它是一種新型的監(jiān)測技術(shù),通過在管道外表面安裝電極實現(xiàn)對管道內(nèi)部腐蝕的監(jiān)測,能在不破壞管道本體完整性的前提下監(jiān)測管道內(nèi)腐蝕狀況。

目前,FSM技術(shù)被國外公司壟斷,油氣管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測儀器購置安裝費用高昂,且可借鑒的公開文獻(xiàn)技術(shù)資料有限,自行設(shè)計開發(fā)相關(guān)儀器設(shè)備意義重大[5-7]。油氣管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測設(shè)備由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成,軟件系統(tǒng)在監(jiān)測數(shù)據(jù)采集分析及可視化方面作用突出。

本文在前期完成系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上,搭建了內(nèi)腐蝕外監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件及客戶端軟件的功能框架,對軟件的主要功能模塊進(jìn)行分析和設(shè)計,開發(fā)了油氣管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測采集與數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)。經(jīng)試驗驗證取得較好效果。目前,該系統(tǒng)已應(yīng)用于新疆某油田管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)系統(tǒng)。

1 油氣管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測原理

基于FSM技術(shù)的油氣管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理如圖1所示[8-9]。在管段被監(jiān)測區(qū)域安裝電極矩陣,兩側(cè)加載恒定電流,當(dāng)有腐蝕存在時,會引起管壁電場分布的變化。通過分析管道外壁電極對采集到的電極間的電壓信號陣列,來判斷管道內(nèi)壁腐蝕缺陷的類型及程度,以達(dá)到監(jiān)測管道內(nèi)腐蝕的目的。

圖1 FSM原理示意圖

2 內(nèi)腐蝕外監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

FSM系統(tǒng)按功能,可以分為三大部分:電阻矩陣網(wǎng)絡(luò)及信號預(yù)處理電路、現(xiàn)場FSM數(shù)據(jù)采集箱以及安裝于PC機上的數(shù)據(jù)處理與分析軟件,如圖2所示:

圖2 內(nèi)腐蝕外監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

電阻矩陣網(wǎng)絡(luò)布置于管道被監(jiān)測部位。FSM數(shù)據(jù)采集箱完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和歷史數(shù)據(jù)的存儲,它與上位機通過以太網(wǎng)接口進(jìn)行通信。

上位機的數(shù)據(jù)處理與分析軟件則對實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,也對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回放和分析,以判斷管道的腐蝕現(xiàn)狀及趨勢,作為決策依據(jù)。

本文詳細(xì)闡述位于FSM數(shù)據(jù)采集箱及上位機的軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

3 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

FSM數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)是針對油氣管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測而設(shè)計的軟件,其架構(gòu)如圖3所示。該軟件分為兩個部分,一部分是安裝于數(shù)據(jù)采集終端的嵌入式軟件,該系統(tǒng)基于ARM開發(fā),主要進(jìn)行電壓、溫度等數(shù)據(jù)的采集;另一部分是安裝于PC機上的軟件,用于處理與分析客戶端采集的數(shù)據(jù),對油氣管道內(nèi)腐蝕狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。這兩部分通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接和通訊。

圖3 油氣管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測軟件系統(tǒng)架構(gòu)

4 FSM終端數(shù)據(jù)采集軟件

4.1 數(shù)據(jù)采集軟件總體框架

FSM數(shù)據(jù)采集軟件的主要功能是控制整個信號采集板按照設(shè)定的程序進(jìn)行采樣,包括:依次打開各模擬通道,啟動AD采樣,與PC機進(jìn)行通訊,獲取命令,并傳回采樣數(shù)據(jù)等,其總體架構(gòu)如圖4所示。

4.2 主要功能實現(xiàn)

●4.2.1 數(shù)據(jù)采集及存儲

根據(jù)實際需要,設(shè)備終端數(shù)據(jù)采集分為首次數(shù)據(jù)采集和例行數(shù)據(jù)采集兩部分。首次采集數(shù)據(jù)作為后續(xù)采集的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)值,來達(dá)到監(jiān)測管道是否有腐蝕發(fā)生的目的。其采集過程的流程圖如圖5所示:

圖4 數(shù)據(jù)采集軟件功能模塊

圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖

首次數(shù)據(jù)采集由PC端發(fā)送命令,客戶端接收到命令后判斷本地是否存儲有首次采集的數(shù)據(jù),如果有,則告訴PC端已有數(shù)據(jù)不需要再進(jìn)行采集;如果沒有,則客戶端進(jìn)行首次數(shù)據(jù)采集,保存在本地,并將數(shù)據(jù)傳送到PC端保存。首次采集數(shù)據(jù)只能在客戶端進(jìn)行刪除,PC端沒有權(quán)限進(jìn)行刪除操作。

后續(xù)的數(shù)據(jù)采集可以根據(jù)需要進(jìn)行定時采集或不定時采集。定時采集可以按照用戶設(shè)置進(jìn)行一次所有通道的電壓、溫度數(shù)據(jù)讀取并保存,如圖6所示。不定時采集是當(dāng)PC機端發(fā)來溫度或某通道電壓或電池電量采集命令的時候進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并返回數(shù)據(jù)到PC機端。PC端通過軟件可以獲取客戶端采集的數(shù)據(jù)文件,并通過校準(zhǔn)參數(shù)可以將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電阻值。

●4.2.2 網(wǎng)絡(luò)通訊

該軟件網(wǎng)絡(luò)通訊的過程是,客戶端作為服務(wù)器監(jiān)聽PC端的連接命令,當(dāng)PC端發(fā)起對客戶終端的連接命令后,雙方建立連接。

連接建立后所有的動作都是由PC端主動發(fā)起,客戶端響應(yīng)執(zhí)行。例如通訊測試,PC端發(fā)送“網(wǎng)絡(luò)測試”命令,客戶終端收到該命令后返回“網(wǎng)絡(luò)測試”, PC端收到返回信息后判斷,如果是“網(wǎng)絡(luò)測試”則通訊成功,不是則通訊失敗,客戶端的連接測試界面如圖7所示。

圖6 定時采集設(shè)置界面

圖7 連接測試界面

●4.2.3 文件存儲

客戶端文件存儲類型包括數(shù)據(jù)文件、日志文件以及客戶終端配置信息文件三種。

數(shù)據(jù)文件將客戶端定時采集的數(shù)據(jù)保存在本地的數(shù)據(jù)文件夾下,以時間命名,每個通道及溫度分別存儲為一個文本文檔。數(shù)據(jù)文件夾中存放的是首次采集數(shù)據(jù)文件及例行的采集數(shù)據(jù)文件,一個通道建立一個文件,每次采集在對應(yīng)通道文件中追加該次采集的數(shù)據(jù)信息。

日志文件實時記錄關(guān)鍵步驟的操作,一個月的日志存放在一個文件內(nèi)。

5 FSM數(shù)據(jù)分析處理軟件系統(tǒng)

5.1 數(shù)據(jù)分析處理軟件總體結(jié)構(gòu)

安裝于上位機的數(shù)據(jù)分析處理軟件主要功能是對客戶端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理及顯示,實現(xiàn)對管道內(nèi)腐蝕狀況的評估,同時,要具有對數(shù)據(jù)采集客戶端進(jìn)行控制、參數(shù)設(shè)置等功能。

根據(jù)上述需求,開發(fā)的數(shù)據(jù)分析處理軟件包括監(jiān)控終端管理、通道顯示、溫度顯示、電阻顯示、二維曲線顯示、三維曲面顯示、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、通訊測試、終端參數(shù)標(biāo)定、初始數(shù)據(jù)采集、登陸、終端參數(shù)設(shè)置、終端電池電量管理、數(shù)據(jù)庫管理、系統(tǒng)設(shè)置、運行日志、軟件及廠家信息等功能模塊。軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)分析處理軟件總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)分析處理軟件開發(fā)環(huán)境是Visual Studio 2008,開發(fā)語言選擇C#,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)選擇輕量級的mySQL,網(wǎng)絡(luò)傳輸通過用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行連接,可進(jìn)行命令、數(shù)據(jù)、文件的傳輸。

5.2 主要功能實現(xiàn)

●5.2.1 通道采集顯示模塊

該模塊用于實時采集客戶端通道數(shù)據(jù),即電極矩陣電極對之間的電壓值,并進(jìn)行直觀地顯示。以電極對的行和列對采集通道進(jìn)行命名,轉(zhuǎn)化成電阻的圖像形式顯示在界面上,點擊可以選中某一個通道并對該通道進(jìn)行電阻等信息的刷新顯示,如圖9所示。

圖9 通道顯示界面

上位機數(shù)據(jù)分析處理軟件通過網(wǎng)絡(luò)獲取當(dāng)前終端的信息,該模塊同時可以顯示原始數(shù)據(jù)、電阻值、校準(zhǔn)后電阻值、終端溫度等。同時,數(shù)據(jù)分析處理軟件可以實現(xiàn)對單個通道或全部通道的更新操作。

●5.2.2 曲線顯示模塊

FSM數(shù)據(jù)分析處理軟件可以將終端采集的電壓信息轉(zhuǎn)化成Fc值,并進(jìn)行二維顯示或三維顯示,達(dá)到直觀判斷管道腐蝕狀況的目的。

二維曲線顯示可以顯示實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù),顯示數(shù)據(jù)的類型可以選擇四種:原始數(shù)據(jù)、電阻值、校準(zhǔn)后的電阻相對值,以及金屬損失值(Metalloss)。具有修改更新數(shù)據(jù)的間隔時間,放大縮小圖像,通道選擇更新、鼠標(biāo)停留浮標(biāo)等功能,如圖10所示。

圖10 二維顯示界面

三維曲面顯示同樣可以顯示實時及歷史曲面,顯示信息為全通道某一時間的電阻信息或Fc值,可通過選擇時間來切換顯示的數(shù)據(jù),也可獲取實時數(shù)據(jù)并顯示。該三維圖可以通過視角、方位角來調(diào)節(jié)圖形顯示角度,顯示界面如圖11所示。

圖11 三維顯示界面

●5.2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

該模塊用于保存各個采集終端傳輸過來的數(shù)據(jù)信息。上位機數(shù)據(jù)分析處理軟件通過網(wǎng)絡(luò)通訊獲取終端設(shè)備的溫度、電壓數(shù)據(jù)(包括歷史數(shù)據(jù)及第一次采集數(shù)據(jù))、日志數(shù)據(jù)以及配置數(shù)據(jù)等,并保存于本地以終端號命名的文件夾內(nèi)。

上位機根據(jù)獲取終端的電壓及溫度原始值和鍵入的標(biāo)準(zhǔn)電壓及溫度值,計算得出校準(zhǔn)系數(shù),保存在上位機本地的數(shù)據(jù)庫中,并同時發(fā)送到終端保存。保存信息包括校準(zhǔn)時用的原始數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、計算出來的校準(zhǔn)系數(shù)及校準(zhǔn)時間。數(shù)據(jù)存儲模塊具有數(shù)據(jù)備份及恢復(fù)功能。

6 實驗驗證

為驗證本文所述軟件的監(jiān)測效果,設(shè)計并搭建了如圖12所示的實驗平臺,來模擬油氣管道中點蝕的監(jiān)測過程,經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研及實驗驗證,采用12%濃度的鹽酸作為腐蝕溶液,實驗平板材質(zhì)為Q235,板厚6mm。

圖12 實驗平臺

實驗對應(yīng)的腐蝕缺陷位置如圖12所示,黑色實心圓點代表電極位置,黑色陰影部分代表點蝕缺陷位置,分別研究了缺陷位于四個電極中心位置、電極背面和兩電極之間三種情況,對應(yīng)圖13中1、2、3三個缺陷位置。

將腐蝕數(shù)據(jù)導(dǎo)入開發(fā)的數(shù)據(jù)分析處理軟件中,腐蝕位置的監(jiān)測電壓曲線二維圖形如圖14所示。

從圖14可以看出,腐蝕位置監(jiān)測的電壓曲線隨時間緩慢上升,與實際腐蝕發(fā)生的過程一致。截取腐蝕實驗進(jìn)行第20天時的數(shù)據(jù),得到的腐蝕位置對應(yīng)的全通道場指紋系數(shù)三維圖形,如圖15所示。

圖13 腐蝕缺陷位置

圖14 腐蝕位置的監(jiān)測電壓曲線

圖15 全通道場指紋系數(shù)三維圖形

從圖14和圖15可以看出,本軟件可以準(zhǔn)確地反映實驗板的腐蝕程度和腐蝕位置,證明了該軟件系統(tǒng)的有效性,滿足設(shè)計需求。

目前,該設(shè)備已經(jīng)安裝于塔里木某油田埋地管道進(jìn)行試應(yīng)用,運行穩(wěn)定,監(jiān)測效果良好?，F(xiàn)場安裝情況如圖16所示。

圖16 現(xiàn)場安裝圖

7 結(jié)論

本文根據(jù)基于FSM技術(shù)的油氣管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測系統(tǒng)的功能,分別設(shè)計開發(fā)了安裝于采集終端的數(shù)據(jù)采集軟件和安裝在上位機端的數(shù)據(jù)處理分析軟件。通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的傳輸,實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到分析處理的全部過程,達(dá)到了油氣管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測的目的。軟件功能均可在指定命令下完成,證明該軟件系統(tǒng)滿足設(shè)計需求。實驗室腐蝕監(jiān)測試驗和現(xiàn)場實際應(yīng)用,證明了所開發(fā)軟件的有效性。

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Software Design and Realization of External Monitor System for Oil and Gas Pipeline Inner Corrosion

Duan Rujiao1Zhang Yong2He Renyang1Zhang Zhongfang2Sun Ming1Qi Yonggang1Zhou Weijun2Qian Xinlei2Zhang Yao2Li Yuexiao2
(1. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2. China National Petroleum Corporation Tarim Oil Field Company Korla 841000)

In order to realize the visualization of data processing and monitoring results of the inner corrosion external monitor system for oil and gas pipeline, the software was designed and developed based on the feld signature method (FSM), the FSM data acquisition software framework and FSM data analysis system software framework respectively was constructed. Through the analysis of data collected by host computer, the 2-D display and 3-D display of external monitor the inner corrosion data for oil and gas pipeline was realized, which meet the demand of condition monitoring and diagnosis for the oil and gas pipeline corrosion.

Field signature method Pipeline corrosion monitoring Software design Condition monitoring

X924

B

1673-257X(2017)08-0035-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.08.009

段汝嬌（1984～)，女，博士，工程師，從事壓力管道檢測及監(jiān)測方法研究工作。

段汝嬌，E-mail： duanrujiao@126．com。

2016-09-23）