張魯濱+魏建華+王秀+劉學(xué)軍

摘要：由于腐蝕帶來(lái)的嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡問(wèn)題日趨突出，腐蝕在線(xiàn)監(jiān)測(cè)受到了人們的廣泛關(guān)注。研究并實(shí)現(xiàn)了基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的腐蝕在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與壽命評(píng)估系統(tǒng)。系統(tǒng)以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用超聲波測(cè)厚技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了腐蝕在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，基于合于使用評(píng)價(jià)方法對(duì)設(shè)備剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，提高了設(shè)備的安全管理水平。

關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡(luò)；在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；壽命評(píng)估；測(cè)厚技術(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.171971

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：1672-7800（2018）001-0142-04

Abstract：Due to the serious economic losses and casualties caused by corrosion， the on-line monitoring of corrosion has been paid more and more attention. In this paper， an on-line corrosion monitoring and life assessment system based on sensor networks is presented. The system is based on the wireless sensor network， using the ultrasonic thickness measurement technology， realizes on-line corrosion monitoring， at the same time， to use the evaluation methods of residual life evaluation based on improving the safety management level of equipment.

Key Words：sensor network； online monitoring； life assessment； thickness measurement technology

0引言

腐蝕廣泛存在于石油、化工、冶金、輕工等工業(yè)部門(mén)。有資料顯示，因腐蝕造成的損失約占國(guó)民生產(chǎn)總值的1%～4%，腐蝕給人類(lèi)造成的危害和損失甚至超過(guò)了風(fēng)災(zāi)、火災(zāi)、水災(zāi)和地震等自然災(zāi)害的總和。特別是對(duì)于石油煉制和化學(xué)工業(yè)，其裝置不僅要承受溫度和壓力的作用，還要在腐蝕介質(zhì)條件下運(yùn)行，所以腐蝕狀況尤為嚴(yán)重，由腐蝕造成的損失也非常大[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，石化設(shè)備的失效中，大約40%的失效是由腐蝕原因引起的。因腐蝕造成的設(shè)備跑冒滴漏，不僅影響了生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)周期，增加了生產(chǎn)成本，而且還會(huì)因有毒物質(zhì)的泄漏而污染環(huán)境，危害人類(lèi)健康。

開(kāi)展腐蝕監(jiān)測(cè)，不僅可以直觀方便地了解設(shè)備腐蝕情況，而且可以分析監(jiān)測(cè)到的腐蝕數(shù)據(jù)，為腐蝕管理提供第一手資料，從而更好地保證設(shè)備的安全運(yùn)行，減少非計(jì)劃停工，保證設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行[3-4]。

腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集主要有3種：人工現(xiàn)場(chǎng)下載、有線(xiàn)數(shù)據(jù)采集與無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集。近年來(lái)，基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注[5-6]。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）由大量小型節(jié)點(diǎn)組成，這些小型節(jié)點(diǎn)集成了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)與通信技術(shù)，能夠通過(guò)協(xié)作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知、采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象信息，并對(duì)其進(jìn)行處理，獲得詳盡準(zhǔn)確的信息，傳送給需要這些信息的用戶(hù)[7-8]。

采用基于低功耗的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)方式對(duì)腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，不僅避免了復(fù)雜布線(xiàn)帶來(lái)的不便，也有利于設(shè)備的安全運(yùn)行。通過(guò)對(duì)采集的腐蝕數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析，可以提升設(shè)備的運(yùn)行預(yù)警能力。

因此，本文以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用超聲波測(cè)厚技術(shù)，研究并開(kāi)發(fā)了腐蝕在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)，基于合于使用評(píng)價(jià)方法對(duì)設(shè)備剩余壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)，提高了設(shè)備的安全管理水平。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基于傳感器網(wǎng)絡(luò)和超聲波測(cè)厚技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)重點(diǎn)腐蝕缺陷部位的在線(xiàn)測(cè)厚，幫助及時(shí)發(fā)現(xiàn)腐蝕減薄等缺陷。

系統(tǒng)主要由超聲波傳感器系統(tǒng)、防爆無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)、中心服務(wù)器和診斷分析軟件組成，如圖1所示。

每個(gè)超聲波傳感器系統(tǒng)是傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)測(cè)厚數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。節(jié)點(diǎn)由電池模塊、超聲波測(cè)量模塊、信號(hào)采集模塊、無(wú)線(xiàn)通訊模塊以及波導(dǎo)桿組成。

各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的測(cè)厚數(shù)據(jù)匯集到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)采用防爆型設(shè)計(jì)，無(wú)線(xiàn)傳輸方式為IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，操作頻率為2.4GHz全球免許可證頻段。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗主要來(lái)源于數(shù)據(jù)傳輸，并且與傳輸距離的平方成正比，所以為了降低能耗，采用了短距離多跳傳輸方式，網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)之間距離不超過(guò)50m。無(wú)線(xiàn)短距離傳輸過(guò)程中，存在著一定的信息衰減。因此，系統(tǒng)的中繼節(jié)點(diǎn)要求不超過(guò)7個(gè)，從而使最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)距離不超過(guò)400m。網(wǎng)關(guān)通過(guò)專(zhuān)用電纜連接至通訊轉(zhuǎn)換器，進(jìn)入企業(yè)局域有線(xiàn)網(wǎng)。

中心服務(wù)器接收、存儲(chǔ)、備份網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)，管理腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，向?yàn)g覽站發(fā)布腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

診斷分析軟件提供了系統(tǒng)設(shè)置、腐蝕數(shù)據(jù)可視化、腐蝕數(shù)據(jù)圖譜分析與剩余壽命預(yù)測(cè)等功能，可以從系統(tǒng)狀態(tài)總覽、測(cè)點(diǎn)總覽、壁厚實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表、壁厚趨勢(shì)圖、測(cè)點(diǎn)波形圖等不同角度幫助用戶(hù)了解設(shè)備腐蝕情況，通過(guò)圖譜分析和剩余壽命預(yù)測(cè)更加深入地評(píng)估設(shè)備健康狀況。

1.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

考慮到多用戶(hù)性和可擴(kuò)展性，系統(tǒng)采用了B/S的體系結(jié)構(gòu)。功能包括系統(tǒng)設(shè)置、腐蝕數(shù)據(jù)可視化、腐蝕數(shù)據(jù)圖譜分析、剩余壽命預(yù)測(cè)、損傷模式判別與敏感性分析等。endprint

系統(tǒng)設(shè)置實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)參數(shù)設(shè)定功能，如正常和報(bào)警界限值、默認(rèn)分類(lèi)周期，發(fā)生溫度異常、波動(dòng)異常、耦合異常時(shí)的顏色顯示，以及是否計(jì)算時(shí)排除這些異常等。排除事件實(shí)現(xiàn)了定義、瀏覽及手動(dòng)排除事件功能。

腐蝕數(shù)據(jù)可視化提供了列表、波形和圖譜等顯示方式，可以從系統(tǒng)狀態(tài)總覽、測(cè)點(diǎn)總覽、壁厚實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表、壁厚趨勢(shì)圖、測(cè)點(diǎn)波形圖等不同角度查看腐蝕狀況。通過(guò)系統(tǒng)狀態(tài)總覽，用戶(hù)可以從總體上掌握設(shè)備情況，如測(cè)點(diǎn)總數(shù)、正常運(yùn)行測(cè)點(diǎn)數(shù)、腐蝕超標(biāo)測(cè)點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)波動(dòng)測(cè)點(diǎn)數(shù)等。測(cè)點(diǎn)總覽顯示每個(gè)測(cè)點(diǎn)總體信息，如近7天平均壁厚、當(dāng)前和上一次測(cè)量壁厚、近一個(gè)月和三個(gè)月腐蝕速率、腐蝕是否超標(biāo)等。用戶(hù)可以進(jìn)一步通過(guò)壁厚實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表和壁厚趨勢(shì)圖查看每個(gè)測(cè)點(diǎn)各個(gè)采樣時(shí)間的測(cè)厚數(shù)據(jù)，分析變化趨勢(shì)?？梢赃x中某些時(shí)刻的測(cè)量數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)波形圖，包括初次波和一次波，通過(guò)波形圖分析更深刻地理解腐蝕狀態(tài)。

系統(tǒng)提供了腐蝕數(shù)據(jù)圖譜分析功能，典型圖譜分類(lèi)包括高腐蝕速率、無(wú)腐蝕速率、局部腐蝕、溫度變化及低耦合導(dǎo)致的數(shù)據(jù)波動(dòng)。超聲波在低溫下比在高溫狀況下傳播速度更快，所以第一個(gè)波峰靠前，如圖2所示。局部腐蝕時(shí)，表面波形狀受表面粗糙度影響變得不規(guī)則，一次波形狀和幅度也發(fā)生了變化，如圖3所示。

基于典型損傷模式的剩余壽命評(píng)價(jià)是設(shè)備健康診斷的重要內(nèi)容。剩余壽命預(yù)測(cè)模塊基于合于使用評(píng)價(jià)方法對(duì)壓力管道壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。計(jì)算流程如圖4所示。模塊實(shí)現(xiàn)了如下功能：①典型管線(xiàn)元件（直管、彎頭、三通、異徑管）的壽命預(yù)測(cè)、最小允許壁厚計(jì)算，以及基于時(shí)間的厚度監(jiān)測(cè)點(diǎn)（TML）基準(zhǔn)值設(shè)定；②均勻腐蝕減薄、局部腐蝕減薄、點(diǎn)蝕坑、焊接面型缺陷、焊接體型缺陷等損傷模式的壽命計(jì)算；③提供前提條件確認(rèn)、不同管線(xiàn)元件選擇、免評(píng)條件計(jì)算、壽命評(píng)價(jià)計(jì)算功能；④提供屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、許用應(yīng)力、彈性模量等自動(dòng)查詢(xún)功能，使用戶(hù)無(wú)需手工查詢(xún)技術(shù)手冊(cè)。

損傷模式判別和敏感性分析模塊提供典型損傷模式判別及分級(jí)評(píng)價(jià)功能，為設(shè)備管理人員、工藝人員提供必要的技術(shù)支持，幫助其安排腐蝕介質(zhì)控制與設(shè)備腐蝕檢測(cè)，以保證設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行的需要。

該模塊依據(jù)GB/T30579-2014《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》、GB/T26610.1～5《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則》、美國(guó)石油學(xué)會(huì)石化設(shè)備損傷模式判別標(biāo)準(zhǔn)API571等國(guó)內(nèi)外權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、環(huán)境開(kāi)裂、材料劣化、機(jī)械損傷、低溫腐蝕、高溫腐蝕、層下腐蝕等54種損傷機(jī)理的判別和35種損傷敏感性判別，并提供了損傷形態(tài)和發(fā)生部位信息。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于中原油田普光分公司某集氣站的管道危險(xiǎn)部位監(jiān)測(cè)中。普光氣田屬于高含硫天然氣氣田，在開(kāi)采、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中硫化氫會(huì)對(duì)金屬設(shè)施造成腐蝕，導(dǎo)致管線(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)壁厚減薄或點(diǎn)蝕穿孔等腐蝕問(wèn)題。由于硫化氫的高毒性，致使集氣站成為危險(xiǎn)區(qū)域，傳統(tǒng)的人工測(cè)厚方法難以開(kāi)展。

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道腐蝕情況，掌握腐蝕變化過(guò)程，從而總結(jié)腐蝕規(guī)律、開(kāi)展針對(duì)性選材或者在線(xiàn)防腐保護(hù)，中石化普光分公司開(kāi)發(fā)了腐蝕在線(xiàn)測(cè)厚和壽命評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)一期包括6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、1個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)。監(jiān)測(cè)探頭采用螺柱安裝方式，將其直接固定在管道上。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)安裝在裝置外空地上，其附近為電纜線(xiàn)地溝。各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以無(wú)線(xiàn)多跳方式將測(cè)厚數(shù)據(jù)匯總于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)有線(xiàn)電纜與集氣站控制間機(jī)柜內(nèi)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器相連，協(xié)議轉(zhuǎn)換器與企業(yè)局域網(wǎng)的交換機(jī)相連，數(shù)據(jù)進(jìn)入企業(yè)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。診斷分析軟件安裝于公司信息中心的虛擬服務(wù)器，各用戶(hù)通過(guò)Web瀏覽器登陸軟件系統(tǒng)。軟件接收前端監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)厚數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息顯示和分析診斷，如圖5所示。

通過(guò)軟件系統(tǒng)，用戶(hù)可以直觀地看到管道當(dāng)前壁厚及年腐蝕速率，通過(guò)不同顏色可以區(qū)分正常測(cè)點(diǎn)和腐蝕超標(biāo)測(cè)點(diǎn)。通過(guò)觀察圖譜，能夠分析管道是否有溫度變化、局部腐蝕以及內(nèi)壁粗糙等變化。

根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，各種損傷的評(píng)價(jià)、評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究基于每一種損傷機(jī)理的剩余壽命計(jì)算方法，開(kāi)發(fā)了便于企業(yè)自用的剩余壽命評(píng)價(jià)計(jì)算軟件。軟件利用在線(xiàn)測(cè)厚獲得的壁厚、腐蝕速率，以及壓力、溫度、管徑等信息，實(shí)現(xiàn)了典型管件的典型損傷模式剩余壽命評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，如圖6所示。

系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：①適用于惡劣作業(yè)環(huán)境，尤其是人員不易進(jìn)入的環(huán)境或高空環(huán)境；②利用波導(dǎo)桿技術(shù)，將超聲波傳感器與被測(cè)設(shè)備隔離，不使用耦合劑，可長(zhǎng)期、有效、準(zhǔn)確地對(duì)高溫、高壓、臨氫等危險(xiǎn)環(huán)境下的設(shè)備進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；③可靠的無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)傳輸技術(shù)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)穩(wěn)定可靠的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省了信號(hào)傳輸電纜等費(fèi)用及布線(xiàn)工作；④對(duì)同一位置、連續(xù)的腐蝕數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確可靠，測(cè)量精度高；⑤用戶(hù)界面友好，具有直觀的腐蝕趨勢(shì)分析和剩余壽命預(yù)測(cè)功能；⑥傳感器及電池低功耗設(shè)計(jì)，可完全滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)安全性和長(zhǎng)周期使用要求。在電池壽命內(nèi)，幾乎無(wú)需進(jìn)行維護(hù)。

3結(jié)語(yǔ)

腐蝕監(jiān)測(cè)和腐蝕數(shù)據(jù)分析是保障設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段。由于溫度、壓力和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用，承壓設(shè)備腐蝕問(wèn)題尤為突出，是目前影響設(shè)備運(yùn)行的主要風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源。本研究采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了腐蝕在線(xiàn)測(cè)厚，對(duì)于連續(xù)監(jiān)測(cè)和設(shè)備腐蝕狀況分析具有重要作用，尤其適用于人力難以企及的危險(xiǎn)或高空環(huán)境。系統(tǒng)不僅具有直觀的腐蝕趨勢(shì)分析與圖譜分析功能，還具有剩余壽命預(yù)測(cè)功能。系統(tǒng)已成功應(yīng)用于高含硫氣田的腐蝕監(jiān)測(cè)中。下一步工作是將與腐蝕相關(guān)的更多功能納入系統(tǒng)，形成腐蝕監(jiān)測(cè)、管理、分析、控制綜合集成平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康診斷與運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的精準(zhǔn)化。

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（責(zé)任編輯：黃健）endprint