吳文強(qiáng),伍劍波,張目超,許釗源,何 莎,王仕強(qiáng),駱吉慶

(1.四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610065;2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院,廣漢 618300)

油氣井口裝置包含大量連接站內(nèi)設(shè)備設(shè)施的管道，其壓力變化大、規(guī)格樣式多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并擔(dān)負(fù)著高溫、高壓、易燃、易爆和有毒介質(zhì)的輸送任務(wù)，在油氣場站中扮演著重要角色[1]。隨著服役時(shí)間的增長，其管壁因受流體沖刷、電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕等作用，會逐步產(chǎn)生管壁減薄、腐蝕、裂紋等缺陷[2-3]，一旦發(fā)生泄漏失效，輕則影響生產(chǎn)進(jìn)度并帶來經(jīng)濟(jì)損失，重則將造成重大安全生產(chǎn)事故。

目前，主要通過人工檢測方式對油氣井口裝置的管道腐蝕狀況進(jìn)行定期檢測，此方式無法及時(shí)掌握檢測間隔期間井口裝置的實(shí)際腐蝕狀況，并且當(dāng)管道進(jìn)行高危的壓裂作業(yè)時(shí)，將無法采用人工方式進(jìn)行檢測。此外，腐蝕刮片是也是常用的管道腐蝕監(jiān)測手段，但其實(shí)時(shí)性低且無法準(zhǔn)確獲得關(guān)鍵危險(xiǎn)點(diǎn)的腐蝕情況[4]。因此，亟需對相關(guān)管道的腐蝕在線檢測開展技術(shù)研究，找到一種實(shí)時(shí)在線的井口裝置易損部位腐蝕監(jiān)測與智能預(yù)警方法。

針對上述管道腐蝕監(jiān)測需求，國內(nèi)外開展了大量的研究工作。萬正軍等[5-6]利用電位矩陣法(FSM) 對管道局部典型范圍的腐蝕情況進(jìn)行了有效檢測，但該方法需要通過焊接的方式在管道上布置探針，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，而且焊接操作在油氣井場具有一定的危險(xiǎn)性。艾默生公司針對化工企業(yè)高溫管道的腐蝕監(jiān)測需求，研發(fā)了基于電磁超聲換能器(EMAT)的點(diǎn)式腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)。但EMAT相比于壓電式超聲換能器存在換能效率低、接收信號能量弱、輻射模式寬、回波分辨率低、大功率激發(fā)使線圈發(fā)熱等問題[7]?？狄巳A等[8]針對EMAT測厚中大功率脈沖電源和高靈敏度放大器設(shè)計(jì)困難的問題，提出了使用壓電超聲儀來完成電磁超聲測厚功能的方法，然而，針對非高溫管道的大量布點(diǎn)監(jiān)測需求，電磁超聲監(jiān)測因其高成本而無法滿足實(shí)際使用要求。

壓電超聲測厚法因其穩(wěn)定可靠、成本低，在管道腐蝕監(jiān)測方面具有巨大潛力[9]。筆者提出了使用一種可以進(jìn)行液-固轉(zhuǎn)變的耐候材料作為耦合劑的壓電超聲干耦合方法，同時(shí)利用溫度傳感器對管道表面溫度進(jìn)行在線監(jiān)測，以消除不同溫度下管道聲速變化對腐蝕監(jiān)測造成的影響。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云平臺技術(shù)等，開發(fā)了基于云平臺的管道腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)，并通過現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證了其具有較強(qiáng)的實(shí)用性與較高的推廣價(jià)值。

1 基于云平臺的管道腐蝕在線監(jiān)測方案

針對管道腐蝕遠(yuǎn)程監(jiān)測中的壁厚傳感、多通道采集、無線傳輸、數(shù)據(jù)存儲與分析等關(guān)鍵問題，結(jié)合井口裝置腐蝕機(jī)理與監(jiān)測實(shí)際需求，提出了基于干耦合壓電傳感的多通道腐蝕在線監(jiān)測方法，以獲取井口裝置易腐蝕點(diǎn)多個(gè)部位的腐蝕數(shù)據(jù)，并通過信號處理系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)接入云平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與分析。油氣鉆采裝備沖刷腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 油氣鉆采裝備沖刷腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)框圖

1.1 液-固轉(zhuǎn)變耦合壓電傳感方法

由于流失和揮發(fā)問題，常規(guī)液體耦合劑不適用于管道腐蝕監(jiān)測。另外一方面，針對弧形管道，尤其是小曲率管道，探頭與管壁之間的耦合更為困難，因此，需要研究一種易安裝，不流失的干耦合方法。最佳的耦合劑是安裝時(shí)為液態(tài)，可保證小曲率管道的耦合效果，安裝完成后耦合劑變?yōu)楣虘B(tài)，實(shí)現(xiàn)不流失不揮發(fā)。同時(shí)，耦合劑還需保證在一定的高低溫極端環(huán)境中聲特性卻不發(fā)生變化。

針對上述需求，研發(fā)了一種可進(jìn)行液-固轉(zhuǎn)變的耐候材料，作為干耦合劑。干耦合劑材料以聚二甲基硅氧烷為主要原料，輔以交聯(lián)劑、填料、增塑劑、偶聯(lián)劑、催化劑等混合而成，在室溫下與空氣中的水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到固化的效果。該干耦合劑材料具有安裝施工前為糊狀半液態(tài)，施工后轉(zhuǎn)化成固態(tài)的特點(diǎn)，可輕易地排除耦合間隙的空氣，且無需較大的耦合壓緊力，同時(shí)可耐戶外自然老化。

干耦合材料合適的聲特性阻抗是保證超聲波能夠有效進(jìn)入管道的基礎(chǔ)。聲波在壓電晶片-耦合劑-管道3層介質(zhì)中的傳播模型如圖2所示，設(shè)耦合層厚度為d，對于單頻入射超聲波，聲強(qiáng)透射系數(shù)T的計(jì)算公式可表示為

圖2 聲波在壓電晶片-耦合劑-管道3層介質(zhì)中的傳播模型

(1)

式中：λ2為單頻超聲波在介質(zhì)(II)中的波長;Z1、Z2、Z3分別為壓電晶片、耦合層、被測工件的聲特性阻抗。其中，復(fù)合材料壓電晶片Z1=3.3×106kg·m-2·s-1，被測鋼管Z3=46×106kg·m-2·s-1。

為消除耦合層對測厚數(shù)值和精度的影響，回波-回波的超聲測厚模式比較適合管道壁厚的檢測。理想透射系數(shù)T≈0.25，根據(jù)式(1)，計(jì)算得到干耦合材料聲特性阻抗Z2接近Z1。因此，在研制干耦合材料時(shí)，可以以壓電晶片聲特性阻抗為參考。另外，當(dāng)d遠(yuǎn)小于波長的時(shí)候，d越小聲強(qiáng)損失越小。經(jīng)試驗(yàn)對比，筆者所使用的耐候干耦合劑與傳統(tǒng)耦合劑甘油的耦合效果相當(dāng)。在數(shù)字式超聲測厚儀超聲波接收電路增益固定為16.5 dB的條件下，使用干耦合劑的超聲回波脈沖幅值稍低于采用傳統(tǒng)耦合劑甘油的超聲回波脈沖幅值，信噪比良好,使用不同耦合劑的數(shù)字式測厚儀波形顯示如圖3所示。

圖3 使用不同耦合劑的超聲測厚儀波形顯示

1.2 傳感網(wǎng)絡(luò)布局與傳感器安裝方法

探頭安裝狀態(tài)是決定聲波是否能夠有效進(jìn)入管道的關(guān)鍵。傳感器安裝的3個(gè)關(guān)鍵如下所述。(1) 布點(diǎn)選取。只有獲得最易腐蝕的布點(diǎn)位置，才能夠全面獲得管道的健康狀態(tài)。針對此問題，一般通過有限元仿真法獲得在不同流體速度、顆粒含量、顆粒直徑、管道結(jié)構(gòu)等條件下的管道腐蝕速率與關(guān)鍵位置，同時(shí)結(jié)合實(shí)際管道腐蝕檢測的工程經(jīng)驗(yàn)，獲得整個(gè)裝置的最佳布置點(diǎn)。(2) 傳感器定位。只有精確的傳感器定位，才能使超聲波傳播路徑適應(yīng)小管道、90°彎管外側(cè)、三通等結(jié)構(gòu)。(3) 傳感器固定。管道腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)需要長期工作，而井口裝置在流體作用下會產(chǎn)生震動(dòng)，壓裂井口裝置震動(dòng)更為嚴(yán)重，因此需要對傳感器進(jìn)行固定，避免傳感器松動(dòng)導(dǎo)致耦合不良。

沖刷腐蝕一般在彎管外側(cè)、變徑、三通等位置較為嚴(yán)重，文章的側(cè)重點(diǎn)在于提供一種腐蝕監(jiān)測方法，對上述位置進(jìn)行監(jiān)測，管道沖刷腐蝕嚴(yán)重位置如圖4所示。在傳感器定位方面，提出了一種基于磁吸附定位并結(jié)合鋼扎帶固定的傳感器安裝方法(見圖5)。在設(shè)計(jì)過程中，需要實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化與輕量化，以滿足狹窄空間的安裝需求。另外，該方式不需要進(jìn)行焊接即可固定，保證了油氣站場的安全。

圖4 管道沖刷腐蝕嚴(yán)重位置

圖5 干耦合超聲監(jiān)測探頭安裝現(xiàn)場

1.3 基于云平臺的數(shù)據(jù)處理與顯示方法

系統(tǒng)采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)方式監(jiān)測數(shù)據(jù),利用運(yùn)營商所搭設(shè)的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與分析后存儲在云平臺的數(shù)據(jù)庫中?？蛻艨赏ㄟ^網(wǎng)頁瀏覽監(jiān)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行互操作。具體來說，就是在云服務(wù)器中部署后臺軟件，對波形脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行特征識別并計(jì)算厚度，最后將計(jì)算得到的厚度轉(zhuǎn)發(fā)至客戶端網(wǎng)頁，供用戶隨時(shí)隨地查看壁厚數(shù)據(jù)。后臺軟件兼顧壁厚壽命預(yù)測功能，可結(jié)合歷史壁厚數(shù)據(jù)估算腐蝕速率，并預(yù)測管道的剩余壽命，為安全生產(chǎn)作業(yè)做出合理的指導(dǎo)；同時(shí)，每個(gè)通道設(shè)定報(bào)警閾值，當(dāng)?shù)陀谀硞€(gè)安全預(yù)設(shè)數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)會自動(dòng)報(bào)警并通知用戶及時(shí)前往現(xiàn)場查驗(yàn);用戶還可根據(jù)需要通過客戶端網(wǎng)頁遠(yuǎn)程修改現(xiàn)場超聲設(shè)備的喚醒周期、增益、激勵(lì)脈寬等參數(shù)，以應(yīng)對壁厚減薄對波形的影響。

2 現(xiàn)場測試

綜合上述關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了一種基于云平臺的管道腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，具體指標(biāo)包括：通道數(shù)(不大于80個(gè))；采集頻率(最高1次·h-1)；工作溫度(-20 ℃100 ℃)；壁厚動(dòng)態(tài)監(jiān)測精度(0.1 mm)；壁厚顯示分辨率(0.01 mm)；軟件功能(實(shí)時(shí)壁厚、腐蝕速率、預(yù)警功能、剩余壽命預(yù)測等)；通信方式(4G 網(wǎng)絡(luò))；供電方式(電池)；探頭安裝方式(磁吸附、鋼扎帶等多種形式)；適應(yīng)范圍(不同管徑、壁厚與形狀的井口裝置)。

干耦合超聲監(jiān)測系統(tǒng)工作現(xiàn)場如圖6所示，將設(shè)計(jì)的干耦合管道腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)安裝在某平臺進(jìn)行試驗(yàn)。將超聲激勵(lì)與采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信模塊與電源等放入防爆配電箱內(nèi)，并連接工裝探頭與同軸電纜線，通過防爆撓性管引入防爆配電箱內(nèi)。被測管道外徑分別為76，134，146 mm。根據(jù)現(xiàn)場工人的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，將探頭布置在采氣樹出氣口閥門法蘭連接處，采集頻率為1次·d-1，在數(shù)據(jù)非采集期間設(shè)備將處于待機(jī)狀態(tài)，以提高電池壽命。

圖6 干耦合超聲監(jiān)測系統(tǒng)工作現(xiàn)場

管道腐蝕監(jiān)測結(jié)果如圖7所示，截取的是其中3個(gè)布點(diǎn)處近3個(gè)月的數(shù)據(jù)，其中布點(diǎn)1厚度由最初的28.39 mm減薄到27.32 mm，布點(diǎn)2厚度由30.63 mm減薄到29.96 mm,布點(diǎn)3厚度由37.88 mm減薄到37.36 mm。經(jīng)過現(xiàn)場手持測厚儀驗(yàn)證和數(shù)據(jù)校驗(yàn)，系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果在誤差范圍之內(nèi)。目前管道腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)工作穩(wěn)定，傳感器各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，干耦合劑性能穩(wěn)定。值得注意的是，高低溫環(huán)境對腐蝕檢測精度有一定的影響，需要通過測溫或者采用標(biāo)定板的方式進(jìn)行消除。探頭安裝過程極為重要，當(dāng)管道表面存在涂層或表面紋路時(shí)，需先進(jìn)行清理，再布置探頭，否則會影響信號強(qiáng)度與信噪比。

圖7 管道腐蝕監(jiān)測結(jié)果

3 結(jié)論

(1) 使用液-固轉(zhuǎn)變耦合劑可保證長期穩(wěn)定、清潔的耦合效果，使壓電傳感器在耦合條件苛刻的環(huán)境下依然能夠可靠地工作，為長期在線監(jiān)測提供了思路。

(2) 基于物聯(lián)網(wǎng)與云平臺的B/S監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，可為用戶提供一種便捷、可靠、靈活的監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析應(yīng)用方案。

(3) 由于液-固轉(zhuǎn)變耦合劑性能的限制，系統(tǒng)的服役溫度應(yīng)為100 ℃以下，筆者將針對更高溫度的監(jiān)測需求，開展高溫壓電傳感的研究工作。