＊宋積文 張亮 金曦

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油氣管道因腐蝕發(fā)生的泄漏和開裂而引發(fā)的安全事故時(shí)有發(fā)生，腐蝕防護(hù)和腐蝕監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到油氣行業(yè)關(guān)注并成為其重點(diǎn)工作內(nèi)容。在線腐蝕監(jiān)測(cè)為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)手段，能夠?qū)崟r(shí)在線測(cè)量并遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備的腐蝕速率及相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)系統(tǒng)軟件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析及圖表化展示，為智能管道建設(shè)提供感知層支持，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供管理依據(jù)[1]。在線腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)可以分為侵入式直接監(jiān)測(cè)和非侵入式的間接監(jiān)測(cè)。電阻探針、電感探針、電化學(xué)探針以及電化學(xué)噪聲探針需要放入到管道內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測(cè)，屬于侵入式直接監(jiān)測(cè)方式。而非侵入式監(jiān)測(cè)主要通過(guò)聲、電、熱等參數(shù)的監(jiān)測(cè)來(lái)判斷管道腐蝕情況，主要包括：超聲波測(cè)厚、氫通量探針、電指紋、光纖腐蝕監(jiān)測(cè)。

1.侵入式在線腐蝕監(jiān)測(cè)

侵入式在線腐蝕監(jiān)測(cè)是通過(guò)探針侵入到油氣管道內(nèi)部，敏感元件與管道內(nèi)部介質(zhì)（油、氣、水等）直接接觸，來(lái)測(cè)量管道內(nèi)部介質(zhì)的腐蝕特性參數(shù)來(lái)反應(yīng)管道的內(nèi)腐蝕情況。侵入式探針能夠?qū)崟r(shí)快速檢測(cè)管道腐蝕速率，但需要對(duì)管道進(jìn)行動(dòng)火開孔，操作相對(duì)復(fù)雜，本身破壞管道，且容易形成新的管道安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

(1)電阻探針

在線電阻探針，經(jīng)過(guò)不斷的優(yōu)化改進(jìn)，借助物聯(lián)網(wǎng)及可視化展示，已經(jīng)發(fā)展成為油氣企業(yè)應(yīng)用非常普遍和成熟的腐蝕監(jiān)測(cè)手段。電阻法常被稱為可自動(dòng)測(cè)量的失重掛片法，當(dāng)敏感元件（電極）接觸管道內(nèi)腐蝕介質(zhì)時(shí)，發(fā)生腐蝕反應(yīng)，其厚度和截面積減少，電阻增加，通過(guò)電阻變化來(lái)測(cè)定腐蝕率。電阻探針根據(jù)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(jiān)測(cè)環(huán)境[2]。

電阻探針優(yōu)勢(shì)在于不受腐蝕介質(zhì)限制，在氣相、液相、導(dǎo)電或不導(dǎo)電的介質(zhì)中均可使用。在石油化工、煤化工、核電行業(yè)、風(fēng)電行業(yè)以及橋梁等行業(yè)都有應(yīng)用。另外，電阻探針可以實(shí)現(xiàn)腐蝕監(jiān)測(cè)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)過(guò)程中不必將探針取出；相對(duì)腐蝕掛片，相應(yīng)速率大大提高，響應(yīng)時(shí)間在1～20h不等；電阻數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析利用。電阻探針的局限在于以電阻來(lái)反應(yīng)腐蝕速率，對(duì)電阻探針的加工精度要求高。且相對(duì)電感及線性極化探針的精度及相應(yīng)時(shí)間都較低[3-5]。

(2)電感探針

在20世紀(jì)90年代，為了提高腐蝕監(jiān)測(cè)精度，科研人員在電阻原理的基礎(chǔ)上，利用電感原理研發(fā)出了電感探針。隨后，美國(guó)Cortest公司將高精度的電感探針推向市場(chǎng)。通過(guò)檢測(cè)電磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化來(lái)測(cè)試試樣腐蝕變化[6]。放入電磁線圈中的金屬導(dǎo)磁材料會(huì)影響交流通電線圈中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，金屬試樣厚度變化就會(huì)靈敏反應(yīng)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(cè)量精度（1～5nm）、對(duì)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(zhì)、響應(yīng)快（響應(yīng)時(shí)間小于10min）、抗干擾性強(qiáng)，所以近些年發(fā)展已經(jīng)在很多場(chǎng)景下替代了部分電阻探針。特別是油氣管道重點(diǎn)腐蝕監(jiān)測(cè)部位，一般都會(huì)選擇高精度腐蝕探針來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其不足之處在于價(jià)格相對(duì)電阻探針高。

(3)電化學(xué)探針

電化學(xué)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(cè)量技術(shù)。在溶液體系內(nèi)，通過(guò)測(cè)量極化電阻Rp，估算比例系數(shù)B，來(lái)測(cè)量介質(zhì)的腐蝕速率。腐蝕電流icorr等于極化常數(shù)B與極化電阻Rp的比值。由于需要測(cè)試電解質(zhì)腐蝕體系極化電阻，因此該技術(shù)主要用于含水介質(zhì)的腐蝕環(huán)境中，如循環(huán)冷卻裝置進(jìn)出口等。電化學(xué)探針優(yōu)勢(shì)在于監(jiān)測(cè)靈敏度高（可以到納米級(jí)），響應(yīng)速率快（幾分鐘），并且電化學(xué)探針是一種原位、無(wú)損的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)。缺點(diǎn)在于只能應(yīng)用于電解質(zhì)腐蝕體系（主要是水系統(tǒng)），受電導(dǎo)率影響較大，很容易受到介質(zhì)的污染，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。另外，成本較高，也是其應(yīng)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(xiàn)在油氣管道企業(yè)監(jiān)測(cè)內(nèi)腐蝕常用的技術(shù)手段，表1總結(jié)這四種監(jiān)測(cè)手段各自特點(diǎn)適用于各種介質(zhì)、響應(yīng)快（響應(yīng)時(shí)間小于10min）、抗干擾性強(qiáng)，正在快速發(fā)展。

表1 常用腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)總結(jié)

(4)電化學(xué)噪聲探針

電化學(xué)噪聲技術(shù)時(shí)通過(guò)檢測(cè)腐蝕發(fā)生引起腐蝕電位或電偶電流的微幅波動(dòng)，來(lái)測(cè)量點(diǎn)蝕系數(shù)，計(jì)算初始點(diǎn)蝕及局部腐蝕趨勢(shì)。電化學(xué)噪聲分析主要包括頻域分析以及時(shí)域分析。時(shí)域分析主要是利用電位、電流噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差和孔蝕指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)腐蝕類型和腐蝕速率。朱培珂等研究了電化學(xué)噪聲技術(shù)對(duì)不銹鋼表面局部腐蝕監(jiān)測(cè)；張中正[6]對(duì)國(guó)內(nèi)外對(duì)金屬腐蝕電化學(xué)噪聲測(cè)量法的機(jī)理、分析方法及應(yīng)用做了系統(tǒng)的介紹，張震等對(duì)電化學(xué)噪聲原位監(jiān)測(cè)應(yīng)力腐蝕開裂的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)論述。

電化學(xué)噪聲技術(shù)是一種新興的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)，具有以下優(yōu)勢(shì)：首先，它是原位無(wú)損監(jiān)測(cè)，不需要對(duì)被測(cè)電極施加可能改變腐蝕電極腐蝕過(guò)程的外界擾動(dòng)；其次，無(wú)須提前構(gòu)建待測(cè)體系的電極過(guò)程模型；然后，可以監(jiān)測(cè)分析管道的局部腐蝕和點(diǎn)蝕，這是其他監(jiān)測(cè)技術(shù)做不到的；最后，檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。電化學(xué)噪聲技術(shù)是未來(lái)具有發(fā)展?jié)摿Φ母g監(jiān)測(cè)應(yīng)用技術(shù)之一。不過(guò)，對(duì)于電化學(xué)噪聲探針要得到可靠的測(cè)量結(jié)果，要求測(cè)量者足夠的細(xì)心。且數(shù)據(jù)具體分析及具體應(yīng)用過(guò)程中的理論還需要進(jìn)一步研究。

2.非侵入式

非侵入式在線腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)探頭安裝在管道外壁，探頭通過(guò)監(jiān)測(cè)管道外壁相關(guān)的變化參數(shù)（壁厚、溫度、電阻、及滲氫量）來(lái)間接反應(yīng)管道內(nèi)腐蝕速率。非侵入式在線腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)就是不需要對(duì)管道進(jìn)行開孔破壞。

(1)在線測(cè)厚

在線測(cè)厚，主要是利用超聲波測(cè)厚探頭，結(jié)合低功耗線路板設(shè)計(jì)和無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)損在線腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)。利用壁厚的減薄量來(lái)計(jì)算管壁的內(nèi)腐蝕速率。是目前油氣管道較流行采用的一種設(shè)備壁厚或腐蝕速率監(jiān)測(cè)手段。在線測(cè)厚技術(shù)原理明晰、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)電感探針價(jià)格便宜，無(wú)需插入管道，傳感器不受腐蝕，使用壽命長(zhǎng)。對(duì)于相對(duì)粗糙管道內(nèi)壁，會(huì)大大影響測(cè)量效果。腐蝕速率是間接計(jì)算得出，腐蝕速率響應(yīng)時(shí)間慢，不能實(shí)時(shí)反映管道內(nèi)腐蝕速率，不能用于緩蝕劑效果評(píng)價(jià)及優(yōu)化工藝參數(shù)評(píng)價(jià)。從超聲波的激發(fā)類型上分為：壓電超聲在線測(cè)厚和電磁超聲在線測(cè)厚技術(shù)兩種[5]。

①壓電超聲在線測(cè)厚

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

②電磁超聲測(cè)厚

電磁超聲測(cè)厚利用電磁耦合方法激勵(lì)和接收超聲波,無(wú)需耦合劑,對(duì)被測(cè)管道表面要求不高，不需要對(duì)粗糙的被測(cè)管壁表面進(jìn)行打磨和去掉保護(hù)層。但相對(duì)于壓電超聲，電磁超聲換能器效率低，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)信噪比低，精度容易受環(huán)境影響。高溫容易使磁鐵磁性降低，對(duì)于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，使用溫度不能超過(guò)150℃。雖然，電磁超聲可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，但最大提離高度不能超過(guò)6mm。

(2)氫通量探針

氫通量探針工作原理如圖2所示，對(duì)于含氫元素的管道，氫分子（原子）由于其粒徑小，可以通過(guò)管壁晶隙、位錯(cuò)、缺陷等路徑滲出管壁，通過(guò)收集器將滲氫送入到檢測(cè)儀中，通過(guò)監(jiān)測(cè)其中的氫含量來(lái)分析滲氫量，因此氫通量探針多以測(cè)試氫腐蝕為主。其主要應(yīng)用于HF、H2S腐蝕、環(huán)烷酸腐蝕等酸性腐蝕環(huán)境中。由于其具有高的靈敏性，廣泛用于緩蝕劑的評(píng)價(jià)、普查和確定腐蝕風(fēng)險(xiǎn)部位、評(píng)估內(nèi)保護(hù)層完整性等。

(3)電指紋(FSM)

FSM技術(shù)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(guò)監(jiān)測(cè)電極上采集電壓與初始值的變化來(lái)檢測(cè)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(jìn)行大面積腐蝕監(jiān)測(cè)分析，判斷凹坑和脆裂的位置和嚴(yán)重程度，計(jì)算腐蝕速率及趨勢(shì)，敏感性是剩余壁厚的0.1%。

由于其非插入式大面積監(jiān)測(cè)的模式，其優(yōu)點(diǎn)表面為：①?zèng)]有泄漏的危險(xiǎn)，提高在硫化氫環(huán)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(cè)量，能夠測(cè)量均勻腐蝕、局部腐蝕；④測(cè)量不受導(dǎo)電性硫化亞鐵膜的影響，適用于無(wú)線、在線測(cè)量。FSM技術(shù)也存在自身的不足：①監(jiān)測(cè)時(shí)需要在管壁表面焊接矩陣電極，技術(shù)水平要求高，操作復(fù)雜；②監(jiān)測(cè)操作及數(shù)據(jù)分析復(fù)雜，設(shè)備昂貴。目前FSM的設(shè)備、監(jiān)測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)解析技術(shù)仍被國(guó)外公司所壟斷。國(guó)內(nèi)油氣田以及煉化廠使用時(shí)仍以從國(guó)外進(jìn)口設(shè)備使用為主，不僅成本很高，而且后續(xù)的復(fù)雜數(shù)據(jù)解析還要依靠國(guó)外公司的技術(shù)服務(wù)[9]。

(4)光纖腐蝕在線監(jiān)測(cè)

光纖傳感技術(shù)是最近新興的一種監(jiān)測(cè)技術(shù)。管道腐蝕引起的變化可由管道外壁的周向多種參數(shù)反映，如管道腐蝕引起的管道壁厚變薄或腐蝕產(chǎn)生腐蝕裂紋。這個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)引起管道周向應(yīng)變的變化，這些變化都會(huì)被光纖傳感器感知用來(lái)評(píng)估管道的腐蝕狀況。其優(yōu)點(diǎn)為光纖“傳”“感”合一，可以分布式安裝，覆蓋面積大。同時(shí)由于光纖具有抗電磁干擾、耐腐蝕、輕質(zhì)量、高韌性、寬傳輸頻帶等特點(diǎn)，適合在高溫高壓的環(huán)境下工作。光纖需要在管道建設(shè)時(shí)期，和管道一起進(jìn)行鋪設(shè)；另外光纖傳感器易受到外界干擾，容易產(chǎn)生大量錯(cuò)誤信號(hào)。對(duì)于光纖腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還需要后續(xù)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法的優(yōu)化調(diào)整[10]。

3.在線腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)智能化發(fā)展趨勢(shì)

油氣管道腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)智能化一定是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，本文介紹的不同在線腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)為智慧管網(wǎng)中最基礎(chǔ)層—數(shù)據(jù)感知層。后續(xù)不同監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的融合、共享及深度挖掘應(yīng)用，來(lái)實(shí)現(xiàn)油氣管網(wǎng)管控一體化、監(jiān)控預(yù)警集中化及決策分析智能化將是智慧管道建設(shè)的重點(diǎn)。