電場指紋法腐蝕監(jiān)測技術在普光氣田的應用*

2019-08-21 02:25:32

石油化工腐蝕與防護 2019年3期

(1.中原油田普光分公司采氣廠，四川達州 635000;2.中國科學院金屬研究所沈陽市航發(fā)材料摩擦學重點實驗室，遼寧沈陽 110016)

普光氣田H2S體積分數(shù)高達12.31%～17.05%,CO2體積分數(shù)高達7.89%～10.53%，因此腐蝕介質對地面集輸管線和設備安全可能構成極大威脅[1]。傳統(tǒng)的腐蝕檢測方法，包括腐蝕掛片、電阻探針、線性極化探針及便攜式氫通量測量儀等，雖然基本滿足了相關標準腐蝕檢測的要求，但僅能在線腐蝕監(jiān)測數(shù)據作為輸送介質的平均腐蝕速率，不能全面反映管線和設備的腐蝕情況[2]。實際上從管道腐蝕產物膜與現(xiàn)場腐蝕狀況來看，發(fā)生局部腐蝕的傾向性很大[3]。為此，相關技術人員開展了電場指紋法腐蝕監(jiān)測技術的工業(yè)化應用研究，旨在精準確定局部和均勻腐蝕，監(jiān)測管道本體的局部和均勻腐蝕規(guī)律，研究確認電場指紋法腐蝕監(jiān)測技術測量的管道壁厚和常規(guī)的超聲波測厚儀測量的管道壁厚具有一致性，它不僅監(jiān)測到了管道的均勻腐蝕和局部腐蝕，而且能定位各局部腐蝕發(fā)生的具體位置[4]。

針對進口電場指紋設備發(fā)生故障，導致腐蝕監(jiān)測數(shù)據采集不完整等問題，進行了電場指紋法監(jiān)測技術國產化改造，從而提高設備的綜合性能，并采取控制預案，實施有效的腐蝕管理。

1 電場指紋系統(tǒng)概述

普光氣田地面集輸管道采用26套電場指紋在線監(jiān)測設備對管線的腐蝕情況進行實時監(jiān)控，已運行9 a多時間。儀表箱見圖1(1為激勵電流模塊，2為電壓采集模塊)。

圖1 進口電場指紋系統(tǒng)儀表箱

1.1 進口電場指紋系統(tǒng)運行情況

系統(tǒng)投運以來，累計發(fā)生故障46起，特別是部分位置反復出現(xiàn)故障。電場指紋系統(tǒng)出現(xiàn)故障不僅導致腐蝕監(jiān)測數(shù)據采集不完整，不能提供異常腐蝕預警，而且還存在備件價格昂貴，采購周期長，使用壽命較短等問題。

1.2 進口電場指紋系統(tǒng)常見故障分析

通過總結分類，故障類型主要包括主板故障、電流驅動模塊故障及傳輸線路故障等。其中主板與電源故障最頻繁，分別占故障總數(shù)的30.5%和50.8%，兩者之和占故障總數(shù)的81.3%。

1.2.1 電流驅動模塊故障原因分析

電流驅動模塊故障占了電場指紋設備故障總數(shù)的50%以上，嚴重影響到系統(tǒng)的正常運行和數(shù)據監(jiān)控功能。

測量電極間的金屬塊可以等效成一個電阻，以進口電場指紋系統(tǒng)為例，該電場指紋系統(tǒng)在圓周方向上每一圈有14行探針，在軸向上每一行有9個探針，即一共可以測量14×8組電壓。金屬塊的電阻可以由公式(1)求得。

R=ρL/s

(1)

式中：ρ為材料的電阻率，Ω·mm；L為金屬塊的長度,mm；S為金屬塊的橫截面積,mm2。

一般金屬管道的材料為碳鋼，而碳鋼的電阻率一般為0.000 159 Ω·mm，則此種情況下該金屬塊的電阻值為16.2 μΩ。假設探針區(qū)域的電流分布是均勻的，進口電場指紋系統(tǒng)的激勵電流的幅值為30 A，由于圓周上有14行探針，則每一對測量電極流過的電流為30/14 A，因此一對測量電極間的電壓為34.8 μV，被測電壓信號是極其微弱的，為提高信號的幅值，理論上施加的激勵電流越大越好。經過測試發(fā)現(xiàn)，進口電場指紋系統(tǒng)的激勵電流模塊的輸出電壓值為12 V，由于被測金屬管道是良好的導體，接上激勵電流之后近似于短路，幾乎12 V的壓降全部消耗在了激勵電流模塊上了。根據焦耳定律可知，此時激勵電流模塊上將會產生360 W的熱量，尤其是安裝在戶外的電場指紋系統(tǒng)，夏天處于烈日暴曬之下，激勵電流模塊的溫度將更高，導致激勵電流模塊損壞率升高。

1.2.2 數(shù)據采集模塊故障原因分析

數(shù)據采集模塊故障占到了電場指紋設備故障總數(shù)的30%以上。數(shù)據采集模塊故障，導致電場指紋設備不能采集數(shù)據，不能監(jiān)控管道腐蝕狀況。

對某集氣站進口電場指紋系統(tǒng)在2009年10月至2015年10月期間運行情況進行分析，被測管道在此期間，壁厚變化出現(xiàn)極大的波動見圖2。金屬管道的腐蝕不可逆，即管道的壁厚損失量應是增加的，而圖2中顯示電場指紋測量得到的壁厚損失量出現(xiàn)了負值，即被測管道壁厚增加了，這顯然不符合實際情況。因此說明進口電場指紋系統(tǒng)的電壓采集模塊出現(xiàn)了較大的問題，而引起該問題的主要原因在于系統(tǒng)漂移。

圖2 管道壁厚損失變化曲線

2 電場指紋技術國產化應用

2.1 各種壁厚監(jiān)測技術的特點

腐蝕監(jiān)測和檢測是管道壁厚實時監(jiān)測技術的重要組成部分，都是保障設備安全運行的有效手段。常用的腐蝕監(jiān)測技術有：掛片法[5]、電阻探針法[6]、電化學法[7]、電位監(jiān)測法[8]、化學分析法[9]、超聲波法[10-11]、氫通量法[12]及電場指紋(電指紋)等。常見的管壁內檢測技術有著費用高、影響正常的介質輸送、開挖或者剝離防護層等缺陷，且常用的腐蝕檢測方法難以有效檢出內腐蝕的準確部位和腐蝕程度。

試驗管道面臨的缺陷主要為坑蝕和壁厚減薄，因此腐蝕監(jiān)測技術的選擇主要是以監(jiān)測坑蝕等體積缺陷為主的腐蝕監(jiān)測。而超聲波法和電場指紋具有監(jiān)測壁厚和體積缺陷的優(yōu)勢。超聲波測量精度為0.1 mm，電場指紋的精度為壁厚的5%，其中電場指紋根據測量可以自由布置電極的分布，電極距離較近時監(jiān)測點蝕具有優(yōu)勢，電極距離較遠時監(jiān)測均勻腐蝕具有優(yōu)勢，距離適中時可以兼顧坑蝕和均勻腐蝕，且電場指紋法可以在線檢測，檢測期間無需開挖和破壞管道本體。

2.2 電場指紋系統(tǒng)原理

電場指紋是一種在線監(jiān)測金屬管道/壓力容器腐蝕的無損檢測技術，如圖3所示。在被測對象(金屬管道、壓力容器等)的外壁按照一定規(guī)則焊接上測量電極矩陣,在被測管道的外壁上添加一塊參考板，該參考板與被測管道外壁之間填充有絕緣材料。參考板的材質與被測對象的材質相同，參考板上布置參考電極，用于消除電流涌動、溫度變化以及背景噪聲等對測量造成的影響；然后再接上激勵電流電纜，測量電極上接上測量電纜。

圖3 實際埋地電場指紋系統(tǒng)

由圖3可以看出，軸向上的兩個相鄰測量電極構成一個測量電極對，每一個測量電極所對應的被測金屬區(qū)域可以等效成一個電阻。電場指紋的本質是電位降技術，而電位降技術又是基于歐姆定律，當管道發(fā)生腐蝕時，管道的壁厚減小，即在測量電極矩陣確定的情況下，等效電阻的長(L)和寬(W)不會發(fā)生改變，只有等效電阻的厚度(T)會發(fā)生改變，等效電阻的電阻值會增加。

電場指紋在安裝完成之后，將最初測得的電壓值作為原始電壓，安裝時測得的壁厚作為原始壁厚。在電場指紋儀運行過程中，測得的電壓與原始電壓作比較，再利用原始壁厚值將電壓的變化值計算轉變成壁厚的變化值。

2.3 國產電場指紋技術及現(xiàn)場實施

2.3.1 集輸管道國產電場指紋技術的實施

為了實時掌控維修更換后管道壁厚和腐蝕速率，及時預警管道壁厚而產生的風險，有必要加強管道壁厚和腐蝕速率的實時壁厚和腐蝕監(jiān)測，且不能影響智能管道內檢測器或者清管器的運行。因此選取一段需要維修更換的管道間的兩處觀察井作為國產電場指紋設備安裝位置。

(1)國產電場指紋技術概況

試驗管道間共設置2處觀察井，其中1號觀察井的管道基本參數(shù)及腐蝕監(jiān)測方式見表1、監(jiān)測部位探針布置如圖4所示[4]。順流體流動方向，沿周向順時針方向將14個探針均勻布置在管道圓周上。

圖4 探針布置三維模型

(2)原始壁厚檢測

試驗管道1號觀察井監(jiān)測區(qū)域內管道原始壁厚。在焊接完畢將矩陣電極后，電氣連接前，對相鄰四個電極之間的管道表面壁厚采用超聲波測厚，測得的管道壁厚。

圖5是1號觀察井管道監(jiān)測部位管道原始壁厚圖，其中Y軸為周向原始壁厚數(shù)據，X軸為軸向原始壁厚數(shù)據。

圖5 監(jiān)測部位管道原始壁厚

2.3.2 電場指紋系統(tǒng)的國產化改造

針對某集氣站的進口電場指紋系統(tǒng)故障，開展國產化改造。更換了電流激勵模塊和電壓采集模塊。見圖6(1為激勵電流模塊，2為電壓采集模塊)。改進后的電流激勵模塊輸出電壓只有 2.2 V，激勵電流幅值30 A，激勵電流模塊的發(fā)熱量只有66 W，遠低于之前的360 W，而且激勵電流模塊中還進行了良好的散熱處理，激勵電流模塊的工作溫度處于較低的范圍見圖7，遠小于工業(yè)元器件的工作溫度上限(85 ℃)。改進之后的激勵電流模塊解決了進口電場指紋激勵電流模塊發(fā)熱量大、溫度高及壽命短的問題。

改進后的電壓采集模塊采用了雙向激勵來消除漂移問題。電壓采集模塊中的核心放大器采用了儀表放大器。由于被測管道軸向上的兩個相鄰的測量電極構成一對測量電極對，因此選取任意一對測量電極作為分析對象，討論放大電路模塊的設計要求。圖8是改造后電場指紋系統(tǒng)測得的壁厚損失曲線。

圖6 改進后的電場指紋系統(tǒng)儀表箱

圖7 國產激勵電流模塊的工作溫度

圖8 管道壁厚損失變化曲線

由圖8可知，故障電場指紋系統(tǒng)經改進之后，測量得到的壁厚損失曲線呈單調上升趨勢，克服了系統(tǒng)漂移問題。

2.4 國產電場指紋數(shù)據分析與應用

2.4.1 電場指紋監(jiān)測結果

(1)管道剩余壁厚

圖9為1號觀察井管道監(jiān)測部位剩余壁厚，圖10為1號觀察井管道腐蝕深度。其中Y軸為周向原始壁厚數(shù)據，X軸為軸向原始壁厚數(shù)據。

結果顯示管道壁厚偏差符合GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送用鋼管》的規(guī)定。各個時期管道腐蝕程度各不相同，但在1號觀察井位置，管道中下部首先腐蝕且沿管道軸向發(fā)展。

(2)國產電場指紋監(jiān)測的腐蝕最大位置及損失厚度變化

表1和表2分別為1號觀察井和2號觀察井監(jiān)測的5個腐蝕最大位置及腐蝕深度。不同時期的最大腐蝕部位具有隨機性，但不管隨機性如何變化，管道中下部腐蝕趨勢優(yōu)先發(fā)展，與常規(guī)的介入式點腐蝕監(jiān)測技術相比，國產電場指紋具有在監(jiān)測腐蝕速率的同時，監(jiān)測管道剩余壁厚和腐蝕部位定位的優(yōu)點。