油氣管道腐蝕的電場矩陣監測技術開發與應用

楊天野,楊永寬,李欣波,楊 陽

(沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司,遼寧 沈陽 110000)

野外埋地油氣管道腐蝕隱蔽性強、破壞性大,為減少腐蝕損失和降低安全風險,實時監測預警技術得到普遍重視[1]。雖然電感探針技術很早就得到廣泛應用,但是由于測量時需要在管道上開孔,其應用受到限制。近年來人們采用超聲測厚技術對管道實際壁厚進行監測,一個超聲探頭固定后所能測量的區域在0.5 cm2以內,監測范圍窄,且超聲探頭使用幾個月后會發生與管壁接觸不牢、超聲波被阻隔的現象。因此該文開發了一種電場矩陣在線監測技術,該技術將管道一周分成上百個電場矩陣,在管道外壁預設可靠電極、連續動態施加電流和采集電位響應信號,若在役管道發生腐蝕,則會引起各矩陣的阻抗變化,將捕捉到的阻抗變化信號換算為管道的壁厚減薄信息,就可以了解管道的腐蝕情況。由于某個矩陣阻抗變化而引起相鄰矩陣電流分布發生改變,為了消除這種關聯效應,開發了數學模型,保證了監測的準確性。該電場矩陣監測技術在國內西北某油氣田得到了應用,通過4G通信手段將采集到的數據實時傳輸至云服務器。

1 電場矩陣腐蝕監測技術原理

電場矩陣腐蝕監測技術也稱為電場指紋腐蝕監測技術(Field Signature Method,FSM)。其測量原理是通過對管道施加恒定電流,記錄各矩陣單元初始電位,作為指紋數據;當管道發生腐蝕時,電場就會發生變化,通過監測各矩陣單元的電位,并與指紋數據進行對比,得出管道的減薄量,從而實現對腐蝕的監測定位和形貌分析[2]。

電場矩陣腐蝕監測技術采用非開孔的形式,將電極焊接在被測管道外表面,把管道分成若干矩陣單元進行電位信號采集。同時在系統中配置一塊與管道材質相同的補償試片,對環境溫度變化進行補償,以消除溫度變化帶來的影響。將經過補償后測得的壁厚與初始壁厚進行對比得出減薄量。

為了定量分析腐蝕減薄量,FSM引入了矩陣系數DCi的概念。將沿著電流方向相鄰兩個電極對之間的矩陣單元等效為一個整體電阻。隨著管道的腐蝕減薄,管道電阻會隨之增大。將電極矩陣中任意電極對在某一時刻與初始時刻的電位測量值進行比較,得到電位差。矩陣系數DCi的計算公式如下:

(1)

式(1)中:DCi為矩陣系數;V測(tx)與V測(t0)分別為任意電極對在tx與t0時刻的電位測量值,mV;Vref(tx)與Vref(t0)分別為標準電極對在tx與t0時刻的電位測量值,mV。

測量數據均以矩陣系數為基數。如果忽略關聯效應的影響,就可以這樣理解:若測量的DCi值為1,則說明腐蝕減薄量相當于初始厚度的千分之一;若測量的DCi值為1 000,則說明腐蝕減薄量相當于初始厚度的一半。如果不忽略關聯效應的影響,就需對所測量的DCi值進行修正,以修正完的DCi值來計算真實的腐蝕減薄量。

2 電場矩陣監測技術的開發與應用

2.1 電場矩陣在線監測系統架構設計

埋地管道電場矩陣監測技術是針對距離場站較遠,無法鋪設通信電纜的監測點而設計的一種獨立式腐蝕監測技術。電場矩陣在線監測系統數據傳輸采用4G通信形式,電源采用大容量蓄電池外掛太陽能充電系統,對埋地部分電極區域進行保護結構設計。系統架構設計見圖1。

2.2 管道埋地部分防護結構設計

由于土壤環境比較復雜,一般的埋地管道都會有相應的防腐蝕涂層。在被監測的管道外表面進行電極焊接時會破壞其涂層,同時電極也有被腐蝕的可能,設計一套防護體系,對管道進行密封。管道埋地部分防護結構設計見圖2。

圖2 管道埋地部分防護結構設計

電極區通過兩層厚橡膠皮帶架高,皮帶外側由防水防腐膠帶進行纏繞。將電極線和施加線通過耐腐蝕軟管接入地上儀器,以避免與土壤長時間接觸,對電纜造成損壞。

2.3 消除矩陣間關聯效應

腐蝕引起矩陣單元內電阻變化,使管道電流分布發生改變。當一個矩陣單元發生腐蝕時,附近矩陣單元都受影響。為了還原矩陣單元內真實的腐蝕形貌及腐蝕深度,消除矩陣間關聯效應就顯得十分重要。

通過人工測量矩陣單元電位的方法來探索矩陣間關聯效應,由于儀表的靈敏度受限會造成系統性誤差。采用模擬軟件搭建等效電路,等效電路見圖3,即把被測管道等效成一個電阻網絡,將每個矩陣單元等效成電阻網絡中的一個電阻。通過大量的數據驗證來總結規律,得出各矩陣單元之間的關聯性。建立數學模型以消除關聯性,還原矩陣內真實的腐蝕形貌。圖4為消除矩陣間關聯效應的數學模型,該模型既能還原矩陣腐蝕區域的基本形態,也能消除腐蝕對其他矩陣單元的影響。

圖3 等效電路

2.4 電場矩陣監測技術的應用效果

2021年2月在某油氣田11號集氣站進站的埋地管道上安裝了電場矩陣在線監測系統,系統現場安裝情況見圖5。該管道是一條貫穿河床底部的輸氣管道,其基本信息如下:材質為20號,管徑為DN300,壁厚為10 mm,管內介質為天然氣,介質溫度為60 ℃。根據管道參數,采用16×9的矩陣形式安裝電極。

圖5 系統現場安裝情況

在同一管道的地上部分預留人工測厚部位,用于測算壁厚減薄量,檢驗系統運行效果。埋地管道取2個監測點、地上部分取1個監測點,連續監測6個月,將測量數據繪制成曲線用于展示監測效果。1號監測點位于管道底部(管道6點鐘方向);2號監測點位于管道頂部(管道12點鐘方向);3號監測點為人工測厚點,位于同一管道的地上部分。

在埋地管道監測部位完成電極焊接后對各矩陣單元進行人工測厚,監測點初始壁厚均為10 mm。連續監測6個月后,匯總1號、2號和3號監測點測量數據,再將數據轉換成曲線。3個監測點連續6個月的剩余壁厚變化情況見圖6。從圖6可以看出,6個月內三個監測點均呈現一個均勻腐蝕的趨勢。對比人工測厚與電場矩陣在線監測系統的數據發現,兩者結果保持一致,這充分驗證了電場矩陣在線監測系統的運行效果。

圖6 3個監測點的剩余壁厚變化情況

對埋地管道的全部矩陣單元進行連續監測,3個月和6個月后管道被測部位的剩余壁厚分別見圖7和圖8。

圖7 3個月后被測部位的剩余壁厚

圖8 6個月后被測部位的剩余壁厚

從圖中可以看出,3個月后管道被測部位的剩余壁厚為9.92～9.95 mm;6個月后管道被測部位的剩余壁厚為9.85～9.88 mm。另外,全部矩陣單元的測量數據均隨時間的變化呈現同樣的變化趨勢,這表明管道正在進行緩慢的均勻腐蝕。

3 結 論

(1)對于監測條件復雜的野外環境,采用電場矩陣腐蝕監測技術可以對埋地管道重點腐蝕部位進行全周向實時監測,精準定位腐蝕區域,解決埋地管道人工測厚難度大的問題。

(2)通過數據對比發現,電場矩陣腐蝕監測技術(FSM)測量結果與人工超聲測厚結果保持一致,因此該技術可用于在役管道腐蝕的準確監測和預警。

(3)通過試驗驗證,所開發的數學模型可以有效消除矩陣間關聯效應對測量的影響。

(4)針對油氣管道腐蝕的實時監測,開發了一種電場矩陣在線監測技術,為野外埋地油氣管道的腐蝕監測和安全預警提供了有力手段。