一種新型在線腐蝕監測系統在集輸天然氣管道的應用

練 斌 陳振棟 李萬炯 只 偉 楊 陽

（1. 中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459；2. 中海油油氣田腐蝕防護中心，天津 300459；3. 中海油（天津）管道工程技術有限公司，天津 300452）

腐蝕監測是指對設備的腐蝕速度以及某些與腐蝕狀態有密切關聯的參數進行測量，并進而通過所測量的結果對生產過程相關條件實行自動控制或報警。通常無損檢測技術超聲檢測在油氣管道腐蝕監測領域占有重要地位，利用超聲波在金屬中的響應關系而發展的一種監測點蝕和裂紋缺陷及厚度的方法。超聲檢測的主要優點在于能夠探測固體材料的內部，不同于光學方法、X射線衍射法和磁性測量方法僅能探測材料的表面和近表面區域。金屬管道在長期服役過程中，疲勞、蠕變、熱時效、輻射、腐蝕引起的材料微觀組織變化也需要檢測，在線監測金屬管道應力及微觀組織，以保證結構的安全性和可靠性。

0 引言

新疆某氣庫與站場具備多種規格各類天然氣集輸管道，根據短距離高壓天然氣集輸管道特點，分析集輸管道腐蝕現狀及腐蝕檢測技術應用情況，結合儲氣庫作業區點檢情況，確定集輸管道的腐蝕關鍵位置進行監測，開發適用于高壓天然氣集輸管道的腐蝕監測系統及腐蝕率計算等算法，研發一套腐蝕監測系統配套硬件設施并能夠成功應用是很有必要的。

1 電磁超聲腐蝕監測技術介紹

1.1 技術原理

對于鋼制管道等磁性材料，電磁超聲激發過程：置于磁性材料上方的線圈通以瞬態交變電信號產生交變磁場，導致處于偏置磁場中的材料表層磁化強度發生變化，產生磁致伸縮力和磁化力。交變磁化區域在磁致伸縮力和磁化力的共同作用下產生振動，進而產生超聲波。

對于磁性導電材料，電磁超聲是洛倫茲力、磁致伸縮力和磁化力共同作用產生的。

1.2 電磁超聲技術優勢及局限性

電磁超聲檢測[1]方法的優點主要有：

圖1 電磁超聲與壓電超聲測厚原理對比圖

（1）非接觸，不需要耦合劑。適用于高溫、低溫、干燥或真空環境條件下檢測。適用于表面有覆蓋層的工件檢測。適用于快速和自動化檢測；

（2）能產生各種波形的超聲，包括縱波、各種偏振方向的橫波（特別是水平偏振的橫波）和各種類型的超聲導波；

（3）電磁聲換能器可實現主動調頻發射和接受，適宜進行多頻率檢測，適宜進行多波形檢測，適宜進行超聲導波模態控制。

電磁超聲檢測方法的局限性：

（1）不適用于既非導電又非導磁材料檢測；

（2）受被檢材料電磁特性影響較大；

（3）采用永磁體式電磁聲換能器檢測鐵磁性材料時，探頭有吸力，移動比較困難，不便于進行手動掃查；

（4）邊緣效應明顯，在邊緣處檢測盲區較大；

（5）在某些場合下檢測后需對工件進行退磁。

2 電磁超聲腐蝕監測系統平臺搭建

2.1 系統構架組成

電磁超聲無線腐蝕監測[2]系統通過無線傳輸技術傳輸數據，使用技術具有超低功耗、安裝簡單、系統免維護、適用于惡劣環境等特點。如圖2系統架構圖所示，無線腐蝕監測儀通過無線組網（Lora傳輸協議）傳輸數據到無線網關，網關通過無線/有線上報數據到服務器，根據氣庫作業區現場情況，暫定通過光纖傳輸。

圖2 腐蝕監測系統架構圖

2.2 腐蝕監測系統平臺

腐蝕監測系統平臺軟件主要由腐蝕在線監測軟件、數據庫、服務器等組成，系統軟件為B/S構架，在瀏覽器上輸入網址即可使用分析軟作，無需要安裝客戶端和任何插件，保證數據瀏覽的靈活性。

監控平臺集成了專業的腐蝕監測模塊，可實現對有線腐蝕監測傳感器設置及無線腐蝕監測儀的遠程控制，計算腐蝕率，顯示腐蝕厚度及相關數據，設置報警等完善的功能，包括：

（1）便捷易用：簡便的數據獲取、可視化顯示、數據報表及易用的用戶操作界面；

（2）靈活部署：支持公有/私有/混合云部署彈性擴容：自適應彈性伸縮擴展，支持千萬級并發連接。

軟件具備豐富的數據分析功能，如壁厚趨勢分析，長短周期腐蝕速率分析，溫度趨勢分析等功能，如圖3～圖5所示。

圖3 腐蝕監測系統界面示意圖-1

圖4 腐蝕監測系統界面示意圖-2

圖5 腐蝕監測系統界面示意圖-3

2.3 無線腐蝕監測儀

無線腐蝕監測儀主要由超聲波測量傳感器[3]、溫度測量傳感器、高容量鋰電池組成，一體化設計，具備本安防爆認證，可滿足0區、1區設備要求。

2.4 腐蝕監測系統數據傳輸方案

（1）無線傳輸

由于現場環境，管線多，會阻擋傳輸信號，一般傳輸信號受影響比較大，而且距離較短，比如藍牙傳輸協議。經分析測試驗證，無線腐蝕監測儀與無線網關之間采用Lora無線傳輸協議，然后再通過專用線纜或者光纖將數據傳輸到服務器；

（2）有線傳輸

無線網關接收到無線腐蝕監測儀[4]的監測數據，將數據處理后，經由氣庫作業區光纖傳輸至機柜間內的服務器監控平臺，可在同一局域網內的任意電腦內，通過網絡登錄進入腐蝕監測系統平臺；

2.5 供電方案

無線腐蝕監測儀內置大容量鋰電池，支持更換，使用壽命長達10年（默認采集周期為1天/次）。

無線網關需要外部供電，直流DC24V，現場需要提供電源。服務器安裝在機柜間內，需要交流220V電源，建議提供UPS不間斷電源。

3 腐蝕監測系統運行概況及數據分析

3.1 腐蝕數據統計

該電磁超聲腐蝕監測系統于2021年11月15日啟動運行至今，已穩定運行超過15月。全部數據存儲于氣庫服務器，腐蝕防護工程師定期前往站場進行數據采集和設備維護，對腐蝕監測數據[5]進行收集和評估，提交電磁超聲腐蝕監測分析報告。

系統設置監測周期設定為1天，我們選取2021年11月～2022年2月階段數據進行分析。

氣庫某管線G1位置的起始壁厚和當前壁厚數據及腐蝕速率計算如圖6所示。

圖6 管線腐蝕監測信息數據表（G1監測點位）

3.2 腐蝕數據分析

電磁超聲腐蝕監測系統在GI 監測點于2021年11月15日～2022年2月15日共采集103個數據，根據圖7可以看出：依據NACE SP 0775 腐蝕速率分級標準，G1監測點位腐蝕速率在全區間內均屬于嚴重腐蝕（v＞0.25mm/a），在2021年11月15日～2021年12月14日變化波動較大，在2022年2月7日后腐蝕速率又呈現上升的趨勢。

圖8 NACE SP 0775 腐蝕速率分級標準

NACE SP 0775油田生產中腐蝕掛片的準備和安裝，其中第5部分腐蝕掛片數據解讀中列出了油田生產系統碳鋼腐蝕速率的定性分級表，這是目前油田最常使用的腐蝕速率定性分級方式，根據此分級方法，管線監測點屬于嚴重腐蝕。

管線剩余壁厚曲線顯示：壁厚變化在初始階段呈現一個波動現象（如圖9所示），由于測量位置腐蝕表面的粗糙度較大，造成超聲信號的波動較大，因而解析的壁厚值也存在一定程度波動。后續壁厚數據平穩后整體壁厚值呈下降趨勢，管線監測點在2022年2月8日下降至12.288mm，減薄了0.037mm。

圖9 監測管線剩余壁厚

3.3 建議及措施

根據在用工業管道定期檢驗規程，該管線屬于GC2級第四類管道，通過對管線全面、在線腐蝕監測，壓力試驗數據及管道耐壓強度計算分析后，按照工業管道檢驗規程的相關規定，對監測管段進行安全狀況評價，此段安全狀況等級達到四級。

根據上述分析此段安全狀況等級達到四級，并且金屬損失超過54.48%，根據ASME PCC-2-2018 壓力設備和管道維修標準，建議：

（1）采用纖維材料對監測管道段進行補強修復；

（2）停產大檢修時，可進行切割換管。

4 結語

在油氣生產及儲運等生產過程的腐蝕控制，按過程中、過程前、過程后的區段采取措施時，前～中～后所耗費的人力、財力是成倍、甚至是萬倍以上增長的。過程中進行腐蝕監測也是防止過早腐蝕失效的重要方法。開展在線定點測厚腐蝕監測，加強腐蝕監測是腐蝕控制的重要環節。配備先進的監測儀器，結合現場在線檢測為主，停工檢查為輔，一定可以大為縮短大修周期，大大節約檢修成本和生產成本。此外還需建立穩定可靠有效的腐蝕檔案數據庫，為管道設備的使用壽命檢測評估提供數據支持。

電磁超聲腐蝕監測系統，在本次儲氣庫的應用，表明了作業者在腐蝕控制領域實施新技術的強大決心，事實證明電磁超聲新型腐蝕監測技術具有廣闊的實用價值和應用前景。