钢制管道腐蚀监测技术及系统

30.00
20.00
10.00
0.00
-10.00
S5
-20.00
1
2
3
4
5
6
7
S3
8
S1
40.00 -50.00 30.00 -40.00 20.00 -30.00 10.00 -20.00 0.00 -10.00 -10.00 -0.00 -20.00 --10.00
50.00
40.00
30.00
•3.2牵扯效应，小腐蚀坑不可分问题的解决
牵扯效应（Drag effect）的解决
25.0 20.0 15.0 10.0
5.0 0.0 -5.0 -10.0
20.0 -25.0 15.0 -20.0 10.0 -15.0 5.0 -10.0 0.0 -5.0 -5.0 -0.0 -10.0 --5.0 S7
1 4 7 10 13 16 19 22
一个电阻增加10%时 电压差 理论计算
局部区域减薄10%时电压差
实际测试 （高精度铣床，恒流源，电压表）
结论：牵扯效应确实存在。对坑蚀精度有很大的影响。
1.875 1.875 1.875 1.875 1.875 1.875 1.875 1.875
1.875
1.875
S1
25.0 20.0 15.0 10.0
5.0 0.0 -5.0 -10.0 -15.0
20.0 -25.0 15.0 -20.0 10.0 -15.0 5.0 -10.0 0.0 -5.0 -5.0 -0.0 -10.0 --5.0 S11 -15.0 --10.0 S1
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
120
130
140
150
160
170
180
190
M e a s ure m e nt num b e r
特点!
和漏磁法、超声波法、涡流传感器、电阻 探针和电感探针相比较[4,5,6]，基于FSM的测 试系统在概念上有传感器，但在实体上没 有传感器。 ( 传感器三要素: 敏感元件、转换元件和转换电路即 管体本身。)
1.875
1.875
1.875
1.875
1.875
1.875
1.875
1.875
1.875
1.875
1.875
1.875
1.875
1.875
Uij,t0
1.875 1.875 1.875 1.875 1.875 1.875 1.875 1.875
1.877 1.877 1.876 1.874 1.868 1.874 1.876 1.877
国外FSM产品和技术的不足
理论上不完善
（牵扯效应，小腐蚀坑不可分问题）
数据解释较复杂。
（坑蚀和焊缝损失数据要传回CorrOcean公司 数据处理中心处理。）
产品价格昂贵。 后续服务昂贵、不便。
3.FSM技术和系统研究、研制
• 3.1 目标 研制的系统，充分保持上述优点，克服
上述缺点，填补国内空白。
• 1995年以后，在海底管道腐蚀监测的迫切需求下，挪 威CorrOcean公司和英国的Rowan公司开发了比较实 用的FSM产品。很多学者对相关技术做出大量的研究 和贡献。最具代表性的有：
• 1995年，挪威R. Strommen 等人提出了改进的 FSM的模型，通过增加一参考板，减少了温度变化的 影响；提出了场指纹系数 Fc 概念和算法，使FSM在 海底管道和海底重要构件的腐蚀监测上得到了较广泛 地应用。
• 2007年，美国Kjell Wold、Geirfinn Simes 等人提出FSM新的发展方向为远距离无线 监控。
下面介绍FSM系统在 海底管道, 化工厂和埋地管道腐蚀 监测方面的应用:
2.国内外应用现状
• 海底管道，重要构件检测
海底管道应用 BP Exploration (North Africa), (Gulf of Mexico) 世界上最大的
1.879 1.879 1.879 1.877 1.852 1.877 1.879 1.879
1.878 1.881 1.885 1.901 1.966 1.901 1.885 1.881 Uij,ti
1.881 1.879 1.879 1.877 1.852 1.877 1.879 1.879
1.28 1.17 0.75 -0.69 -3.73 -0.69 0.75 1.17
左右就发生了腐蚀穿孔，有的管段则可达十余年。）
• 失效的基本形式
– 穿孔
• 油管及钻具管体、地面集输管线、注水管线
– 开裂
• 油管接箍开裂、油管及钻具管体断裂、地面管线开裂
– 减薄
• 油管管体、地面管线
• 腐蚀的基本类型
– 冲刷腐蚀 – 缝隙腐蚀 – 电偶腐蚀 – 细菌腐蚀 – H2S/CO2电化学腐蚀
1) 1000
Vref (t0 )
(单位：ppt, Part per thousand)
初始测量时，FCi = 0
tx时刻测量时，如果局部区域（坑蚀）腐蚀存在，测量电极之间
的电阻将增加，相应的电压增加使得FC值大于零。
温度变化, 激励电流变化使Vi 和 Vref 同比例变化, 测量不受影。
由于腐蚀/冲蚀是一种不可逆的化学和物理现象，故FC值理论上是
1.876 1.876 1.875 1.874 1.873 1.874 1.875 1.876
电阻变化10%
1.23 1.17 0.75 -0.69 -3.73 -0.69 0.75 1.17
0.75 0.59 0.21 -0.48 -1.33 -0.48 0.21 0.59
电指纹系数
50.00
40.00
• 由于坑蚀大小、深度和位置的随机性，使 电流场的分布计算变得很复杂且没有确定 性。
• 2009年英国帝国理工Imperial College的 G.Sposito, P. Cawley等人认识到了因坑蚀 导致电流重新分配，导致电位变化不再呈 线性的问题。
• 在坑蚀位置已有先验知识的条件下，提出 了用电位图（Potential Drop Mapping）来 检测坑蚀情况，给出的电位探针间距最优 解没有普适性。
-20.0
123
4
5
6
7
8
S6 S5 S4 S3 S2
S1
1.875 1.875 1.875 1.875 1.875 1.875 1.875 1.875
1.875 1.875 1.875 1.875 1.875 1.875 原始电阻电压 1.875 1.875
1.877 1.877 1.876 1.874 1.868 1.874 1.876 1.877
时，内外环境相似的相邻数公里管道内 腐蚀状况是相似的，这就为监测局部进 而推断全局提供了依据。目前国外的情 况是10至20公里设一个监测点。(基于电位矩阵
法的钢制管道腐蚀监测系统)
•由于炼油厂中管道系பைடு நூலகம்各处的管径，管厚，
材质、流量、流速、压力、温度和介质变 化大，故在炼油厂对重要和易出问题的部 位应逐一安装该系统。
石油/石化集团。全球500强中排前五名.
(中海油2套)
注意: 1有三种传感器。
2 安装方式:同质测量管.
炼油厂应用
炼油厂应用： (英国Humber炼油厂,99年4套,
00年1套,由于效果很好2001年加8套).
应用1 (常温, 设计检测的腐蚀类型: 均匀腐蚀)
管径: 76mm 管厚: 6.7mm (30%=2.04mm)
电指纹法 （FSM- Field Signature Method）
Vi (tx )
一个比较实际的系统 FCi
( Vi (t0 ) Vref (tx )
1) 1000
Vref (t0 )
任一对测量电极所代表的局部腐蚀(坑 蚀)程度由指纹系数（FC值）判断：
由公式可知:
Vi (tx )
FCi
( Vi (t0 ) Vref (tx )
• 监测系统的使用期限由管道的使用寿命决定。测量系统 在整个使用过程中几乎没有消耗。
• 可以在高达500℃的温度下使用。
腐蚀如此严重 结果已不可靠
2008.10.30～2009.9.17，监测周期：322天，腐蚀速度 0.4941mm/a
水平1井卸油台至1#2#阀组试片腐蚀形貌
2009年9月份塔中6气体站电阻探针腐蚀形貌
1.97 2.13 2.24 0.80 -12.21 0.80 2.24 2.13
1.55 2.99 5.33 13.81 48.43 13.81 5.33 2.99
2.99 2.13 2.24 0.80 -12.27 0.80 2.24 2.13
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
-10.0
基于电位矩阵法的 钢制管道腐蚀监测技术及系统
Field Signature Method - FSM
四川大学测控系
2012年12月4日
目录
1. 背景 2. 原理简介 3. 国内外应用现状 4. 系统研究 5. 性能及前景
1、背景
• 管道腐蚀是一个缓慢的过程，除均匀腐蚀 外，还存在冲蚀，坑蚀。
• 实践表明，坑蚀（pit corrosion)、冲蚀(local corrosion)，危害性远大于均匀腐蚀（general corrosion）。（以四川的天然气主管道为例，有的管段在两年
1.电位矩阵法（FSM）原理简介
原理说明：
I
U i，j ︱t0 = I x R i，j R ︱ i，j t0 = ρ L / （w h ） i，j
U i，j =I x R i，j R i，j = ρ L / （w h i，j）
>…>…>
U i，j ︱tm = I x R i，j R i，j ︱tm = ρ L / （w h ） i，j
随时间而单调增加的。
2、国外现状及动态
• 1983年，由挪威学者H.Hangestad首次提 出。
• 该方法和技术具有可靠性特别高，安全性 好和温度适应范围特别大的优点。
• 由于极间电压也只有几十μV，而腐蚀引起 的电压变化只有0.1μV数量级。受当时元器 件和仪表工业水平的限制，这一技术没有 得到发展和实际应用。
20.00
F
10.00
C
值
0.00
1 4 7
-10.00
-20.00
-30.00
S1
S2
S3
S4
S5
S6
两个电阻均变化10%FC值图
50.00
45.00
40.00
35.00
30.00
25.00 FC值
20.00
15.00
10.00
5.00
0.00
-5.00
设计余量： 70% （3mm /10mm) 上图中普遍坑深：2-3.5mm。
坑蚀一但发生，容易发展。
250
208 200
150
101 100
63
50
34
46
21
0 2006年 2007年 2008年 2009年 2010年 2011年
塔里木某联合作业区 历年腐蚀穿孔统计
•大量调研表明，当一小段管道发生坑蚀
炼油厂应用3 (高温) ★ ★ ★ ★ 管径: 355mm 管厚: 13mm (30%=3.9mm) 温度: 349 oC 类型: 局部腐蚀 年腐蚀率: 0.08mm/Year!(48年3.9mm)
埋地管道应用 (龙岗2,普光23,克拉玛依2,吉林?)
埋地管道应用 (中东)
1. 便携式 (已有产品)
• 受当时计算技术的限制，FSM在原理上的局限性还没 有被认识到，坑蚀的计算还是以经验公式为主，例如 当诸Fc不均匀时，采用3-5倍的系数来给出坑蚀量。
• 2008年，英国学者D.M Farrell和A.Daaland 等人在仿真计算的基础上，认识到了当电 流经过坑蚀区域时，均匀电流将受到扰动， 导致系统的精度下降。
2. 电缆连接(已有产品)
3. 太阳能+无线数据 (有研究动向报道,未见 应用产品) 4. 产品国内空白
TZ721井
进站管线 FSM腐蚀 监测
T Z -721 M atrix - A ll pairs
ppt 10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
温度: 65 oC 年腐蚀率: 0.08mm/Year! 25年
炼油厂应用2 (常温)
管径: 254mm 管厚: 9.7mm (30%=2.91mm) 温度: 65.5 oC 类型: 均匀/冲蚀 ★ ★ ★ ★ 年腐蚀率: 0.38mm/Year.! !(7.6年2.91mm)
只能用7.6年,需要当心了!!!
基于FSM特别突出的特点，它在实用上有如 下优点：
国外FSM产品和技术的优点
• 不再次开挖掩埋层、在线、可靠性和精度高。
• 直接检测局部典型范围内的腐蚀量、腐蚀速率、坑蚀、 焊缝腐蚀、冲蚀。
• 测量元器件在测量过程中不暴露在易腐蚀、易磨损和高 压环境中。（参阅下面二个对比的反例）
• 在管道(容器)上进行装配时无需开孔和停产，不会导致 泄漏危险。