基于傳感器網(wǎng)絡的腐蝕在線監(jiān)測與壽命評估系統(tǒng)

張魯濱+魏建華+王秀+劉學軍

摘要：由于腐蝕帶來的嚴重經(jīng)濟損失以及人員傷亡問題日趨突出，腐蝕在線監(jiān)測受到了人們的廣泛關(guān)注。研究并實現(xiàn)了基于傳感器網(wǎng)絡的腐蝕在線監(jiān)測與壽命評估系統(tǒng)。系統(tǒng)以無線傳感器網(wǎng)絡為基礎(chǔ)，采用超聲波測厚技術(shù)，實現(xiàn)了腐蝕在線監(jiān)測。同時，基于合于使用評價方法對設(shè)備剩余壽命進行預測，提高了設(shè)備的安全管理水平。

關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡；在線監(jiān)測；壽命評估；測厚技術(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.171971

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：1672-7800（2018）001-0142-04

Abstract：Due to the serious economic losses and casualties caused by corrosion， the on-line monitoring of corrosion has been paid more and more attention. In this paper， an on-line corrosion monitoring and life assessment system based on sensor networks is presented. The system is based on the wireless sensor network， using the ultrasonic thickness measurement technology， realizes on-line corrosion monitoring， at the same time， to use the evaluation methods of residual life evaluation based on improving the safety management level of equipment.

Key Words：sensor network； online monitoring； life assessment； thickness measurement technology

0引言

腐蝕廣泛存在于石油、化工、冶金、輕工等工業(yè)部門。有資料顯示，因腐蝕造成的損失約占國民生產(chǎn)總值的1%～4%，腐蝕給人類造成的危害和損失甚至超過了風災、火災、水災和地震等自然災害的總和。特別是對于石油煉制和化學工業(yè)，其裝置不僅要承受溫度和壓力的作用，還要在腐蝕介質(zhì)條件下運行，所以腐蝕狀況尤為嚴重，由腐蝕造成的損失也非常大[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，石化設(shè)備的失效中，大約40%的失效是由腐蝕原因引起的。因腐蝕造成的設(shè)備跑冒滴漏，不僅影響了生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)周期，增加了生產(chǎn)成本，而且還會因有毒物質(zhì)的泄漏而污染環(huán)境，危害人類健康。

開展腐蝕監(jiān)測，不僅可以直觀方便地了解設(shè)備腐蝕情況，而且可以分析監(jiān)測到的腐蝕數(shù)據(jù)，為腐蝕管理提供第一手資料，從而更好地保證設(shè)備的安全運行，減少非計劃停工，保證設(shè)備的長周期運行[3-4]。

腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集主要有3種：人工現(xiàn)場下載、有線數(shù)據(jù)采集與無線數(shù)據(jù)采集。近年來，基于無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注[5-6]。

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）由大量小型節(jié)點組成，這些小型節(jié)點集成了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)與通信技術(shù)，能夠通過協(xié)作，實時監(jiān)測、感知、采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象信息，并對其進行處理，獲得詳盡準確的信息，傳送給需要這些信息的用戶[7-8]。

采用基于低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡方式對腐蝕數(shù)據(jù)進行采集，不僅避免了復雜布線帶來的不便，也有利于設(shè)備的安全運行。通過對采集的腐蝕數(shù)據(jù)作進一步分析，可以提升設(shè)備的運行預警能力。

因此，本文以無線傳感器網(wǎng)絡為基礎(chǔ)，采用超聲波測厚技術(shù)，研究并開發(fā)了腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)。同時，基于合于使用評價方法對設(shè)備剩余壽命進行評價，提高了設(shè)備的安全管理水平。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基于傳感器網(wǎng)絡和超聲波測厚技術(shù)實現(xiàn)了對重點腐蝕缺陷部位的在線測厚，幫助及時發(fā)現(xiàn)腐蝕減薄等缺陷。

系統(tǒng)主要由超聲波傳感器系統(tǒng)、防爆無線網(wǎng)關(guān)、中心服務器和診斷分析軟件組成，如圖1所示。

每個超聲波傳感器系統(tǒng)是傳感器網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，負責測厚數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。節(jié)點由電池模塊、超聲波測量模塊、信號采集模塊、無線通訊模塊以及波導桿組成。

各個節(jié)點采集的測厚數(shù)據(jù)匯集到無線網(wǎng)關(guān)。無線網(wǎng)關(guān)采用防爆型設(shè)計，無線傳輸方式為IEEE802.15.4標準協(xié)議，操作頻率為2.4GHz全球免許可證頻段。由于傳感器網(wǎng)絡的能耗主要來源于數(shù)據(jù)傳輸，并且與傳輸距離的平方成正比，所以為了降低能耗，采用了短距離多跳傳輸方式，網(wǎng)關(guān)與節(jié)點及節(jié)點之間距離不超過50m。無線短距離傳輸過程中，存在著一定的信息衰減。因此，系統(tǒng)的中繼節(jié)點要求不超過7個，從而使最遠節(jié)點與網(wǎng)關(guān)距離不超過400m。網(wǎng)關(guān)通過專用電纜連接至通訊轉(zhuǎn)換器，進入企業(yè)局域有線網(wǎng)。

中心服務器接收、存儲、備份網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)，管理腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，向瀏覽站發(fā)布腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)。

診斷分析軟件提供了系統(tǒng)設(shè)置、腐蝕數(shù)據(jù)可視化、腐蝕數(shù)據(jù)圖譜分析與剩余壽命預測等功能，可以從系統(tǒng)狀態(tài)總覽、測點總覽、壁厚實時數(shù)據(jù)表、壁厚趨勢圖、測點波形圖等不同角度幫助用戶了解設(shè)備腐蝕情況，通過圖譜分析和剩余壽命預測更加深入地評估設(shè)備健康狀況。

1.2系統(tǒng)功能設(shè)計

考慮到多用戶性和可擴展性，系統(tǒng)采用了B/S的體系結(jié)構(gòu)。功能包括系統(tǒng)設(shè)置、腐蝕數(shù)據(jù)可視化、腐蝕數(shù)據(jù)圖譜分析、剩余壽命預測、損傷模式判別與敏感性分析等。endprint

系統(tǒng)設(shè)置實現(xiàn)了系統(tǒng)級參數(shù)設(shè)定功能，如正常和報警界限值、默認分類周期，發(fā)生溫度異常、波動異常、耦合異常時的顏色顯示，以及是否計算時排除這些異常等。排除事件實現(xiàn)了定義、瀏覽及手動排除事件功能。

腐蝕數(shù)據(jù)可視化提供了列表、波形和圖譜等顯示方式，可以從系統(tǒng)狀態(tài)總覽、測點總覽、壁厚實時數(shù)據(jù)表、壁厚趨勢圖、測點波形圖等不同角度查看腐蝕狀況。通過系統(tǒng)狀態(tài)總覽，用戶可以從總體上掌握設(shè)備情況，如測點總數(shù)、正常運行測點數(shù)、腐蝕超標測點數(shù)、數(shù)據(jù)波動測點數(shù)等。測點總覽顯示每個測點總體信息，如近7天平均壁厚、當前和上一次測量壁厚、近一個月和三個月腐蝕速率、腐蝕是否超標等。用戶可以進一步通過壁厚實時數(shù)據(jù)表和壁厚趨勢圖查看每個測點各個采樣時間的測厚數(shù)據(jù)，分析變化趨勢?？梢赃x中某些時刻的測量數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)波形圖，包括初次波和一次波，通過波形圖分析更深刻地理解腐蝕狀態(tài)。

系統(tǒng)提供了腐蝕數(shù)據(jù)圖譜分析功能，典型圖譜分類包括高腐蝕速率、無腐蝕速率、局部腐蝕、溫度變化及低耦合導致的數(shù)據(jù)波動。超聲波在低溫下比在高溫狀況下傳播速度更快，所以第一個波峰靠前，如圖2所示。局部腐蝕時，表面波形狀受表面粗糙度影響變得不規(guī)則，一次波形狀和幅度也發(fā)生了變化，如圖3所示。

基于典型損傷模式的剩余壽命評價是設(shè)備健康診斷的重要內(nèi)容。剩余壽命預測模塊基于合于使用評價方法對壓力管道壽命進行評價與預測，在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。計算流程如圖4所示。模塊實現(xiàn)了如下功能：①典型管線元件（直管、彎頭、三通、異徑管）的壽命預測、最小允許壁厚計算，以及基于時間的厚度監(jiān)測點（TML）基準值設(shè)定；②均勻腐蝕減薄、局部腐蝕減薄、點蝕坑、焊接面型缺陷、焊接體型缺陷等損傷模式的壽命計算；③提供前提條件確認、不同管線元件選擇、免評條件計算、壽命評價計算功能；④提供屈服強度、抗拉強度、許用應力、彈性模量等自動查詢功能，使用戶無需手工查詢技術(shù)手冊。

損傷模式判別和敏感性分析模塊提供典型損傷模式判別及分級評價功能，為設(shè)備管理人員、工藝人員提供必要的技術(shù)支持，幫助其安排腐蝕介質(zhì)控制與設(shè)備腐蝕檢測，以保證設(shè)備長周期運行的需要。

該模塊依據(jù)GB/T30579-2014《承壓設(shè)備損傷模式識別》、GB/T26610.1～5《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風險的檢驗實施導則》、美國石油學會石化設(shè)備損傷模式判別標準API571等國內(nèi)外權(quán)威標準規(guī)范，實現(xiàn)了應力腐蝕開裂、環(huán)境開裂、材料劣化、機械損傷、低溫腐蝕、高溫腐蝕、層下腐蝕等54種損傷機理的判別和35種損傷敏感性判別，并提供了損傷形態(tài)和發(fā)生部位信息。

2系統(tǒng)實現(xiàn)及應用

本系統(tǒng)已經(jīng)應用于中原油田普光分公司某集氣站的管道危險部位監(jiān)測中。普光氣田屬于高含硫天然氣氣田，在開采、運輸?shù)冗^程中硫化氫會對金屬設(shè)施造成腐蝕，導致管線設(shè)備出現(xiàn)壁厚減薄或點蝕穿孔等腐蝕問題。由于硫化氫的高毒性，致使集氣站成為危險區(qū)域，傳統(tǒng)的人工測厚方法難以開展。

為了及時發(fā)現(xiàn)管道腐蝕情況，掌握腐蝕變化過程，從而總結(jié)腐蝕規(guī)律、開展針對性選材或者在線防腐保護，中石化普光分公司開發(fā)了腐蝕在線測厚和壽命評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)一期包括6個監(jiān)測點、1個無線網(wǎng)關(guān)。監(jiān)測探頭采用螺柱安裝方式，將其直接固定在管道上。無線網(wǎng)關(guān)安裝在裝置外空地上，其附近為電纜線地溝。各個監(jiān)測點以無線多跳方式將測厚數(shù)據(jù)匯總于無線網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過有線電纜與集氣站控制間機柜內(nèi)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器相連，協(xié)議轉(zhuǎn)換器與企業(yè)局域網(wǎng)的交換機相連，數(shù)據(jù)進入企業(yè)有線網(wǎng)絡。診斷分析軟件安裝于公司信息中心的虛擬服務器，各用戶通過Web瀏覽器登陸軟件系統(tǒng)。軟件接收前端監(jiān)測點的測厚數(shù)據(jù)，進行信息顯示和分析診斷，如圖5所示。

通過軟件系統(tǒng)，用戶可以直觀地看到管道當前壁厚及年腐蝕速率，通過不同顏色可以區(qū)分正常測點和腐蝕超標測點。通過觀察圖譜，能夠分析管道是否有溫度變化、局部腐蝕以及內(nèi)壁粗糙等變化。

根據(jù)設(shè)備設(shè)計標準，各種損傷的評價、評級標準，研究基于每一種損傷機理的剩余壽命計算方法，開發(fā)了便于企業(yè)自用的剩余壽命評價計算軟件。軟件利用在線測厚獲得的壁厚、腐蝕速率，以及壓力、溫度、管徑等信息，實現(xiàn)了典型管件的典型損傷模式剩余壽命評價和預測，如圖6所示。

系統(tǒng)優(yōu)勢體現(xiàn)在：①適用于惡劣作業(yè)環(huán)境，尤其是人員不易進入的環(huán)境或高空環(huán)境；②利用波導桿技術(shù)，將超聲波傳感器與被測設(shè)備隔離，不使用耦合劑，可長期、有效、準確地對高溫、高壓、臨氫等危險環(huán)境下的設(shè)備進行在線監(jiān)測；③可靠的無線自組網(wǎng)傳輸技術(shù)，節(jié)點通過穩(wěn)定可靠的無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省了信號傳輸電纜等費用及布線工作；④對同一位置、連續(xù)的腐蝕數(shù)據(jù)監(jiān)測，準確可靠，測量精度高；⑤用戶界面友好，具有直觀的腐蝕趨勢分析和剩余壽命預測功能；⑥傳感器及電池低功耗設(shè)計，可完全滿足現(xiàn)場安全性和長周期使用要求。在電池壽命內(nèi)，幾乎無需進行維護。

3結(jié)語

腐蝕監(jiān)測和腐蝕數(shù)據(jù)分析是保障設(shè)備安全運行的重要手段。由于溫度、壓力和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用，承壓設(shè)備腐蝕問題尤為突出，是目前影響設(shè)備運行的主要風險來源。本研究采用無線傳感器網(wǎng)絡和超聲波技術(shù)實現(xiàn)了腐蝕在線測厚，對于連續(xù)監(jiān)測和設(shè)備腐蝕狀況分析具有重要作用，尤其適用于人力難以企及的危險或高空環(huán)境。系統(tǒng)不僅具有直觀的腐蝕趨勢分析與圖譜分析功能，還具有剩余壽命預測功能。系統(tǒng)已成功應用于高含硫氣田的腐蝕監(jiān)測中。下一步工作是將與腐蝕相關(guān)的更多功能納入系統(tǒng)，形成腐蝕監(jiān)測、管理、分析、控制綜合集成平臺，從而實現(xiàn)設(shè)備健康診斷與運行風險預警的精準化。

參考文獻：

[1]李宇庭，甘芳吉，李文強.基于交流場指紋法的金屬管道縫隙腐蝕監(jiān)測方法[J].儀器儀表學報，2015，36（3）：545-551.

[2]紀大偉，任厚珉，黃一.管道內(nèi)腐蝕實時監(jiān)測系統(tǒng)研制[J].腐蝕與防護，2009，30（1）：39-42.

[3]商好賓，楊富淋.蒸餾裝置塔頂在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)對工藝防腐蝕的作用[J].石油化工腐蝕與防護，2015，32（6）：18-21.

[4]黃一，徐云澤，王曉娜，等.基于雙環(huán)電阻傳感器的管道內(nèi)壁腐蝕監(jiān)測技術(shù)研究[J].機械工程學報，2015，51（24）：15-23.

[5]王驥，林杰華，謝仕義.基于無線傳感網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學報，2015，24（11）：1732-1740.

[6]曾錠陽，卜方玲，張文超，等.面向滑坡的無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測周期動態(tài)調(diào)整方法[J].計算機應用與軟件，2016，33（7）：145-147.

[7]錢志鴻，王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡綜述[J].電子與信息學報，2013，35（1）：215-227.

[8]劉帥，李正煒，吳元昊.基于能耗梯度的無線傳感器網(wǎng)絡路由算法[J].傳感技術(shù)學報，2016，29（8）：1247-1252.

（責任編輯：黃?。〆ndprint