高寶元，譚歡，張茜

(1. 中國(guó)石油集團(tuán) 川慶鉆探工程有限公司 工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710018 ；2. 低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018)

輸油管線的腐蝕損傷將嚴(yán)重降低管線的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、承受能力和可靠性，縮短管線的使用壽命，增大運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[1]。由于埋地管線所處地區(qū)的不同，土壤腐蝕環(huán)境、管線腐蝕層的狀態(tài)、陰極保護(hù)有效性、輸送原油介質(zhì)、管線運(yùn)行條件等原因，導(dǎo)致了管線的腐蝕損傷狀態(tài)不同。因此，在腐蝕監(jiān)測(cè)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)的側(cè)重點(diǎn)會(huì)有所不同，需要采用不同的檢測(cè)傳感器和方法[2]。針對(duì)輸油管線腐蝕現(xiàn)狀，常規(guī)的人工檢測(cè)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，現(xiàn)行的輸油管線在線監(jiān)測(cè)技術(shù)各有局限，諸如輸油管線剩余壁厚需要開(kāi)挖檢測(cè)，除了費(fèi)用較高之外，勢(shì)必會(huì)對(duì)管線造成一定的不良影響[3]。輸油管線防腐蝕效果在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)快速、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，可有效防范輸油管線的腐蝕泄漏風(fēng)險(xiǎn)，使輸油管線腐蝕得到有效控制，為輸油管線制訂防腐蝕措施提供科學(xué)依據(jù)[4]。

1 工作原理

將各種傳感器采集到的管線腐蝕數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)采集器中，數(shù)據(jù)采集器將各種輸油管線腐蝕信號(hào)分析處理后，轉(zhuǎn)換成4～20 mA信號(hào)和RS-485信號(hào)，通過(guò)光纖傳輸至就地在線腐蝕監(jiān)測(cè)單元，存儲(chǔ)輸油管線腐蝕數(shù)據(jù)并上傳至遠(yuǎn)程控制中心，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)處理后，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)防腐蝕效果。該系統(tǒng)能夠反映輸油管線的真實(shí)腐蝕狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)輸油管線腐蝕泄漏狀態(tài)，進(jìn)行防腐層定位、評(píng)估防腐層的老化狀態(tài)、判識(shí)輸油管線運(yùn)行參數(shù)、在線參數(shù)預(yù)警等[5]。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程控制中心、就地腐蝕監(jiān)測(cè)單元、傳輸光纖、數(shù)據(jù)采集器、傳感器和網(wǎng)線，輸油管線防腐蝕效果在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示[6]。

圖1 輸油管線防腐蝕效果在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成示意

2.1 腐蝕測(cè)量部分

腐蝕測(cè)量傳感器包括： 電阻探針傳感器、電化學(xué)探針傳感器、電感探針傳感器、測(cè)厚傳感器和平均壁厚測(cè)量傳感器[7]。

2.1.1電阻探針傳感器腐蝕計(jì)算

金屬線圈在某溫度下的電阻值計(jì)算如式(1)所示：

R=ρd/A

(1)

式中：R—金屬線圈電阻；ρ—金屬線圈的電阻率；d—金屬線圈的長(zhǎng)度；A—金屬線圈通電截面積。

隨著腐蝕的進(jìn)行，A將減小，根據(jù)式(1)可知R值增大。通過(guò)監(jiān)測(cè)阻值的變化，即可根據(jù)式(1)推導(dǎo)出腐蝕深度的變化，從而獲得腐蝕損耗和腐蝕速率信息。

金屬線圈腐蝕深度Mt的計(jì)算如式(2)所示：

Mt=r0{1-[1-(Rt-R0)/Rt]1/2}

(2)

式中：r0—金屬線圈的原始半徑；Rt—金屬線圈腐蝕后的電阻值;R0—金屬線圈腐蝕前的電阻值。

金屬線圈腐蝕速率v的計(jì)算如式(3)所示：

v=8 760(M2-M1)/(T2-T1)

(3)

式中：M2-M1—兩次測(cè)量間的腐蝕深度平均差值；T2-T1—兩次測(cè)量間的時(shí)間間隔。

2.1.2電化學(xué)探針傳感器腐蝕計(jì)算

在電化學(xué)法測(cè)量中，利用材料腐蝕過(guò)程中表面的電化學(xué)特性與腐蝕瞬時(shí)的腐蝕速率的線性關(guān)系K值，可測(cè)量瞬時(shí)腐蝕速率，K值的測(cè)量是電化學(xué)測(cè)量的關(guān)鍵。由于K值隨不同腐蝕體系而變化，從理論上可以得出，K值最小時(shí)為8.7 mV,K值最大時(shí)為52 mV，通常取中間值25.6 mV進(jìn)行計(jì)算。如果利用已測(cè)定的一些體系的K值來(lái)測(cè)量，即使在同一個(gè)腐蝕體系，在腐蝕發(fā)展的不同階段，金屬表面狀態(tài)和腐蝕介質(zhì)隨時(shí)間變化時(shí)，K值也在不斷地變化，得出的腐蝕電流最大誤差高達(dá)±200%以上。電化學(xué)探針傳感器可以測(cè)量金屬材料在介質(zhì)中的瞬時(shí)腐蝕速率，能夠反映腐蝕過(guò)程中金屬腐蝕速率的變化趨勢(shì)，可以了解工藝參數(shù)的快速變化及其對(duì)腐蝕速率的影響。

2.1.3電感探針傳感器腐蝕計(jì)算

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，測(cè)量的是探頭內(nèi)圍繞試樣的金屬線圈的電感L，它由匝數(shù)N的平方和金屬線圈磁阻Rm決定：

L=N2/Rm

(4)

磁阻Rm可以從式(5)得到：

Rm=d/μ0A

(5)

式中：μ0—金屬材料相對(duì)磁導(dǎo)率。

將式(5)代入式(4)可得線圈電感L：

L=μ0AN2/d

(6)

式(6)對(duì)d進(jìn)行微分得：

E=dL/dd=-μ0AN2/d2=-L/d

(7)

則 dL/L=dd/d

(8)

通過(guò)檢測(cè)探頭內(nèi)圍繞管線的金屬線圈的電場(chǎng)強(qiáng)度，可測(cè)試試樣的腐蝕程度，腐蝕速率v：

v=KMΔL

(9)

式中：KM—影響常數(shù)；ΔL—金屬線圈電感變化量。

2.1.4平均壁厚測(cè)量傳感器腐蝕計(jì)算

測(cè)厚傳感器由電阻傳感器和電化學(xué)傳感器組合而成，通過(guò)測(cè)量輸油管線的電阻變化和磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，可測(cè)量輸油管線厚度的變化。輸油管線平均厚度δ計(jì)算如式(10)所示：

δ=(Hrδr-Hmhm)/ΔH

(10)

式中：δ—輸油管線平均厚度；δr—銜鐵厚度；Hr—銜鐵中平均磁場(chǎng)強(qiáng)度；Hm—兩極間空氣中的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度；hm—磁敏元件高度；ΔH—磁場(chǎng)強(qiáng)度變化量。

2.2 在線監(jiān)控部分

遠(yuǎn)程控制中心具有腐蝕數(shù)據(jù)采集、輸油管線腐蝕監(jiān)視控制、信息顯示、信息存儲(chǔ)及報(bào)告、數(shù)據(jù)計(jì)算、事故追憶、事件順序記錄和在線參數(shù)預(yù)警功能；就地在線腐蝕監(jiān)測(cè)設(shè)有計(jì)算機(jī)和信息儲(chǔ)存模塊，計(jì)算機(jī)用于顯示腐蝕數(shù)據(jù)，便于就地監(jiān)視，信息存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)腐蝕數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳給遠(yuǎn)程控制中心[8]。

3 輸油管線防腐蝕效果在線監(jiān)測(cè)步驟

輸油管線防腐蝕效果在線監(jiān)測(cè)步驟如下：

1)在遠(yuǎn)程控制中心配置監(jiān)控設(shè)備，并安裝SCADA軟件，將遠(yuǎn)程控制中心與就地在線腐蝕監(jiān)測(cè)單元通過(guò)光纖連接。

2)在輸油管線上安裝電阻探針傳感器、電化學(xué)探針傳感器、電感探針傳感器、測(cè)厚傳感器和平均壁厚測(cè)量傳感器，并將所有傳感器的外殼分別連接至接地電極。

3)將輸油管線腐蝕數(shù)據(jù)采集器安裝在室內(nèi)非防爆環(huán)境中，利用光纖將腐蝕數(shù)據(jù)采集器和就地在線腐蝕監(jiān)測(cè)單元連接。

4)將電阻探針傳感器、電化學(xué)探針傳感器、電感探針傳感器、測(cè)厚傳感器和平均壁厚測(cè)量傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程控制中心，在遠(yuǎn)程控制中心的SCADA軟件配置畫(huà)面里進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

5)輸油管線防腐蝕效果在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)巡檢開(kāi)始，腐蝕數(shù)據(jù)采集器將各種輸油管線腐蝕信號(hào)經(jīng)分析處理后，轉(zhuǎn)換成4～20 mA信號(hào)和RS-485信號(hào)，通過(guò)光纖傳輸至就地在線腐蝕監(jiān)測(cè)單元上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，再上傳至遠(yuǎn)程控制中心，經(jīng)過(guò)SCADA處理后，得到腐蝕的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)并計(jì)算腐蝕情況，確定輸油管線腐蝕泄漏狀態(tài)、防腐層定位，進(jìn)而評(píng)估防腐層的老化狀態(tài)，判識(shí)管道運(yùn)行參數(shù)，指導(dǎo)緩蝕劑的選型和使用量，調(diào)整緩蝕劑的加注，指導(dǎo)輸油管線實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制外加電流陰極保護(hù)的實(shí)施方案，并通過(guò)SCADA進(jìn)行在線參數(shù)預(yù)警。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2018年6月，該系統(tǒng)在長(zhǎng)慶油田第三采油廠伴生氣輸油管線上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明： 該系統(tǒng)具有檢測(cè)速度快、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，有效防范了輸油管線腐蝕泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，使輸油管線腐蝕得到了有效控制，確保了輸油管線安全生產(chǎn)運(yùn)行和下游生產(chǎn)設(shè)施的運(yùn)行安全，為探尋輸油管線腐蝕原因及制訂防護(hù)措施提供了科學(xué)依據(jù)，可優(yōu)化緩蝕劑最佳加注量，降低了輸油管線運(yùn)行成本；實(shí)現(xiàn)了輸油管線陰極保護(hù)的統(tǒng)一集中管理，提高了陰極保護(hù)管理的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和及時(shí)性，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)通過(guò)多種腐蝕檢測(cè)方法的配合使用，保證了檢測(cè)結(jié)果的可靠性，減少了單一方法檢測(cè)結(jié)果的局限性，是確定埋地輸油管線的腐蝕損傷狀態(tài)、腐蝕層破損點(diǎn)定位、評(píng)估防腐層的老化狀態(tài)、制訂維修方案的基礎(chǔ)，可確定輸油管線腐蝕狀況和速率，能預(yù)測(cè)輸油管線的安全使用壽命，避免了產(chǎn)生腐蝕泄漏的隱患[9]。

2)通過(guò)數(shù)據(jù)的積累，掌握了腐蝕發(fā)生的規(guī)律及緩蝕劑的緩蝕效果，可指導(dǎo)緩蝕劑的選型，通過(guò)調(diào)整緩蝕劑的加注，既能減緩腐蝕的發(fā)生，又能避免緩蝕劑的浪費(fèi)，使工藝防腐有了科學(xué)依據(jù)；指導(dǎo)輸油管線實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制外加電流陰極保護(hù)實(shí)施方案，進(jìn)行強(qiáng)制電流陰極保護(hù)是控制外部腐蝕的有效技術(shù)，可延長(zhǎng)輸油管線的使用壽命[10]。

3)對(duì)油田提供輸油管線材質(zhì)升級(jí)計(jì)劃、材質(zhì)鑒定計(jì)劃、定點(diǎn)測(cè)厚計(jì)劃、腐蝕狀態(tài)檢測(cè)計(jì)劃等具有指導(dǎo)意義，同時(shí)可以評(píng)價(jià)現(xiàn)有輸油管線材質(zhì)的腐蝕壽命，實(shí)現(xiàn)控制輸油管線的腐蝕進(jìn)程，延長(zhǎng)輸油管線的服役年限，促進(jìn)輸油管線腐蝕與防護(hù)評(píng)價(jià)及運(yùn)行管理水平達(dá)到新的高度[11]。