输油管线防腐蚀效果在线监测系统研发应用

高宝元，谭欢，张茜

(1. 中国石油集团 川庆钻探工程有限公司 工程技术研究院，陕西 西安 710018 ；2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018)

输油管线的腐蚀损伤将严重降低管线的结构强度、承受能力和可靠性，缩短管线的使用寿命，增大运行风险[1]。由于埋地管线所处地区的不同，土壤腐蚀环境、管线腐蚀层的状态、阴极保护有效性、输送原油介质、管线运行条件等原因，导致了管线的腐蚀损伤状态不同。因此，在腐蚀监测过程中，监测的侧重点会有所不同，需要采用不同的检测传感器和方法[2]。针对输油管线腐蚀现状，常规的人工检测已经不能满足现场需求，现行的输油管线在线监测技术各有局限，诸如输油管线剩余壁厚需要开挖检测，除了费用较高之外，势必会对管线造成一定的不良影响[3]。输油管线防腐蚀效果在线监测系统具有检测快速、数据准确、自动化程度高等特点，可有效防范输油管线的腐蚀泄漏风险，使输油管线腐蚀得到有效控制，为输油管线制订防腐蚀措施提供科学依据[4]。

1 工作原理

将各种传感器采集到的管线腐蚀数据送入数据采集器中，数据采集器将各种输油管线腐蚀信号分析处理后，转换成4～20 mA信号和RS-485信号，通过光纤传输至就地在线腐蚀监测单元，存储输油管线腐蚀数据并上传至远程控制中心，经过数据采集与监视控制系统(SCADA)处理后，在线实时监测防腐蚀效果。该系统能够反映输油管线的真实腐蚀状态信息和数据，可实时在线远程监测输油管线腐蚀泄漏状态，进行防腐层定位、评估防腐层的老化状态、判识输油管线运行参数、在线参数预警等[5]。

2 系统构成

该系统包括远程控制中心、就地腐蚀监测单元、传输光纤、数据采集器、传感器和网线，输油管线防腐蚀效果在线监测系统构成如图1所示[6]。

图1 输油管线防腐蚀效果在线监测系统构成示意

2.1 腐蚀测量部分

腐蚀测量传感器包括： 电阻探针传感器、电化学探针传感器、电感探针传感器、测厚传感器和平均壁厚测量传感器[7]。

2.1.1电阻探针传感器腐蚀计算

金属线圈在某温度下的电阻值计算如式(1)所示：

R=ρd/A

(1)

式中：R—金属线圈电阻；ρ—金属线圈的电阻率；d—金属线圈的长度；A—金属线圈通电截面积。

随着腐蚀的进行，A将减小，根据式(1)可知R值增大。通过监测阻值的变化，即可根据式(1)推导出腐蚀深度的变化，从而获得腐蚀损耗和腐蚀速率信息。

金属线圈腐蚀深度Mt的计算如式(2)所示：

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

(2)

式中：r0—金属线圈的原始半径；Rt—金属线圈腐蚀后的电阻值;R0—金属线圈腐蚀前的电阻值。

金属线圈腐蚀速率v的计算如式(3)所示：

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

(3)

式中：M2-M1—两次测量间的腐蚀深度平均差值；T2-T1—两次测量间的时间间隔。

2.1.2电化学探针传感器腐蚀计算

在电化学法测量中，利用材料腐蚀过程中表面的电化学特性与腐蚀瞬时的腐蚀速率的线性关系K值，可测量瞬时腐蚀速率，K值的测量是电化学测量的关键。由于K值随不同腐蚀体系而变化，从理论上可以得出，K值最小时为8.7 mV,K值最大时为52 mV，通常取中间值25.6 mV进行计算。如果利用已测定的一些体系的K值来测量，即使在同一个腐蚀体系，在腐蚀发展的不同阶段，金属表面状态和腐蚀介质随时间变化时，K值也在不断地变化，得出的腐蚀电流最大误差高达±200%以上。电化学探针传感器可以测量金属材料在介质中的瞬时腐蚀速率，能够反映腐蚀过程中金属腐蚀速率的变化趋势，可以了解工艺参数的快速变化及其对腐蚀速率的影响。

2.1.3电感探针传感器腐蚀计算

监测系统工作时，测量的是探头内围绕试样的金属线圈的电感L，它由匝数N的平方和金属线圈磁阻Rm决定：

L=N2/Rm

(4)

磁阻Rm可以从式(5)得到：

Rm=d/μ0A

(5)

式中：μ0—金属材料相对磁导率。

将式(5)代入式(4)可得线圈电感L：

L=μ0AN2/d

(6)

式(6)对d进行微分得：

E=dL/dd=-μ0AN2/d2=-L/d

(7)

则 dL/L=dd/d

(8)

通过检测探头内围绕管线的金属线圈的电场强度，可测试试样的腐蚀程度，腐蚀速率v：

v=KMΔL

(9)

式中：KM—影响常数；ΔL—金属线圈电感变化量。

2.1.4平均壁厚测量传感器腐蚀计算

测厚传感器由电阻传感器和电化学传感器组合而成，通过测量输油管线的电阻变化和磁场强度的变化，可测量输油管线厚度的变化。输油管线平均厚度δ计算如式(10)所示：

δ=(Hrδr-Hmhm)/ΔH

(10)

式中：δ—输油管线平均厚度；δr—衔铁厚度；Hr—衔铁中平均磁场强度；Hm—两极间空气中的平均磁场强度；hm—磁敏元件高度；ΔH—磁场强度变化量。

2.2 在线监控部分

远程控制中心具有腐蚀数据采集、输油管线腐蚀监视控制、信息显示、信息存储及报告、数据计算、事故追忆、事件顺序记录和在线参数预警功能；就地在线腐蚀监测设有计算机和信息储存模块，计算机用于显示腐蚀数据，便于就地监视，信息存储模块用于存储腐蚀数据采集器传输的数据，并将数据上传给远程控制中心[8]。

3 输油管线防腐蚀效果在线监测步骤

输油管线防腐蚀效果在线监测步骤如下：

1)在远程控制中心配置监控设备，并安装SCADA软件，将远程控制中心与就地在线腐蚀监测单元通过光纤连接。

2)在输油管线上安装电阻探针传感器、电化学探针传感器、电感探针传感器、测厚传感器和平均壁厚测量传感器，并将所有传感器的外壳分别连接至接地电极。

3)将输油管线腐蚀数据采集器安装在室内非防爆环境中，利用光纤将腐蚀数据采集器和就地在线腐蚀监测单元连接。

4)将电阻探针传感器、电化学探针传感器、电感探针传感器、测厚传感器和平均壁厚测量传感器检测的数据上传至远程控制中心，在远程控制中心的SCADA软件配置画面里进行系统调试。

5)输油管线防腐蚀效果在线监测系统巡检开始，腐蚀数据采集器将各种输油管线腐蚀信号经分析处理后，转换成4～20 mA信号和RS-485信号，通过光纤传输至就地在线腐蚀监测单元上存储数据，再上传至远程控制中心，经过SCADA处理后，得到腐蚀的准确数据并计算腐蚀情况，确定输油管线腐蚀泄漏状态、防腐层定位，进而评估防腐层的老化状态，判识管道运行参数，指导缓蚀剂的选型和使用量，调整缓蚀剂的加注，指导输油管线实现强制外加电流阴极保护的实施方案，并通过SCADA进行在线参数预警。

4 现场应用

2018年6月，该系统在长庆油田第三采油厂伴生气输油管线上进行了现场应用，实际运行结果表明： 该系统具有检测速度快、监测数据准确、自动化程度高等特点，有效防范了输油管线腐蚀泄漏的风险，使输油管线腐蚀得到了有效控制，确保了输油管线安全生产运行和下游生产设施的运行安全，为探寻输油管线腐蚀原因及制订防护措施提供了科学依据，可优化缓蚀剂最佳加注量，降低了输油管线运行成本；实现了输油管线阴极保护的统一集中管理，提高了阴极保护管理的科学性、准确性和及时性，收到了良好的经济效益。

5 结束语

1)通过多种腐蚀检测方法的配合使用，保证了检测结果的可靠性，减少了单一方法检测结果的局限性，是确定埋地输油管线的腐蚀损伤状态、腐蚀层破损点定位、评估防腐层的老化状态、制订维修方案的基础，可确定输油管线腐蚀状况和速率，能预测输油管线的安全使用寿命，避免了产生腐蚀泄漏的隐患[9]。

2)通过数据的积累，掌握了腐蚀发生的规律及缓蚀剂的缓蚀效果，可指导缓蚀剂的选型，通过调整缓蚀剂的加注，既能减缓腐蚀的发生，又能避免缓蚀剂的浪费，使工艺防腐有了科学依据；指导输油管线实现强制外加电流阴极保护实施方案，进行强制电流阴极保护是控制外部腐蚀的有效技术，可延长输油管线的使用寿命[10]。

3)对油田提供输油管线材质升级计划、材质鉴定计划、定点测厚计划、腐蚀状态检测计划等具有指导意义，同时可以评价现有输油管线材质的腐蚀寿命，实现控制输油管线的腐蚀进程，延长输油管线的服役年限，促进输油管线腐蚀与防护评价及运行管理水平达到新的高度[11]。