油气管道在线腐蚀监测技术的研究现状及发展趋势

2022-11-21宋积文张亮金曦

当代化工研究 2022年20期

＊宋积文张亮金曦

（1.中海油信息科技有限公司北京 100020 2.中海油常州涂料化工研究院有限公司江苏 213016）

油气管道因腐蚀发生的泄漏和开裂而引发的安全事故时有发生，腐蚀防护和腐蚀监测越来越受到油气行业关注并成为其重点工作内容。在线腐蚀监测为实时动态监测手段，能够实时在线测量并远程传输设备的腐蚀速率及相关参数，并通过系统软件对监测数据进行大数据分析及图表化展示，为智能管道建设提供感知层支持，为领导决策提供管理依据[1]。在线腐蚀监测技术可以分为侵入式直接监测和非侵入式的间接监测。电阻探针、电感探针、电化学探针以及电化学噪声探针需要放入到管道内部进行监测，属于侵入式直接监测方式。而非侵入式监测主要通过声、电、热等参数的监测来判断管道腐蚀情况，主要包括：超声波测厚、氢通量探针、电指纹、光纤腐蚀监测。

1.侵入式在线腐蚀监测

侵入式在线腐蚀监测是通过探针侵入到油气管道内部，敏感元件与管道内部介质（油、气、水等）直接接触，来测量管道内部介质的腐蚀特性参数来反应管道的内腐蚀情况。侵入式探针能够实时快速检测管道腐蚀速率，但需要对管道进行动火开孔，操作相对复杂，本身破坏管道，且容易形成新的管道安全风险点。

(1)电阻探针

在线电阻探针，经过不断的优化改进，借助物联网及可视化展示，已经发展成为油气企业应用非常普遍和成熟的腐蚀监测手段。电阻法常被称为可自动测量的失重挂片法，当敏感元件（电极）接触管道内腐蚀介质时，发生腐蚀反应，其厚度和截面积减少，电阻增加，通过电阻变化来测定腐蚀率。电阻探针根据敏感元件形状的不同分为平面、圆柱及丝状探针，如图1所示，以适用不同的监测环境[2]。

电阻探针优势在于不受腐蚀介质限制，在气相、液相、导电或不导电的介质中均可使用。在石油化工、煤化工、核电行业、风电行业以及桥梁等行业都有应用。另外，电阻探针可以实现腐蚀监测的连续监测，监测过程中不必将探针取出；相对腐蚀挂片，相应速率大大提高，响应时间在1～20h不等；电阻数据可以实时传输，可实现远程监测，便于后续的数据分析利用。电阻探针的局限在于以电阻来反应腐蚀速率，对电阻探针的加工精度要求高。且相对电感及线性极化探针的精度及相应时间都较低[3-5]。

(2)电感探针

在20世纪90年代，为了提高腐蚀监测精度，科研人员在电阻原理的基础上，利用电感原理研发出了电感探针。随后，美国Cortest公司将高精度的电感探针推向市场。通过检测电磁场强度的变化来测试试样腐蚀变化[6]。放入电磁线圈中的金属导磁材料会影响交流通电线圈中的磁场强度，金属试样厚度变化就会灵敏反应到线圈电感量的变化。因此电感法相比电阻法，具有更高的测量精度（1～5nm）、对微小的腐蚀速率变化更为敏感。和电阻探针一样，它适用于各种介质、响应快（响应时间小于10min）、抗干扰性强，所以近些年发展已经在很多场景下替代了部分电阻探针。特别是油气管道重点腐蚀监测部位，一般都会选择高精度腐蚀探针来进行实时监测。其不足之处在于价格相对电阻探针高。

(3)电化学探针

电化学探针也叫线性极化探针，是快速、高灵敏度的一种腐蚀速率测量技术。在溶液体系内，通过测量极化电阻Rp，估算比例系数B，来测量介质的腐蚀速率。腐蚀电流icorr等于极化常数B与极化电阻Rp的比值。由于需要测试电解质腐蚀体系极化电阻，因此该技术主要用于含水介质的腐蚀环境中，如循环冷却装置进出口等。电化学探针优势在于监测灵敏度高（可以到纳米级），响应速率快（几分钟），并且电化学探针是一种原位、无损的腐蚀监测技术。缺点在于只能应用于电解质腐蚀体系（主要是水系统），受电导率影响较大，很容易受到介质的污染，现场应用过程中监测数据不稳定。另外，成本较高，也是其应用受限的一种原因[1,4]。

以上三种在线腐蚀探针加上腐蚀挂片是现在油气管道企业监测内腐蚀常用的技术手段，表1总结这四种监测手段各自特点适用于各种介质、响应快（响应时间小于10min）、抗干扰性强，正在快速发展。

表1 常用腐蚀监测技术总结

(4)电化学噪声探针

电化学噪声技术时通过检测腐蚀发生引起腐蚀电位或电偶电流的微幅波动，来测量点蚀系数，计算初始点蚀及局部腐蚀趋势。电化学噪声分析主要包括频域分析以及时域分析。时域分析主要是利用电位、电流噪声标准偏差和孔蚀指数来评价腐蚀类型和腐蚀速率。朱培珂等研究了电化学噪声技术对不锈钢表面局部腐蚀监测；张中正[6]对国内外对金属腐蚀电化学噪声测量法的机理、分析方法及应用做了系统的介绍，张震等对电化学噪声原位监测应力腐蚀开裂的研究现状与进展进行了系统论述。

电化学噪声技术是一种新兴的腐蚀监测技术，具有以下优势：首先，它是原位无损监测，不需要对被测电极施加可能改变腐蚀电极腐蚀过程的外界扰动；其次，无须提前构建待测体系的电极过程模型；然后，可以监测分析管道的局部腐蚀和点蚀，这是其他监测技术做不到的；最后，检测设备简单，并且可以实现远距离监测。电化学噪声技术是未来具有发展潜力的腐蚀监测应用技术之一。不过，对于电化学噪声探针要得到可靠的测量结果，要求测量者足够的细心。且数据具体分析及具体应用过程中的理论还需要进一步研究。

2.非侵入式

非侵入式在线腐蚀监测技术监测探头安装在管道外壁，探头通过监测管道外壁相关的变化参数（壁厚、温度、电阻、及渗氢量）来间接反应管道内腐蚀速率。非侵入式在线腐蚀监测技术最大的优势就是不需要对管道进行开孔破坏。

(1)在线测厚

在线测厚，主要是利用超声波测厚探头，结合低功耗线路板设计和无线传输技术，实现远程无损在线腐蚀监测技术。利用壁厚的减薄量来计算管壁的内腐蚀速率。是目前油气管道较流行采用的一种设备壁厚或腐蚀速率监测手段。在线测厚技术原理明晰、设备结构简单，相对电感探针价格便宜，无需插入管道，传感器不受腐蚀，使用寿命长。对于相对粗糙管道内壁，会大大影响测量效果。腐蚀速率是间接计算得出，腐蚀速率响应时间慢，不能实时反映管道内腐蚀速率，不能用于缓蚀剂效果评价及优化工艺参数评价。从超声波的激发类型上分为：压电超声在线测厚和电磁超声在线测厚技术两种[5]。

①压电超声在线测厚

压电超声在线测厚是目前应用较为广泛的一种超声测厚，在油气管道有不少的应用案例。其原理为：利用压电晶片换能器来产生超声波，通过耦合剂（低温下）或者波导干（可用于高温）将超声波传入被测管壁，利用超声后发射和接受的时间差和波速即可算出壁厚。

②电磁超声测厚

电磁超声测厚利用电磁耦合方法激励和接收超声波,无需耦合剂,对被测管道表面要求不高，不需要对粗糙的被测管壁表面进行打磨和去掉保护层。但相对于压电超声，电磁超声换能器效率低，现场使用时信噪比低，精度容易受环境影响。高温容易使磁铁磁性降低，对于长期监测来说，使用温度不能超过150℃。虽然，电磁超声可实现非接触测量，但最大提离高度不能超过6mm。

(2)氢通量探针

氢通量探针工作原理如图2所示，对于含氢元素的管道，氢分子（原子）由于其粒径小，可以通过管壁晶隙、位错、缺陷等路径渗出管壁，通过收集器将渗氢送入到检测仪中，通过监测其中的氢含量来分析渗氢量，因此氢通量探针多以测试氢腐蚀为主。其主要应用于HF、H2S腐蚀、环烷酸腐蚀等酸性腐蚀环境中。由于其具有高的灵敏性，广泛用于缓蚀剂的评价、普查和确定腐蚀风险部位、评估内保护层完整性等。

(3)电指纹(FSM)

FSM技术是将传感针或电极呈矩阵式焊接在管道表面（探针间距一般为壁厚的2～3倍）如图3所示，通过监测电极上采集电压与初始值的变化来检测由于腐蚀引起的金属损失、脆裂和凹坑。矩阵分布电极可以进行大面积腐蚀监测分析，判断凹坑和脆裂的位置和严重程度，计算腐蚀速率及趋势，敏感性是剩余壁厚的0.1%。

由于其非插入式大面积监测的模式，其优点表面为：①没有泄漏的危险，提高在硫化氢环境中的安全性，适用于困难的位置；②不需耗材（探针、挂片），不需取放工具；③可以大面积测量，能够测量均匀腐蚀、局部腐蚀；④测量不受导电性硫化亚铁膜的影响，适用于无线、在线测量。FSM技术也存在自身的不足：①监测时需要在管壁表面焊接矩阵电极，技术水平要求高，操作复杂；②监测操作及数据分析复杂，设备昂贵。目前FSM的设备、监测技术和数据解析技术仍被国外公司所垄断。国内油气田以及炼化厂使用时仍以从国外进口设备使用为主，不仅成本很高，而且后续的复杂数据解析还要依靠国外公司的技术服务[9]。

(4)光纤腐蚀在线监测

光纤传感技术是最近新兴的一种监测技术。管道腐蚀引起的变化可由管道外壁的周向多种参数反映，如管道腐蚀引起的管道壁厚变薄或腐蚀产生腐蚀裂纹。这个参数的变化都会引起管道周向应变的变化，这些变化都会被光纤传感器感知用来评估管道的腐蚀状况。其优点为光纤“传”“感”合一，可以分布式安装，覆盖面积大。同时由于光纤具有抗电磁干扰、耐腐蚀、轻质量、高韧性、宽传输频带等特点，适合在高温高压的环境下工作。光纤需要在管道建设时期，和管道一起进行铺设；另外光纤传感器易受到外界干扰，容易产生大量错误信号。对于光纤腐蚀在线监测系统还需要后续大量的数据进行算法的优化调整[10]。