油气管道腐蚀的电场矩阵监测技术开发与应用

杨天野,杨永宽,李欣波,杨 阳

(沈阳中科韦尔腐蚀控制技术有限公司,辽宁 沈阳 110000)

野外埋地油气管道腐蚀隐蔽性强、破坏性大,为减少腐蚀损失和降低安全风险,实时监测预警技术得到普遍重视[1]。虽然电感探针技术很早就得到广泛应用,但是由于测量时需要在管道上开孔,其应用受到限制。近年来人们采用超声测厚技术对管道实际壁厚进行监测,一个超声探头固定后所能测量的区域在0.5 cm2以内,监测范围窄,且超声探头使用几个月后会发生与管壁接触不牢、超声波被阻隔的现象。因此该文开发了一种电场矩阵在线监测技术,该技术将管道一周分成上百个电场矩阵,在管道外壁预设可靠电极、连续动态施加电流和采集电位响应信号,若在役管道发生腐蚀,则会引起各矩阵的阻抗变化,将捕捉到的阻抗变化信号换算为管道的壁厚减薄信息,就可以了解管道的腐蚀情况。由于某个矩阵阻抗变化而引起相邻矩阵电流分布发生改变,为了消除这种关联效应,开发了数学模型,保证了监测的准确性。该电场矩阵监测技术在国内西北某油气田得到了应用,通过4G通信手段将采集到的数据实时传输至云服务器。

1 电场矩阵腐蚀监测技术原理

电场矩阵腐蚀监测技术也称为电场指纹腐蚀监测技术(Field Signature Method,FSM)。其测量原理是通过对管道施加恒定电流,记录各矩阵单元初始电位,作为指纹数据;当管道发生腐蚀时,电场就会发生变化,通过监测各矩阵单元的电位,并与指纹数据进行对比,得出管道的减薄量,从而实现对腐蚀的监测定位和形貌分析[2]。

电场矩阵腐蚀监测技术采用非开孔的形式,将电极焊接在被测管道外表面,把管道分成若干矩阵单元进行电位信号采集。同时在系统中配置一块与管道材质相同的补偿试片,对环境温度变化进行补偿,以消除温度变化带来的影响。将经过补偿后测得的壁厚与初始壁厚进行对比得出减薄量。

为了定量分析腐蚀减薄量,FSM引入了矩阵系数DCi的概念。将沿着电流方向相邻两个电极对之间的矩阵单元等效为一个整体电阻。随着管道的腐蚀减薄,管道电阻会随之增大。将电极矩阵中任意电极对在某一时刻与初始时刻的电位测量值进行比较,得到电位差。矩阵系数DCi的计算公式如下:

(1)

式(1)中:DCi为矩阵系数;V测(tx)与V测(t0)分别为任意电极对在tx与t0时刻的电位测量值,mV;Vref(tx)与Vref(t0)分别为标准电极对在tx与t0时刻的电位测量值,mV。

测量数据均以矩阵系数为基数。如果忽略关联效应的影响,就可以这样理解:若测量的DCi值为1,则说明腐蚀减薄量相当于初始厚度的千分之一;若测量的DCi值为1 000,则说明腐蚀减薄量相当于初始厚度的一半。如果不忽略关联效应的影响,就需对所测量的DCi值进行修正,以修正完的DCi值来计算真实的腐蚀减薄量。

2 电场矩阵监测技术的开发与应用

2.1 电场矩阵在线监测系统架构设计

埋地管道电场矩阵监测技术是针对距离场站较远,无法铺设通信电缆的监测点而设计的一种独立式腐蚀监测技术。电场矩阵在线监测系统数据传输采用4G通信形式,电源采用大容量蓄电池外挂太阳能充电系统,对埋地部分电极区域进行保护结构设计。系统架构设计见图1。

2.2 管道埋地部分防护结构设计

由于土壤环境比较复杂,一般的埋地管道都会有相应的防腐蚀涂层。在被监测的管道外表面进行电极焊接时会破坏其涂层,同时电极也有被腐蚀的可能,设计一套防护体系,对管道进行密封。管道埋地部分防护结构设计见图2。

图2 管道埋地部分防护结构设计

电极区通过两层厚橡胶皮带架高,皮带外侧由防水防腐胶带进行缠绕。将电极线和施加线通过耐腐蚀软管接入地上仪器,以避免与土壤长时间接触,对电缆造成损坏。

2.3 消除矩阵间关联效应

腐蚀引起矩阵单元内电阻变化,使管道电流分布发生改变。当一个矩阵单元发生腐蚀时,附近矩阵单元都受影响。为了还原矩阵单元内真实的腐蚀形貌及腐蚀深度,消除矩阵间关联效应就显得十分重要。

通过人工测量矩阵单元电位的方法来探索矩阵间关联效应,由于仪表的灵敏度受限会造成系统性误差。采用模拟软件搭建等效电路,等效电路见图3,即把被测管道等效成一个电阻网络,将每个矩阵单元等效成电阻网络中的一个电阻。通过大量的数据验证来总结规律,得出各矩阵单元之间的关联性。建立数学模型以消除关联性,还原矩阵内真实的腐蚀形貌。图4为消除矩阵间关联效应的数学模型,该模型既能还原矩阵腐蚀区域的基本形态,也能消除腐蚀对其他矩阵单元的影响。

图3 等效电路

2.4 电场矩阵监测技术的应用效果

2021年2月在某油气田11号集气站进站的埋地管道上安装了电场矩阵在线监测系统,系统现场安装情况见图5。该管道是一条贯穿河床底部的输气管道,其基本信息如下:材质为20号,管径为DN300,壁厚为10 mm,管内介质为天然气,介质温度为60 ℃。根据管道参数,采用16×9的矩阵形式安装电极。

图5 系统现场安装情况

在同一管道的地上部分预留人工测厚部位,用于测算壁厚减薄量,检验系统运行效果。埋地管道取2个监测点、地上部分取1个监测点,连续监测6个月,将测量数据绘制成曲线用于展示监测效果。1号监测点位于管道底部(管道6点钟方向);2号监测点位于管道顶部(管道12点钟方向);3号监测点为人工测厚点,位于同一管道的地上部分。

在埋地管道监测部位完成电极焊接后对各矩阵单元进行人工测厚,监测点初始壁厚均为10 mm。连续监测6个月后,汇总1号、2号和3号监测点测量数据,再将数据转换成曲线。3个监测点连续6个月的剩余壁厚变化情况见图6。从图6可以看出,6个月内三个监测点均呈现一个均匀腐蚀的趋势。对比人工测厚与电场矩阵在线监测系统的数据发现,两者结果保持一致,这充分验证了电场矩阵在线监测系统的运行效果。

图6 3个监测点的剩余壁厚变化情况

对埋地管道的全部矩阵单元进行连续监测,3个月和6个月后管道被测部位的剩余壁厚分别见图7和图8。

图7 3个月后被测部位的剩余壁厚

图8 6个月后被测部位的剩余壁厚

从图中可以看出,3个月后管道被测部位的剩余壁厚为9.92～9.95 mm;6个月后管道被测部位的剩余壁厚为9.85～9.88 mm。另外,全部矩阵单元的测量数据均随时间的变化呈现同样的变化趋势,这表明管道正在进行缓慢的均匀腐蚀。

3 结 论

(1)对于监测条件复杂的野外环境,采用电场矩阵腐蚀监测技术可以对埋地管道重点腐蚀部位进行全周向实时监测,精准定位腐蚀区域,解决埋地管道人工测厚难度大的问题。

(2)通过数据对比发现,电场矩阵腐蚀监测技术(FSM)测量结果与人工超声测厚结果保持一致,因此该技术可用于在役管道腐蚀的准确监测和预警。

(3)通过试验验证,所开发的数学模型可以有效消除矩阵间关联效应对测量的影响。

(4)针对油气管道腐蚀的实时监测,开发了一种电场矩阵在线监测技术,为野外埋地油气管道的腐蚀监测和安全预警提供了有力手段。