钢制管道腐蚀监测技术及系统课件

基于电位矩阵法的

钢制管道腐蚀监测技术及系统

FieldSignatureMethod-FSM

四川大学测控系

2012年12月4日

基于电位矩阵法的

钢制管道腐蚀监测技术及系统

FieldS1目录背景原理简介国内外应用现状系统研究性能及前景目录背景21、背景管道腐蚀是一个缓慢的过程，除均匀腐蚀外，还存在冲蚀，坑蚀。实践表明，坑蚀（pitcorrosion)、冲蚀(localcorrosion)，危害性远大于均匀腐蚀（generalcorrosion）。（以四川的天然气主管道为例，有的管段在两年左右就发生了腐蚀穿孔，有的管段则可达十余年。）1、背景管道腐蚀是一个缓慢的过程，除均匀腐蚀外，还存在冲蚀，3失效的基本形式穿孔油管及钻具管体、地面集输管线、注水管线开裂油管接箍开裂、油管及钻具管体断裂、地面管线开裂减薄油管管体、地面管线腐蚀的基本类型冲刷腐蚀缝隙腐蚀电偶腐蚀细菌腐蚀H2S/CO2电化学腐蚀失效的基本形式4设计余量：70%（3mm/10mm)上图中普遍坑深：2-3.5mm。坑蚀一但发生，容易发展。设计余量：70%（3mm/10mm)上图中5钢制管道腐蚀监测技术及系统课件6塔里木某联合作业区历年腐蚀穿孔统计

塔里木某联合作业区7大量调研表明，当一小段管道发生坑蚀时，内外环境相似的相邻数公里管道内腐蚀状况是相似的，这就为监测局部进而推断全局提供了依据。目前国外的情况是10至20公里设一个监测点。(基于电位矩阵法的钢制管道腐蚀监测系统)

由于炼油厂中管道系统各处的管径，管厚，材质、流量、流速、压力、温度和介质变化大，故在炼油厂对重要和易出问题的部位应逐一安装该系统。大量调研表明，当一小段管道发生坑蚀时，内外环境相似的相邻数公81.电位矩阵法（FSM）原理简介

IUi，j=IxRi，jRi，j=ρL/（whi，j）原理说明：电指纹法（FSM-FieldSignatureMethod）Ui，j︱t0=IxRi，jRi，j︱t0=ρL/（whi，j）Ui，j︱tm=IxRi，jRi，j︱tm=ρL/（whi，j）>…>…>1.电位矩阵法（FSM）原理简介

IUi，j=IxR9一个比较实际的系统(单位：ppt,Partperthousand)由公式可知:初始测量时，FCi=0tx时刻测量时，如果局部区域（坑蚀）腐蚀存在，测量电极之间的电阻将增加，相应的电压增加使得FC值大于零。温度变化,激励电流变化使Vi和Vref同比例变化,测量不受影。由于腐蚀/冲蚀是一种不可逆的化学和物理现象，故FC值理论上是随时间而单调增加的。

任一对测量电极所代表的局部腐蚀(坑蚀)程度由指纹系数（FC值）判断：一个比较实际的系统102、国外现状及动态

1983年，由挪威学者H.Hangestad首次提出。该方法和技术具有可靠性特别高，安全性好和温度适应范围特别大的优点。由于极间电压也只有几十μV，而腐蚀引起的电压变化只有0.1μV数量级。受当时元器件和仪表工业水平的限制，这一技术没有得到发展和实际应用。2、国外现状及动态1983年，由挪威学者H.Hanges11

1995年以后，在海底管道腐蚀监测的迫切需求下，挪威CorrOcean公司和英国的Rowan公司开发了比较实用的FSM产品。很多学者对相关技术做出大量的研究和贡献。最具代表性的有： 1995年，挪威R.Strommen等人提出了改进的FSM的模型，通过增加一参考板，减少了温度变化的影响；提出了场指纹系数Fc概念和算法，使FSM在海底管道和海底重要构件的腐蚀监测上得到了较广泛地应用。受当时计算技术的限制，FSM在原理上的局限性还没有被认识到，坑蚀的计算还是以经验公式为主，例如当诸Fc不均匀时，采用3-5倍的系数来给出坑蚀量。1995年以后，在海底管道腐蚀监测的迫切需求下，挪威Cor122008年，英国学者D.MFarrell和A.Daaland等人在仿真计算的基础上，认识到了当电流经过坑蚀区域时，均匀电流将受到扰动，导致系统的精度下降。由于坑蚀大小、深度和位置的随机性，使电流场的分布计算变得很复杂且没有确定性。2008年，英国学者D.MFarrell和A.Daalan132009年英国帝国理工ImperialCollege的G.Sposito,P.Cawley等人认识到了因坑蚀导致电流重新分配，导致电位变化不再呈线性的问题。在坑蚀位置已有先验知识的条件下，提出了用电位图（PotentialDropMapping）来检测坑蚀情况，给出的电位探针间距最优解没有普适性。2009年英国帝国理工ImperialCollege的G142007年，美国KjellWold、GeirfinnSimes等人提出FSM新的发展方向为远距离无线监控。下面介绍FSM系统在海底管道,化工厂和埋地管道腐蚀监测方面的应用:2007年，美国KjellWold、GeirfinnSi152.国内外应用现状海底管道，重要构件检测2.国内外应用现状海底管道，重要构件检测16海底管道应用BPExploration(NorthAfrica),(GulfofMexico)世界上最大的石油/石化集团。全球500强中排前五名.(中海油2套)注意:1有三种传感器。2安装方式:同质测量管.海底管道应用BPExploration(NorthA17钢制管道腐蚀监测技术及系统课件18炼油厂应用炼油厂应用19钢制管道腐蚀监测技术及系统课件20炼油厂应用：(英国Humber炼油厂,99年4套,00年1套,由于效果很好2001年加8套).应用1(常温,设计检测的腐蚀类型:均匀腐蚀)管径:76mm管厚:6.7mm(30%=2.04mm)温度:65oC年腐蚀率:0.08mm/Year!25年炼油厂应用：(英国Humber炼油厂,99年4套21炼油厂应用2(常温)管径:254mm管厚:9.7mm(30%=2.91mm)温度:65.5oC类型:均匀/冲蚀★★★★年腐蚀率:0.38mm/Year.!!(7.6年2.91mm)只能用7.6年,需要当心了!!!炼油厂应用2(常温)22炼油厂应用3(高温)★★★★管径:355mm管厚:13mm(30%=3.9mm)温度:349oC类型:局部腐蚀年腐蚀率:0.08mm/Year!(48年3.9mm)炼油厂应用3(高温)★★★★23埋地管道应用(龙岗2,普光23,克拉玛依2,吉林?)埋地管道应用(龙岗2,普光23,克拉玛依2,吉林?)24钢制管道腐蚀监测技术及系统课件25钢制管道腐蚀监测技术及系统课件26钢制管道腐蚀监测技术及系统课件27埋地管道应用(中东)埋地管道应用(中东)281.便携式(已有产品)2.电缆连接(已有产品)3.太阳能+无线数据(有研究动向报道,未见应用产品)4.产品国内空白1.便携式(已有产品)29TZ721井进站管线FSM腐蚀监测TZ721井进站管线FSM腐蚀监测30特点!和漏磁法、超声波法、涡流传感器、电阻探针和电感探针相比较[4,5,6]，基于FSM的测试系统在概念上有传感器，但在实体上没有传感器。(传感器三要素:敏感元件、转换元件和转换电路即管体本身。)基于FSM特别突出的特点，它在实用上有如下优点：特点!和漏磁法、超声波法、涡流传感器、电阻探针和电感探31国外FSM产品和技术的优点不再次开挖掩埋层、在线、可靠性和精度高。直接检测局部典型范围内的腐蚀量、腐蚀速率、坑蚀、焊缝腐蚀、冲蚀。测量元器件在测量过程中不暴露在易腐蚀、易磨损和高压环境中。（参阅下面二个对比的反例）在管道(容器)上进行装配时无需开孔和停产，不会导致泄漏危险。监测系统的使用期限由管道的使用寿命决定。测量系统在整个使用过程中几乎没有消耗。可以在高达500℃的温度下使用。国外FSM产品和技术的优点不再次开挖掩埋层、在线、可靠性和精322009年9月份塔中6气体站电阻探针腐蚀形貌2008.10.30～2009.9.17，监测周期：322天，腐蚀速度0.4941mm/a水平1井卸油台至1#2#阀组试片腐蚀形貌腐蚀如此严重结果已不可靠2009年9月份塔中6气体站电阻探针腐蚀形貌2008.1033国外FSM产品和技术的不足理论上不完善（牵扯效应，小腐蚀坑不可分问题）数据解释较复杂。（坑蚀和焊缝损失数据要传回CorrOcean公司数据处理中心处理。）产品价格昂贵。后续服务昂贵、不便。国外FSM产品和技术的不足理论上不完善数据解释较复杂。产品价343.FSM技术和系统研究、研制3.1目标

研制的系统，充分保持上述优点，克服上述缺点，填补国内空白。3.2牵扯效应，小腐蚀坑不可分问题的解决3.FSM技术和系统研究、研制3.1目标3.2牵扯效35牵扯效应（Drageffect）的解决一个电阻增加10%时

电压差

理论计算局部区域减薄10%时电压差

实际测试（高精度铣床，恒流源，电压表）结论：牵扯效应确实存在。对坑蚀精度有很大的影响。牵扯效应（Drageffect）的解决一个电阻增加10%时36钢制管道腐蚀监测技术及系统课件37

消去牵扯效应后两个电阻变化10%的FC值图

消除牵扯效应后三个电阻变化10%的FC值图两个电阻均变化10%FC值图

三个电阻均变化10%FC值图EI核心期刊《基于电位列阵的金属管道坑蚀监测研究》仪器仪表学报,2011/01p.19-25。2.SCI期刊《Investigationofdrageffectinfieldsignaturemethod》,MeasurementScienceandTechnology.2012/01消去牵扯效应后两个电阻变化10%的FC值图消除牵扯效应38小腐蚀坑不可分问题在实际测量中，一个面积较大而深度较浅的腐蚀坑所产生的极间电压变化值（当前电压值–初始电压值）与一个面积较小而深度较深的腐蚀坑所产生的极间电压变化值可能是相同的。

小腐蚀坑不可分问题在实际测量中，一个面积较大而深度较浅的腐蚀39主辅电压法-判断小蚀坑的直径和深度

精度±10%(±1mm/10mm)主辅电压法-判断小蚀坑的直径和深度

精度±10%(±1mm403.3研制的FSM系统类型、方案遥测型：GJ-T2（非防爆型），GJ-TF2（防爆型）(太阳能供电，无线通讯，可同时监测2处，适合用于野外，沙漠，戈壁等。)市电型：GJ-S4(非防爆型)，GJ-SF4(防爆型)（市电供电，可同时在线监测4处，适用于炼油厂，净化厂等)便携型：GJ-BF1(防爆型)，,GJ-B1(非防爆型)（每次检测1处，适用于多处定期巡检）3.3研制的FSM系统类型、方案遥测型：GJ-T2（非防41无线发收模块远程主机中国移动网络太阳能充电器状态电池容量状态检测系统状态启动检测命令温度激励电流被测管道电位场，指纹系数日期短信猫RS485也可是：T型，L型，Y型管焊缝安装在外部的电极矩阵数据采集箱控制箱可同时监测2处遥测型：GJ-T2（非防爆型），GJ-TF2（防爆型）(太阳能供电，无线通讯，可同时监测2处，适合用于野外，沙漠，戈壁等。)太阳能电池DC5V无线发收模块远程主机中国移动网络太阳能充电器状态短信猫RS442RS485（最大500米）中央控制室市电220V也可是：T型，L型，Y型管焊缝安装在外部的电极矩阵本安数据采集箱防爆控制箱可同时监测4处市电型：GJ-S4(非防爆型)，GJ-SF4(防爆型)（市电供电，可同时在线监测4处，适用于炼油厂，净化厂等)RS485（最大500米）中央控制室市电220V也可是：T型43通讯线电源线To：中央控制室（20-60米）220V交流300W恒流源模块3V120A直流变压器+全波整流+超级电容主控单片机+多路DCDC模块隔爆型控制电箱3-6米防爆电缆1本电箱全部插头、插座为防爆型3-6米防爆电缆23-6米防爆电缆33-6米防爆电缆4防爆电缆5多路互隔离超高精度AD多路互隔离单片机组模拟开关组（8点一组最大48组）多路互隔离精密前置放大器组本安型集电箱485防爆电缆线6中心控制室通讯线电源线To：中央控制室（20-60米）220V交流3044插头可现场插拔RS232

PC机办公室充电器也可是：T型，L型，Y型管焊缝安装在外部的电极矩阵本安数据采集箱防爆控制箱每次检测1处便携型：GJ-BF1(防爆型)，,GJ-B1(非防爆型)（每次检测1处，适用于多处定期巡检）......便携箱插头可现场插拔RS232PC机充电器也可是：454.目前的研制结果及前景4.1结果（已完成原理样机，下一步三台工程样机在中石油，中石化，炼油厂试用）程序界面4.目前的研制结果及前景46钢制管道腐蚀监测技术及系统课件47管道腐蚀报告地点：时间：2011年7月19日均匀腐蚀率：1.087mm/yr最大腐蚀量：0.27mm0.19mm0.16mm0.12mm0.09mm对应位置：P29-30P34-35P27-28P22-23P51-52管道腐蚀报告地点：时间：2011年7月19日均匀腐蚀率：484.2前景及时发现坑蚀/冲蚀腐蚀速率和腐蚀状态，损伤和缺陷，根据轻重缓急,安排必要的维护和更换,确保供应的可靠性，在经济和环保上有重大意义。碳钢管道在相当长的时期内仍然是高压大孔径长距离的管道主选，本技术有良好和长远的前景。（不锈钢管成本是碳钢管道的15到30余倍；而高分子材料管道在耐压和老化方面有弱点）4.2前景49谢谢！谢谢！50基于电位矩阵法的

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四川大学测控系

2012年12月4日

基于电位矩阵法的

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FieldS51目录背景原理简介国内外应用现状系统研究性能及前景目录背景521、背景管道腐蚀是一个缓慢的过程，除均匀腐蚀外，还存在冲蚀，坑蚀。实践表明，坑蚀（pitcorrosion)、冲蚀(localcorrosion)，危害性远大于均匀腐蚀（generalcorrosion）。（以四川的天然气主管道为例，有的管段在两年左右就发生了腐蚀穿孔，有的管段则可达十余年。）1、背景管道腐蚀是一个缓慢的过程，除均匀腐蚀外，还存在冲蚀，53失效的基本形式穿孔油管及钻具管体、地面集输管线、注水管线开裂油管接箍开裂、油管及钻具管体断裂、地面管线开裂减薄油管管体、地面管线腐蚀的基本类型冲刷腐蚀缝隙腐蚀电偶腐蚀细菌腐蚀H2S/CO2电化学腐蚀失效的基本形式54设计余量：70%（3mm/10mm)上图中普遍坑深：2-3.5mm。坑蚀一但发生，容易发展。设计余量：70%（3mm/10mm)上图中55钢制管道腐蚀监测技术及系统课件56塔里木某联合作业区历年腐蚀穿孔统计

塔里木某联合作业区57大量调研表明，当一小段管道发生坑蚀时，内外环境相似的相邻数公里管道内腐蚀状况是相似的，这就为监测局部进而推断全局提供了依据。目前国外的情况是10至20公里设一个监测点。(基于电位矩阵法的钢制管道腐蚀监测系统)

由于炼油厂中管道系统各处的管径，管厚，材质、流量、流速、压力、温度和介质变化大，故在炼油厂对重要和易出问题的部位应逐一安装该系统。大量调研表明，当一小段管道发生坑蚀时，内外环境相似的相邻数公581.电位矩阵法（FSM）原理简介

IUi，j=IxRi，jRi，j=ρL/（whi，j）原理说明：电指纹法（FSM-FieldSignatureMethod）Ui，j︱t0=IxRi，jRi，j︱t0=ρL/（whi，j）Ui，j︱tm=IxRi，jRi，j︱tm=ρL/（whi，j）>…>…>1.电位矩阵法（FSM）原理简介

IUi，j=IxR59一个比较实际的系统(单位：ppt,Partperthousand)由公式可知:初始测量时，FCi=0tx时刻测量时，如果局部区域（坑蚀）腐蚀存在，测量电极之间的电阻将增加，相应的电压增加使得FC值大于零。温度变化,激励电流变化使Vi和Vref同比例变化,测量不受影。由于腐蚀/冲蚀是一种不可逆的化学和物理现象，故FC值理论上是随时间而单调增加的。

任一对测量电极所代表的局部腐蚀(坑蚀)程度由指纹系数（FC值）判断：一个比较实际的系统602、国外现状及动态

1983年，由挪威学者H.Hangestad首次提出。该方法和技术具有可靠性特别高，安全性好和温度适应范围特别大的优点。由于极间电压也只有几十μV，而腐蚀引起的电压变化只有0.1μV数量级。受当时元器件和仪表工业水平的限制，这一技术没有得到发展和实际应用。2、国外现状及动态1983年，由挪威学者H.Hanges61

1995年以后，在海底管道腐蚀监测的迫切需求下，挪威CorrOcean公司和英国的Rowan公司开发了比较实用的FSM产品。很多学者对相关技术做出大量的研究和贡献。最具代表性的有： 1995年，挪威R.Strommen等人提出了改进的FSM的模型，通过增加一参考板，减少了温度变化的影响；提出了场指纹系数Fc概念和算法，使FSM在海底管道和海底重要构件的腐蚀监测上得到了较广泛地应用。受当时计算技术的限制，FSM在原理上的局限性还没有被认识到，坑蚀的计算还是以经验公式为主，例如当诸Fc不均匀时，采用3-5倍的系数来给出坑蚀量。1995年以后，在海底管道腐蚀监测的迫切需求下，挪威Cor622008年，英国学者D.MFarrell和A.Daaland等人在仿真计算的基础上，认识到了当电流经过坑蚀区域时，均匀电流将受到扰动，导致系统的精度下降。由于坑蚀大小、深度和位置的随机性，使电流场的分布计算变得很复杂且没有确定性。2008年，英国学者D.MFarrell和A.Daalan632009年英国帝国理工ImperialCollege的G.Sposito,P.Cawley等人认识到了因坑蚀导致电流重新分配，导致电位变化不再呈线性的问题。在坑蚀位置已有先验知识的条件下，提出了用电位图（PotentialDropMapping）来检测坑蚀情况，给出的电位探针间距最优解没有普适性。2009年英国帝国理工ImperialCollege的G642007年，美国KjellWold、GeirfinnSimes等人提出FSM新的发展方向为远距离无线监控。下面介绍FSM系统在海底管道,化工厂和埋地管道腐蚀监测方面的应用:2007年，美国KjellWold、GeirfinnSi652.国内外应用现状海底管道，重要构件检测2.国内外应用现状海底管道，重要构件检测66海底管道应用BPExploration(NorthAfrica),(GulfofMexico)世界上最大的石油/石化集团。全球500强中排前五名.(中海油2套)注意:1有三种传感器。2安装方式:同质测量管.海底管道应用BPExploration(NorthA67钢制管道腐蚀监测技术及系统课件68炼油厂应用炼油厂应用69钢制管道腐蚀监测技术及系统课件70炼油厂应用：(英国Humber炼油厂,99年4套,00年1套,由于效果很好2001年加8套).应用1(常温,设计检测的腐蚀类型:均匀腐蚀)管径:76mm管厚:6.7mm(30%=2.04mm)温度:65oC年腐蚀率:0.08mm/Year!25年炼油厂应用：(英国Humber炼油厂,99年4套71炼油厂应用2(常温)管径:254mm管厚:9.7mm(30%=2.91mm)温度:65.5oC类型:均匀/冲蚀★★★★年腐蚀率:0.38mm/Year.!!(7.6年2.91mm)只能用7.6年,需要当心了!!!炼油厂应用2(常温)72炼油厂应用3(高温)★★★★管径:355mm管厚:13mm(30%=3.9mm)温度:349oC类型:局部腐蚀年腐蚀率:0.08mm/Year!(48年3.9mm)炼油厂应用3(高温)★★★★73埋地管道应用(龙岗2,普光23,克拉玛依2,吉林?)埋地管道应用(龙岗2,普光23,克拉玛依2,吉林?)74钢制管道腐蚀监测技术及系统课件75钢制管道腐蚀监测技术及系统课件76钢制管道腐蚀监测技术及系统课件77埋地管道应用(中东)埋地管道应用(中东)781.便携式(已有产品)2.电缆连接(已有产品)3.太阳能+无线数据(有研究动向报道,未见应用产品)4.产品国内空白1.便携式(已有产品)79TZ721井进站管线FSM腐蚀监测TZ721井进站管线FSM腐蚀监测80特点!和漏磁法、超声波法、涡流传感器、电阻探针和电感探针相比较[4,5,6]，基于FSM的测试系统在概念上有传感器，但在实体上没有传感器。(传感器三要素:敏感元件、转换元件和转换电路即管体本身。)基于FSM特别突出的特点，它在实用上有如下优点：特点!和漏磁法、超声波法、涡流传感器、电阻探针和电感探81国外FSM产品和技术的优点不再次开挖掩埋层、在线、可靠性和精度高。直接检测局部典型范围内的腐蚀量、腐蚀速率、坑蚀、焊缝腐蚀、冲蚀。测量元器件在测量过程中不暴露在易腐蚀、易磨损和高压环境中。（参阅下面二个对比的反例）在管道(容器)上进行装配时无需开孔和停产，不会导致泄漏危险。监测系统的使用期限由管道的使用寿命决定。测量系统在整个使用过程中几乎没有消耗。可以在高达500℃的温度下使用。国外FSM产品和技术的优点不再次开挖掩埋层、在线、可靠性和精822009年9月份塔中6气体站电阻探针腐蚀形貌2008.10.30～2009.9.17，监测周期：322天，腐蚀速度0.4941mm/a水平1井卸油台至1#2#阀组试片腐蚀形貌腐蚀如此严重结果已不可靠2009年9月份塔中6气体站电阻探针腐蚀形貌2008.1083国外FSM产品和技术的不足理论上不完善（牵扯效应，小腐蚀坑不可分问题）数据解释较复杂。（坑蚀和焊缝损失数据要传回CorrOcean公司数据处理中心处理。）产品价格昂贵。后续服务昂贵、不便。国外FSM产品和技术的不足理论上不完善数据解释较复杂。产品价843.FSM技术和系统研究、研制3.1目标

研制的系统，充分保持上述优点，克服上述缺点，填补国内空白。3.2牵扯效应，小腐蚀坑不可分问题的解决3.FSM技术和系统研究、研制3.1目标3.2牵扯效85牵扯效应（Drageffect）的解决一个电阻增加10%时

电压差

理论计算局部区域减薄10%时电压差

实际测试（高精度铣床，恒流源，电压表）结论：牵扯效应确实存在。对坑蚀精度有很大的影响。牵扯效应（Drageffect）的解决一个电阻增加10%时86钢制管道腐蚀监测技术及系统课件87

消去牵扯效应后两个电阻变化10%的FC值图

消除牵扯效应后三个电阻变化10%的FC值图两个电阻均变化10%FC值图

三个电阻均变化10%FC值图EI核心期刊《基于电位列阵的金属管道坑蚀监测研究》仪器仪表学报,2011/01p.19-25。2.SCI期刊《Investigationofdrageffectinfieldsignaturemethod》,MeasurementScienceandTechnology.2012/01消去牵扯效应后两个电阻变化10%的FC值图消除牵扯效应88小腐蚀坑不可分问题在实际测量中，一个面积较大而深度较浅的腐蚀坑所产生的极间电压变化值（当前电压值–初始电压值）与一个面积较小而深度较深的腐蚀坑所产生的极间电压变化值可能是相同的。

小腐蚀坑不可分问题在实际测量中，一个面积较大而深度较浅的腐蚀89主辅电压法-判断小蚀坑的直径和深度

精度±10%(±1mm/10mm)主辅电压法-判断小蚀坑的直径和深度

精度±10%(±1mm903.3研制的FSM系统类型、方案遥测型：GJ-T2（非防爆型），GJ-TF2（防爆型）(太阳能供电，无线通讯，可同时监测2处，适合用于野外，沙漠，戈壁等。)市电型：GJ-S4(非防爆型)，GJ-SF4(防爆型)（市电供电，可同时在线监测4处，适用于炼油厂，净化厂等)便携型：GJ-BF1(防爆型)，,GJ-B1(非防爆型)（每次检测1处，适用于多处定期巡检）3.3研制的FSM系统类型、方案遥测型：GJ-T2（非防91无线发收模块远程主机中国移动网络太阳能充电器状态电池容量状态检测系统状态启动检测命令温度激励电流被测管道电位场，