李冰毅，王振強(qiáng)

(1.中國(guó)石化華北油氣分公司，河南鄭州 450006 2.中國(guó)石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司，北京 100101)

0 前言

在油氣站場(chǎng)各類(lèi)管道的日常生產(chǎn)、維護(hù)、監(jiān)測(cè)過(guò)程中，有必要定期檢查管道的腐蝕程度，常見(jiàn)的管道檢查方法包括超聲測(cè)厚技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)和紅外成像技術(shù)[1]。超聲波測(cè)厚法屬于反射波檢測(cè)法，即根據(jù)反射波的強(qiáng)弱和傳播時(shí)間來(lái)判斷缺陷的大小和位置。廣泛地用于檢測(cè)化工設(shè)備內(nèi)部的缺陷、腐蝕損傷以及測(cè)量設(shè)備和管道的壁厚，可以對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)中的設(shè)備反復(fù)進(jìn)行測(cè)量。聲發(fā)射檢測(cè)是用于檢驗(yàn)關(guān)鍵設(shè)備和結(jié)構(gòu)缺陷的一種手段。當(dāng)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備施以水壓使設(shè)備產(chǎn)生足夠大的應(yīng)力時(shí)，設(shè)備的缺陷會(huì)以高頻聲波的形式發(fā)出能量。這種高頻聲波傳送到設(shè)置在關(guān)鍵設(shè)備上的變送器，由變送器將其轉(zhuǎn)變成電子信號(hào)，然后由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)顯示出并進(jìn)行分析。通過(guò)測(cè)定聲音達(dá)到特定的變送器上的時(shí)間，即可確定出裂紋的位置；紅外線(xiàn)成像技術(shù)是利用特殊的電子裝置將物體表面的溫度分布轉(zhuǎn)換成人眼可見(jiàn)的圖像，并以不同顏色顯示物體表面溫度分布的技術(shù)。

超聲測(cè)厚技術(shù)有靈敏度高、檢測(cè)速度快、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為石油天然氣行業(yè)中最重要的腐蝕檢測(cè)手段。超聲檢測(cè)中應(yīng)用了現(xiàn)代電子檢測(cè)技術(shù)，不管是檢測(cè)速度、檢測(cè)精度、檢測(cè)效率，還是檢測(cè)范圍方面都有了進(jìn)一步的提高。因此，超聲波檢測(cè)技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外使用最頻繁、應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

本文提出了一種基于超聲波脈沖反射測(cè)厚原理的管道腐蝕在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法，并在某氣田甲醇污水處理站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 超聲波腐蝕監(jiān)測(cè)原理[2]

1.1 超聲波脈沖反射法測(cè)厚原理

超聲波脈沖反射法測(cè)量壁厚是一種無(wú)損檢測(cè)方法，超聲波換能器將超聲波驅(qū)動(dòng)到工件中，超聲波接收換能器接收工件表面和底部反射、折射和散射的信號(hào)，由于聲學(xué)特性和探測(cè)距離的關(guān)系，回波信號(hào)會(huì)有一定的衰減，經(jīng)超聲波接收的電路處理后，即可獲取材料厚度變化情況的完整信息。超聲波脈沖反射法測(cè)量壁厚的原理示意見(jiàn)圖1。

圖1 超聲波脈沖反射法測(cè)量壁厚的原理示意

1.2 測(cè)厚的分類(lèi)及測(cè)厚點(diǎn)的選擇

整體上測(cè)厚的技術(shù)有兩種方法，一種是人工檢測(cè)，另一種是超聲波定點(diǎn)測(cè)厚。定點(diǎn)測(cè)厚有3種方法，即定期定點(diǎn)測(cè)厚、在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)厚和檢修期定點(diǎn)測(cè)厚。其中，在線(xiàn)定點(diǎn)測(cè)厚的方法能夠?qū)崿F(xiàn)管道腐蝕的超聲波在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的要求[3]。在石油石化企業(yè)的管道中，流體流經(jīng)三通、管徑變化處和彎頭時(shí)，高速流體中含有的氣泡和微小顆粒會(huì)不斷沖擊管道的金屬表面，管壁上的正常零件腐蝕速度很快。因此，在線(xiàn)定點(diǎn)測(cè)厚的位置通常選擇在這些容易發(fā)生泄漏的位置，即特殊的管段。

1.3 超聲波在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

超聲波定點(diǎn)測(cè)厚是一種有效的在線(xiàn)腐蝕監(jiān)測(cè)方法，定期或連續(xù)的超聲波定點(diǎn)測(cè)厚可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道關(guān)鍵部位進(jìn)行連續(xù)腐蝕監(jiān)測(cè)的目的。

管道超聲波在線(xiàn)腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以超聲波回波的形式反映管道內(nèi)外壁的腐蝕信息。最后通過(guò)過(guò)程控制放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和通信電路將超聲波回波送入PC機(jī)進(jìn)行顯示處理。超聲波在管道壁面?zhèn)鞑r(shí)產(chǎn)生的回波信號(hào)，通過(guò)對(duì)管道壁面超聲回波信號(hào)的傳播和接收，記錄管道壁面損傷引起的超聲波回波信號(hào)，接收到的回波信號(hào)反映了管道的腐蝕程度和腐蝕速率[4]?；诖嗽?，管道腐蝕監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能：①評(píng)估管道的高危部位是否有腐蝕；②通過(guò)監(jiān)測(cè)腐蝕缺陷來(lái)管理管道薄弱環(huán)節(jié)的厚度變化，降低管道泄漏事故發(fā)生的概率。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 技術(shù)方案

管道腐蝕在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)一般采用一收一發(fā)的脈沖反射式測(cè)量原理，當(dāng)超聲波脈沖傳入被測(cè)物體到達(dá)管壁分界面時(shí)，依次產(chǎn)生表面波、一次波、二次波等，該脈沖波形被反射回探頭，利用高速AD采集超聲回波波形，通過(guò)精確測(cè)量超聲波在管壁中的傳播時(shí)間來(lái)確定管道的厚度值。

系統(tǒng)采用WIA-PA無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)，軟件顯示波形、厚度值及腐蝕厚度曲線(xiàn)，從而完成管道壁厚的連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，超聲回波波形如圖2所示。

圖2 超聲回波波形

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)2種結(jié)構(gòu)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選用，本文主要介紹無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)。無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)主要由在線(xiàn)壁厚監(jiān)測(cè)儀、智能網(wǎng)關(guān)、無(wú)線(xiàn)路由器、捆扎式夾具或管道焊接螺柱、數(shù)據(jù)分析軟件、PC機(jī)及服務(wù)器、電源適配器等構(gòu)成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

智能網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)整個(gè)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的資源管理、通信，同時(shí)需要負(fù)責(zé)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)和其它現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)映射和協(xié)議轉(zhuǎn)換。采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下保證通信成功率大于99%[5]。

系統(tǒng)固定有管道焊接螺柱和夾具捆扎式2種方式。

a) 管道焊接螺柱方式。螺柱焊釘?shù)囊?guī)格為M8×60(或者選用內(nèi)六角圓柱頭螺釘，規(guī)格為M8×55)；螺柱焊釘?shù)拈g距是62 mm；螺柱焊釘?shù)牟馁|(zhì)采用同管道材質(zhì)；固定形式為沿管道軸向氬弧或拉弧焊接，角焊縫高度為4～6 mm，焊接電流為50～55A。在兩螺柱之間，20 mm×30 mm長(zhǎng)方形面積內(nèi)的管道表面不能有凹坑等嚴(yán)重缺陷。

b) 捆扎式夾具方式。根據(jù)被監(jiān)測(cè)管線(xiàn)的外徑尺寸，采用適合、專(zhuān)業(yè)的捆扎式夾具方式固定，夾具在結(jié)構(gòu)上可分為基礎(chǔ)部分和可調(diào)整部分兩大部分。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)部分是指使用中固定不變的、通用的部分，如夾具體、夾緊機(jī)構(gòu)和操作機(jī)構(gòu)等。可調(diào)整部分是指不同零件加工時(shí)需要調(diào)整或更換的元件，如定位元件、導(dǎo)向元件和夾緊元件等。夾具的調(diào)整方式有調(diào)節(jié)式、更換式、綜合式、組合式。

2.3 數(shù)據(jù)分析軟件

系統(tǒng)配套數(shù)據(jù)分析軟件分為調(diào)試軟件和應(yīng)用軟件，調(diào)試軟件包括WIA-PA控制臺(tái)、工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置工具、儀器無(wú)線(xiàn)配置工具。應(yīng)用軟件有采集端軟件、終端集成軟件平臺(tái)。

WIA-PA控制臺(tái)軟件顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，配置網(wǎng)關(guān)IP、網(wǎng)絡(luò)ID、廣播信道和可用信道等信息，監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)、通信成功率等，具有采集、調(diào)試、查看和上傳波形數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、波形分析、厚度值及曲線(xiàn)顯示、腐蝕速率計(jì)算等功能。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某氣田甲醇污水處理站已經(jīng)成功應(yīng)用該系統(tǒng)，利用超聲波定點(diǎn)測(cè)厚對(duì)管道壁面的厚度變化進(jìn)行定期或連續(xù)的監(jiān)測(cè)。應(yīng)用結(jié)果表明超聲波定點(diǎn)測(cè)厚是一種有效的管道腐蝕監(jiān)測(cè)方法，可以確定管壁的腐蝕速率，為生產(chǎn)和管理提供有力的安全依據(jù)。在站內(nèi)地上工藝管道中選擇5個(gè)點(diǎn)位安裝了監(jiān)測(cè)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程進(jìn)展順利，沒(méi)有出現(xiàn)緊急情況。現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如表1、表2所示。

表1 監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝位置等信息

表2 監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝其他信息

監(jiān)測(cè)探頭的安裝采用了非焊接卡箍方式，該方式不需要現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)火，安裝比較方便和安全。系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)入終端，通過(guò)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)顯示。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與普通超聲測(cè)厚結(jié)果一致，見(jiàn)圖4。

圖4 某監(jiān)測(cè)點(diǎn)管道剩余壁厚趨勢(shì)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)管道腐蝕超聲波在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行闡述，對(duì)監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在某氣田甲醇污水處理站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地監(jiān)測(cè)驗(yàn)證，該技術(shù)能夠比較準(zhǔn)確地反映出管道的腐蝕情況，實(shí)現(xiàn)了管道腐蝕在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的目的。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合系統(tǒng)平臺(tái)信息化手段實(shí)時(shí)、直觀展現(xiàn)，便于生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)單位及時(shí)對(duì)管道設(shè)施進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，有效保障站場(chǎng)安全運(yùn)行。