HOANG Van Thanh，龍 偉，李炎炎*，黃仕磊，胥 鑫

(1.四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都610065；2.越南海事大學(xué)，越南海防180000)

金屬管道腐蝕缺陷的場指紋檢測方法（field signature method，F(xiàn)SM）[1]，是一種應(yīng)用于在線、原位、實(shí)時(shí)測量場合的新型無損檢測技術(shù)，本質(zhì)上屬于電位降檢測法，主要由按一定間距分布在金屬管道外壁的電極矩陣和信號(hào)處理系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 場指紋檢測示意圖Fig.1 Field fingerprint detection schema

FSM的工作原理是通過測量布置在金屬體表面電極矩陣的電壓變化來直接測量材料本體的壁厚損失，因此是一種非介入式檢測法。由于FSM僅要求電極矩陣與被測件進(jìn)行有效的電性接觸，故不會(huì)破壞被測檢件的材料本體，特別適合于金屬管道內(nèi)壁的點(diǎn)蝕、沖蝕等缺陷的無損檢測。

FSM在20世紀(jì)80年代中期由挪威學(xué)者提出以后，受到無損檢測技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜业臉O大關(guān)注，一些歐美國家很快推出了該技術(shù)的實(shí)用產(chǎn)品，在各生產(chǎn)領(lǐng)域的安全檢測中應(yīng)用，形成強(qiáng)大市場壟斷（一個(gè)測點(diǎn)系統(tǒng)高達(dá)120萬人民幣）。然而長期以來，F(xiàn)SM對均勻腐蝕（general corrosion）的檢測精度較高，但對局部腐蝕（localized corrosion）的檢查精度偏低，尤其是對危害極大的點(diǎn)蝕（pitting corrosion）的檢測精度更低，其應(yīng)用面受到很大限制[2]。

對此，Wan、Gan等發(fā)現(xiàn)了局部腐蝕和點(diǎn)蝕具備改變被測管道整體電流場分布的特點(diǎn)（即牽扯效應(yīng)）[3]，進(jìn)而利用等效電阻鏈網(wǎng)絡(luò)模型，提出了能夠提高FSM對局部腐蝕和點(diǎn)蝕檢測精度的算法[4]，同時(shí)也利用細(xì)分電阻鏈網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合主輔電壓法，提出了FSM對點(diǎn)蝕檢測的高精度算法[5]。

作者正是在該技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合點(diǎn)蝕缺陷安全評(píng)估無縫表征模型，進(jìn)一步研究在役金屬油氣管道點(diǎn)蝕缺陷安全評(píng)估及預(yù)警系統(tǒng)。

油氣金屬管道的點(diǎn)蝕缺陷，是局部片區(qū)上因腐蝕或沖蝕產(chǎn)生金屬損失的一種體積型缺陷，如圖2所示。

圖2 油氣金屬管道典型的點(diǎn)蝕缺陷實(shí)例Fig.2 Typical pitting corrosion defectsof oil and gasmetal pipeline

由于要考慮各個(gè)腐蝕點(diǎn)之間的相互影響及其深度和密度等因素，加之點(diǎn)蝕缺陷的萌生和擴(kuò)展比其他類型的腐蝕缺陷更加復(fù)雜，因此對點(diǎn)蝕缺陷的安全評(píng)估和可靠性分析更加困難，這也是點(diǎn)蝕缺陷的安全評(píng)估一直作為油氣金屬管道安全技術(shù)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)與重點(diǎn)的一個(gè)根本因素?？梢?，開展點(diǎn)蝕缺陷安全評(píng)估實(shí)用性方法對油氣金屬管道腐蝕缺陷的安全性評(píng)價(jià)更有工程上的實(shí)際意義[6]。

1 基于API-5 7 9 點(diǎn)蝕缺陷安全評(píng)估的無縫表征模型

目前，在油氣金屬管道腐蝕缺陷的安全評(píng)定中，最有效最具工程實(shí)用價(jià)值的是基于剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)的有關(guān)準(zhǔn)則[6]，其中最有代表性的是美國石油協(xié)會(huì)的API-579技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而API-579作為金屬管道腐蝕缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)相對完整的技術(shù)準(zhǔn)則，國際上眾多金屬管道腐蝕缺陷安全評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)體系均以其為參照。然而，API-579對點(diǎn)蝕缺陷的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)是建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的一種歸類方法，把點(diǎn)蝕缺陷分為不同的8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)（圖3）。

圖4為管道點(diǎn)蝕剩余壁厚比Rwt示意圖。

Step 1.The instructions(SATC)and the read-backs(SP),which have been converted into text format,are segmented into single words by the Chinese word segmentation method.

圖3 API-579的8個(gè)點(diǎn)蝕標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)Fig.3 Eight standard pitting modes of API-579

圖4 管道點(diǎn)蝕剩余壁厚比 R wt示意圖Fig.4 Diagram of pipeline pitting residual wall thickness ratio R wt

表1 不同m時(shí)的n取值Tab.1 Values n for different m

圖5 點(diǎn)蝕標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)RSF與R wt的關(guān)系Fig.5 Relationship between RSF and R wt of pitting standard mode

對此，將結(jié)合FSM技術(shù)對點(diǎn)蝕缺陷進(jìn)行數(shù)字特征處理，以獲得其點(diǎn)蝕占比值，把它稱為點(diǎn)蝕占比m，并以點(diǎn)蝕占比值作為常變量，構(gòu)建API-579的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)與剩余壁厚比Rwt和剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF之間的關(guān)系（圖5），從而建立點(diǎn)蝕缺陷安全評(píng)價(jià)的無縫表征算法模型。

2 云數(shù)據(jù)處理安全預(yù)警平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

實(shí)施面向全域生產(chǎn)管線的FSM集群監(jiān)測及其安全預(yù)警，采用傳統(tǒng)FSM檢測技術(shù)路徑與安全評(píng)價(jià)方法會(huì)面臨如下三大主要問題：

1）因?yàn)楦鞅O(jiān)測點(diǎn)地磁場、電力場、管徑尺寸、管材老化等因素的不同，現(xiàn)場安裝往往需要專家進(jìn)行有針對性的個(gè)性化FSM建模，而且隨著使用時(shí)間的增加也需要對FSM模型進(jìn)行修正，這對于實(shí)施規(guī)?；募罕O(jiān)測來講在工程上存在不少問題。

2）在點(diǎn)蝕缺陷的安全評(píng)估中，傳統(tǒng)方法并沒有給出多點(diǎn)蝕缺陷的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而在實(shí)際工程中多點(diǎn)蝕缺陷是油氣管道腐蝕的常態(tài)，而傳統(tǒng)評(píng)估方法對單一缺陷的評(píng)價(jià)雖然是安全的，但多缺陷的相互影響對管件安全可能是致命的，這就要求專業(yè)人員依據(jù)檢測信息進(jìn)行更深入的可靠性分析。

3）腐蝕缺陷的傳統(tǒng)評(píng)估準(zhǔn)則，往往只能給出是否安全的結(jié)論，并不能導(dǎo)出缺陷的安全程度，有些缺陷今天判定是安全[8-10]的，過幾天卻發(fā)生爆管事故，原因正是在于傳統(tǒng)方法忽視了缺陷安全程度的評(píng)價(jià)，這類工作同樣需要專家進(jìn)行有針對性的技術(shù)分析。

云數(shù)據(jù)處理的思想為解決上述問題提供了有效的思路，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上把凡是需要集中分析處理的功能歸納于云數(shù)據(jù)處理平臺(tái)[9]，這樣既節(jié)約了檢測終端的資源成本又解決傳統(tǒng)方法的不足，圖6是本文提出的面向全域生產(chǎn)管線的云數(shù)據(jù)處理安全預(yù)警平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 云數(shù)據(jù)處理安全預(yù)警平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural sketch of cloud data processing security early warning platform

傳統(tǒng)FSM技術(shù)對點(diǎn)蝕的檢測精度偏低，這是由于1對測量電極只能獲得1個(gè)測量信號(hào)。本文采用FSM對點(diǎn)蝕檢測的高精度細(xì)分算法，對點(diǎn)蝕的面積S、深度D、相對位置(x，y)等進(jìn)行分析處理，因此這樣點(diǎn)蝕的FC值（fingerprint coefficient）是通過探針測量電極的場指紋系數(shù)，同時(shí)由腐蝕深度、腐蝕面積和相對位置4個(gè)因素決定見圖7。

FC值一般計(jì)算式如下[5,11,12]：

圖7 點(diǎn)蝕的定義Fig.7 Definition of pitting security early warning platform

實(shí)驗(yàn)的被測對象是一個(gè)從中間對稱剖開的半圓管道，如圖8所示。被測管道的長度為1500 mm，壁厚為10 mm，外徑為300 mm。在該被測管道4個(gè)不同的測量區(qū)域的內(nèi)壁用磨頭加工出4個(gè)不同的小坑，如圖9所示。測量區(qū)域的面積為30 mm×30 mm，坑P1位于測量區(qū)域的右下方，直徑為9 mm，坑P2、P3和P4均位于測量區(qū)域的中心，直徑分別為9、15和25 mm。這4個(gè)小點(diǎn)均依次加工有多個(gè)深度。利用細(xì)分算法（主輔電壓法）和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)算法，計(jì)算得到的點(diǎn)蝕壁厚損失如圖10～13所示。

圖8 FSM點(diǎn)蝕檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 FSM pit erosion test latform

圖9 管道內(nèi)壁的4個(gè)小坑Fig.9 Four small pits in the inner wall of the pipeline

圖10 P1小坑的細(xì)分算法結(jié)果Fig.10 Resultsof P1 pit subdivision algorithm

圖11 P2小坑的細(xì)分算法結(jié)果Fig.11 Results of P2 pit subdivision algorithm

圖12 P3小坑的細(xì)分算法結(jié)果Fig.12 Results of P3 pit subdivision algorithm

圖13 P4小坑的細(xì)分算法結(jié)果Fig.13 Results of P4 pit subdivision algorithm

傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)算法沒有考慮探針測量電極周圍電壓變化的影響，而高精度細(xì)分算法則通主輔電壓法考慮了周圍電壓的變化。

傳統(tǒng)的FSM技術(shù)求點(diǎn)蝕的精度為10%～15%WT（WT表示壁厚），高精度細(xì)分算法（主副電壓法）能將精度提高到5%WT[12]。從圖10～13實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，高精度細(xì)分算法計(jì)算得到的壁厚損失精度比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的壁厚損失精度高，對于不同位置的點(diǎn)蝕情況，經(jīng)過高精度細(xì)分算法得到的結(jié)果都更接近實(shí)際的壁厚損失，比傳統(tǒng)方法大致提高了30%。因此，這種高精度細(xì)分方法極大地提高了監(jiān)測精度和監(jiān)測范圍，為金屬油氣管道點(diǎn)蝕缺陷安全評(píng)估系統(tǒng)提供了良好的監(jiān)測手段。

3 實(shí)際應(yīng)用的研究

借助于點(diǎn)蝕缺陷安全評(píng)估系統(tǒng)和云數(shù)據(jù)處理安全預(yù)警平臺(tái)，利用FSM方法對位于中國四川省達(dá)州市石油普光的某油氣田管道（材料L360QS219.1 mm×10 mm）進(jìn)行了連續(xù)3年（2 017-03—2 019-03）的實(shí)際應(yīng)用研究。通過FSM場指紋法對點(diǎn)蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可獲得點(diǎn)蝕深度、點(diǎn)蝕密度和點(diǎn)蝕面積3個(gè)重要參數(shù)，并通過這3個(gè)參數(shù)對管道內(nèi)壁進(jìn)行腐蝕場景的3維結(jié)構(gòu)重構(gòu)，其結(jié)果如表2和圖14、15、16所示，進(jìn)而由點(diǎn)蝕密度與點(diǎn)蝕面積求取點(diǎn)蝕占比m，依據(jù)點(diǎn)蝕深度求取剩余壁厚比Rwt[13]。mm

表2 現(xiàn)場3年時(shí)間管道厚度數(shù)據(jù)Tab.2 Pipeline thickness data in threeyears

圖14 探針分布展開Fig.14 Expansion of probe distribution

將圖15構(gòu)建的管道厚度3維模型進(jìn)行展開投影，得到圖16所示的點(diǎn)蝕占比投影圖，利用圖像處理技術(shù)，自動(dòng)獲取點(diǎn)蝕占比m，該現(xiàn)場的油氣管道點(diǎn)蝕占比m=12.64%。

通過圖17可以看出監(jiān)測的實(shí)際點(diǎn)蝕占比為第4級(jí)到第5級(jí)之間，根據(jù)API-579標(biāo)準(zhǔn)[7]，可以查到第4級(jí)和第5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)的 RSF與Rwt的數(shù)據(jù)關(guān)系，見表3和4。

圖15 現(xiàn)場FSM檢測的管道腐蝕3維重構(gòu)Fig.15 Three-dimensional reconstruction of pipeline corrosion scenedetected by FSM

圖16 FSM檢測的管道點(diǎn)蝕占比Fig.16 Pipe pitting percentage detected by FSM

圖17 實(shí)際監(jiān)測的點(diǎn)蝕占比Fig.17 Proportion of pitting corrosion actually monitored

表3 點(diǎn)蝕缺陷第4級(jí)模態(tài)R wt與RSF關(guān)系Tab.3 Relationship between R wt and RSF of the fourth order mode of pitting defect

表4 點(diǎn)蝕缺陷第5級(jí)模態(tài)R wt與RSF關(guān)系Tab.4 Relationship between R wt and RSF of the fifth order mode of pitting defect

4 用戶操作系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

用戶操作系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是對應(yīng)用程序組件的整體性描述，其直接反映系統(tǒng)運(yùn)行的邏輯性、安全性、可靠性、擴(kuò)展性以及可維護(hù)性，這是面向應(yīng)用對象程序設(shè)計(jì)的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。

用戶操作系統(tǒng)架構(gòu)按結(jié)構(gòu)模式區(qū)別，可把系統(tǒng)的整體構(gòu)架分為C/S（Client/Server）模式與B/S（Brower/Server）模式[14]。C/S模式，即客戶端/服務(wù)器模式，是一種針對局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的應(yīng)用運(yùn)行架構(gòu)模式。C/S模式可通過專用服務(wù)器在局域網(wǎng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的鏈接和數(shù)據(jù)的快捷交換，主要特點(diǎn)是可以充分發(fā)揮客戶端個(gè)人電腦的處理能力。相較于B/S模式，由于C/S模式少一級(jí)邏輯運(yùn)行結(jié)構(gòu)，因此處理速度更快。C/S模式的結(jié)構(gòu)程序適合于在用戶數(shù)目不多的局域網(wǎng)中使用，其缺點(diǎn)在于，因?yàn)榭蛻舳顺绦驍?shù)據(jù)分散的特性，對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一保存、維護(hù)及安全問題很難保證，且需要安裝專用客戶端組件，使得客戶端的升級(jí)與擴(kuò)展困難，其系統(tǒng)的可維護(hù)性比較差，應(yīng)用構(gòu)件的重用性或共用性不強(qiáng)。B/S模式，即瀏覽器/服務(wù)器模式，是一種針對廣域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的應(yīng)用運(yùn)行構(gòu)架模式。B/S模式是隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展而對于傳統(tǒng)客戶端/服務(wù)器模式的一種改進(jìn)。它是將系統(tǒng)核心功能組件部分集成在遠(yuǎn)端服務(wù)器上，并統(tǒng)一了客戶端的用戶操作界面，提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可維護(hù)，可真正實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化開發(fā)。

綜合上述兩種構(gòu)架模式的優(yōu)劣性，考慮油氣管道全域集群監(jiān)測與安全預(yù)警的特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用B/S模式進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，其系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)框圖如圖18所示。

圖18 基于B/S模式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)Fig.18 System architecture design based on B/Smodel

設(shè)計(jì)的全域油氣金屬管線安全檢測與預(yù)警系統(tǒng)由3層架構(gòu)組成，即分別為系統(tǒng)層、功能層、界面層。系統(tǒng)層主要實(shí)現(xiàn)用戶功能維護(hù)與擴(kuò)展，功能層主要實(shí)現(xiàn)安全檢測與腐蝕缺陷安全評(píng)估的編程操作，界面層主要實(shí)現(xiàn)面向用戶提供交互友好的操作界面。系統(tǒng)在功能設(shè)計(jì)上主要包括了輔助決策模塊、3維重現(xiàn)模塊[15-16]、管線信息模塊、系統(tǒng)用戶管理模塊、剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)模塊等。用戶可通過賬戶與密碼登錄系統(tǒng)后，在管道信息庫模塊進(jìn)行管道信息的查詢與錄入，包括管道信息庫、管材信息庫、缺陷信息庫三大數(shù)據(jù)庫的動(dòng)態(tài)管理，并可通過輔助決策模塊對評(píng)價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行選擇及腐蝕疲勞分析，進(jìn)而利用3維重現(xiàn)模塊來計(jì)算管道腐蝕密度與最大深度，最終實(shí)現(xiàn)基于安全衰減時(shí)變性的腐蝕缺陷安全裕度評(píng)價(jià)與在線剩余壽命分析評(píng)估，為安全評(píng)價(jià)人員做出正確分析評(píng)定提供可靠的評(píng)估依據(jù)。

5 結(jié) 論

研究了點(diǎn)蝕占比對金屬油氣管道剩余強(qiáng)度的影響，提出一種管道安全評(píng)估的方法，使評(píng)估更完整和準(zhǔn)確。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用FSM管道腐蝕監(jiān)測技術(shù)，將監(jiān)測的實(shí)際數(shù)據(jù)運(yùn)用到安全評(píng)估系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)蝕缺陷安全評(píng)估無縫表征模型和FSM監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建在線油氣管道點(diǎn)蝕缺陷安全評(píng)估及預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了FSM技術(shù)中對點(diǎn)蝕缺陷的安全評(píng)估理論問題，同時(shí)也解決了無縫表征模型在線實(shí)際應(yīng)用的評(píng)估問題，評(píng)估過程中不必破壞在役管道，極大地完善了油氣管道在線監(jiān)測安全評(píng)估系統(tǒng)。油氣田現(xiàn)場應(yīng)用研究表明該安全評(píng)估系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。