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    長輸油氣管道的智能化綜合化無損檢測

    發布日期:2019-10-10

    金屬管道作為石油油氣輸送工具,是工業生產與民用設施的重要組成部分。長距離布置的輸送油氣的管道大多處於複雜的土壤環境中,所輸送的介質也多有腐蝕性,因而金屬管道會逐漸減薄、穿孔或破裂,造成對管道的容量、性能、完整性及安全性的損害。

     

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    金屬管道腐蝕是一個世界性的問題,隨著時間的推移,金屬管道的腐蝕是不可避免的,即使做了防腐塗層,其塗層也會逐漸老化而喪失防腐蝕性能。金屬管道的腐蝕將嚴重影響其使用壽命,一旦管道發生腐蝕穿孔,就會造成油氣的漏失,不僅發生運輸中斷,而且會汙染環境,甚至可能引起火災,對人民生命財產安全、社會穩定和工業生產構成威脅,造成嚴重的經濟損失。國內每年因金屬材料的腐蝕破壞造成的經濟損失已高達約3萬億元。

     

    為此,在管道建設迅速發展的同時,如何保證管道的安全運行也成為越來越重要的問題。管道發生腐蝕後,通常表現為管道的管壁變薄,出現局部的凹坑和麻點。管道內腐蝕檢測技術主要是針對管壁的變化來進行測量和分析的。

     

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    目前,國內外在管道腐蝕方麵已做了大量的研究,開發了各種各樣的檢測方法,如漏磁通法、超聲波法、渦流檢測法、磁記憶法、激光檢測法和電化學檢測法等,利用這些方法對在用管道的腐蝕程度進行檢測,可有計劃、有針對性地更換危險管段,防止事故發生。但上述方法都由於本身的檢測原理及技術特點而存在一定的局限性。

     

    除此之外,相比於國外,國內的地下金屬管道監測技術仍處於起步探索階段,大部分管線不僅沒有使用網絡係統進行監控,而且各種檢測金屬管道腐蝕的技術也大都停留在管外檢測階段,不僅方法陳舊落後,而且無法對埋地金屬管道的腐蝕及安全性進行及時準確地檢測與評估。

     

    基於此,愛德森(廈門)電子有限公司和集美大學的研究人員設計了一種監測管道壁厚變化、腐蝕減薄和結構應力分布變化的管道集成檢測係統,包含超聲波測厚、渦流、電化學腐蝕速度監測和磁記憶應力診斷等4種方式,同時獲得多方麵有關管道腐蝕及安全性的信息,顯著提高了檢測的可靠性及效率。另外,在實施管道監測時,將多套監測模塊布置在不同管道及管道上的不同位置,從多參數識別到數據融合,檢測人員可對被監測管道的總體安全做出綜合判斷,在管道的腐蝕狀態監測、健康監測和壽命預估等方麵將有廣泛的應用前景。

     

    1  管道的腐蝕機理

     

    管道腐蝕是指管道金屬與周圍接觸到的氣體或液體進行化學反應而發生腐蝕的過程。基本上可分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩大類。

     

    化學腐蝕

     

    化學腐蝕指管道金屬單純由於化學作用而引起的腐蝕,如:金屬在幹燥空氣中或非電解質溶液(酒精、汽油、苯等)中的腐蝕;鐵在高溫下跟氧氣直接反應生成氧化鐵(皮狀),鋼鐵或其他金屬與氯氣直接反應而發生腐蝕,鐵、鋁、鋅等在幹燥空氣中也可被氧化而形成一層氧化膜。總之,化學腐蝕的化學反應比較簡單,僅僅是金屬跟氧化劑之間的氧化-還原反應。

     

    電化學腐蝕

     

    金屬接觸到電解質溶液,發生原電池效應,比較活潑的金屬原子失去電子而被氧化,腐蝕過程中有電流產生,叫電化學腐蝕或電化腐蝕。如鋼鐵在潮濕空氣中,表麵吸附一層薄薄的水膜,純水是弱電解質,能電離出少量的H+和OH-,同時由於空氣裏的CO2溶解,使水裏H+增多,結果在鋼鐵表麵形成了一層電解質溶液薄膜,其跟鋼鐵的鐵和少量的碳(或其他雜質)恰好構成了原電池。因此,鋼鐵製品的表麵就形成了無數微小的原電池。在這些原電池裏,鐵是負極,碳是正極,這時作為負極的鐵就失去了電子而被氧化;在正極,溶液裏的H+得到電子而被還原,最後產生氫氣在碳的表麵放出,這種腐蝕通常叫析氫腐蝕。如果鋼鐵表麵水膜的酸性很弱或呈中性,在負極上也是鐵失去電子而被氧化成Fe2+,而在正極上主要是溶解於水膜裏的氧氣得到電子而被還原,這種腐蝕叫吸氧腐蝕。

     

    從本質上看,化學腐蝕和電化學腐蝕都是鐵等金屬原子失去電子而被氧化的過程,而電化學腐蝕過程伴有電流產生,化學腐蝕過程卻沒有電流產生,在一般情況下,兩種腐蝕往往同時發生。造成電化學腐蝕的外因主要是大氣中的CO2、O2等成分及材料表麵的灰塵、鏽蝕傷痕等;內因則是金屬材料的化學成分及材料內部的組織不均勻性等。

     

    由金屬管道的腐蝕機理可知:

     

    一方麵,金屬管道的缺陷會增加管道的滲透性,加速金屬管道的碳化和侵蝕性介質的侵蝕,使金屬管道的腐蝕加重;

     

    另一方麵,金屬管道的腐蝕膨脹又會造成進一步開裂,金屬管道的缺陷與腐蝕相互作用,將加劇金屬管道的腐蝕破壞。

     

    以上過程循環作用,使金屬管道結構的耐久性大大降低。

     

    2  管道的檢測方法

     

    超聲波測厚

     

    超聲波測厚是利用超聲脈衝反射原理,超聲波脈衝在不同的鋼材中都會有一個固定的傳播速度,探頭發射的超聲波在鋼材中傳播並到達材料分界麵時會被反射回探頭,測量超聲波在材料中傳播的時間可以確定被測鋼材的厚度。超聲波測厚在管道檢測中已非常成熟,隻要能保證超聲波以恒定速度在材料內部傳播,就可使用此方法對管道進行壁厚測量。

     

    渦流監測

     

    渦流監測可以利用套在金屬管棒材上的渦流線圈,拾取金屬棒材監測點的渦流時間序列信號,可以對所采集的渦流時間序列信號進行分析,建立渦流時間序列信號與金屬棒材腐蝕進展規律之間的關係,進而從渦流監測信號的變化分析判斷金屬管道的腐蝕進展情況,並采取相應的處理措施。

     

    電化學檢測

     

    管道腐蝕是一個電化學過程,電化學測量是反映電化學本質過程的有力手段。電化學方法通過測定管道腐蝕體係的電化學特性來確定管道腐蝕程度或速度。電化學方法具有測試速度快、靈敏度高、可連續跟蹤和原位測量等優點。管道腐蝕的電化學檢測方法主要有自然電位法、交流阻抗譜技術和極化測量技術等。筆者采用電化學實時監測管道pH值、氯離子濃度、腐蝕電位、腐蝕電流密度等參數,通過觀測電化學腐蝕檢測信號間接判斷受檢管道的腐蝕量,多參數綜合評價受檢管道的腐蝕傾向性、腐蝕速度、安全性及服役壽命。

     

    磁記憶應力診斷

     

    磁記憶應力診斷技術是一種新型的利用鐵磁材料的內在漏磁信息對材料進行檢測和評價的無損檢測技術。利用金屬管道的磁彈性和磁機械效應,通過載體與地磁場共同作用下產生的磁記憶現象來確定管道表麵或近表麵的應力集中部位。磁記憶應力診斷技術可以發現在用管道的應力集中區域的宏觀缺陷,在管道早期診斷檢測中具有很大的優勢,檢測結果可為其他檢測技術提供參考。

     

    3  在用管道的無損雲檢測

     

    在長距離輸油氣管道上按一定的間距布置一個檢測點,並定時采集管道上各個點和各種類型(即多源數據結構的采集信號)的檢測數據,並將采集的數據通過網絡向雲端服務器傳送,可以通過服務器所收集的檢測數據對整條管道從時間和空間等多維度方麵進行分析判斷,了解整個管道的質量狀態。這種建立在基於互聯網、物聯網、大數據、雲計算和無損檢測集成技術的檢/監測係統就是一種無損雲檢測係統全新概念,通過各種先進的物理與化學無損檢測集成技術和雲檢測、監測的結合,將智能終端采集的數據送至雲端,進行數據管理、分析、處理、存儲、評估、預測、交互等,實現信息共享和遠程服務。

     

    按照檢測計劃,將目前常規的超聲波測厚儀、電化學檢測儀及磁記憶應力診斷儀,從集成技術的角度加以分解細化,將其專有部分設計為雲檢測終端,該終端包含檢測傳感器、信號發生、信號接收、調理電路及無線信號傳輸等基本組件,其他組件如參數控製、信息融合、專家評估軟件係統、信息反饋、傳播、共享、存儲、打印輸出等組件集成到雲端服務器和數據庫中,圖1為無損雲檢測網絡結構示意,圖2為雲檢測與評價服務技術平台結構示意。

     

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