長輸油氣管道的智能化綜合化無損檢測

金屬管道作為石油油氣輸送工具，是工業(yè)生產(chǎn)與民用設(shè)施的重要組成部分。長距離布置的輸送油氣的管道大多處于復(fù)雜的土壤環(huán)境中，所輸送的介質(zhì)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。

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，即使做了防腐涂層，其涂層也會逐漸老化而喪失防腐蝕性能。金屬管道的腐蝕將嚴(yán)重影響其使用壽命，一旦管道發(fā)生腐蝕穿孔，就會造成油氣的漏失，不僅發(fā)生運(yùn)輸中斷，而且會污染環(huán)境，甚至可能引起火災(zāi)，對人民生命財產(chǎn)安全、社會穩(wěn)定和工業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成威脅，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。國內(nèi)每年因金屬材料的腐蝕破壞造成的經(jīng)濟(jì)損失已高達(dá)約3萬億元。

為此，在管道建設(shè)迅速發(fā)展的同時，如何保證管道的安全運(yùn)行也成為越來越重要的問題。管道發(fā)生腐蝕后，通常表現(xiàn)為管道的管壁變薄，出現(xiàn)局部的凹坑和麻點(diǎn)。管道內(nèi)腐蝕檢測技術(shù)主要是針對管壁的變化來進(jìn)行測量和分析的。

目前，國內(nèi)外在管道腐蝕方面已做了大量的研究，開發(fā)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(xué)檢測法等，利用這些方法對在用管道的腐蝕程度進(jìn)行檢測，可有計劃、有針對性地更換危險管段，防止事故發(fā)生。但上述方法都由于本身的檢測原理及技術(shù)特點(diǎn)而存在一定的局限性。

除此之外，相比于國外，國內(nèi)的地下金屬管道監(jiān)測技術(shù)仍處于起步探索階段，大部分管線不僅沒有使用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，而且各種檢測金屬管道腐蝕的技術(shù)也大都停留在管外檢測階段，不僅方法陳舊落后，而且無法對埋地金屬管道的腐蝕及安全性進(jìn)行及時準(zhǔn)確地檢測與評估。

基于此，愛德森（廈門）電子有限公司和集美大學(xué)的研究人員設(shè)計了一種監(jiān)測管道壁厚變化、腐蝕減薄和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布變化的管道集成檢測系統(tǒng)，包含超聲波測厚、渦流、電化學(xué)腐蝕速度監(jiān)測和磁記憶應(yīng)力診斷等4種方式，同時獲得多方面有關(guān)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(shí)施管道監(jiān)測時，將多套監(jiān)測模塊布置在不同管道及管道上的不同位置，從多參數(shù)識別到數(shù)據(jù)融合，檢測人員可對被監(jiān)測管道的總體安全做出綜合判斷，在管道的腐蝕狀態(tài)監(jiān)測、健康監(jiān)測和壽命預(yù)估等方面將有廣泛的應(yīng)用前景。

1  管道的腐蝕機(jī)理

管道腐蝕是指管道金屬與周圍接觸到的氣體或液體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生腐蝕的過程。基本上可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩大類。

化學(xué)腐蝕

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

電化學(xué)腐蝕

金屬接觸到電解質(zhì)溶液，發(fā)生原電池效應(yīng)，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(chǎn)生，叫電化學(xué)腐蝕或電化腐蝕。如鋼鐵在潮濕空氣中，表面吸附一層薄薄的水膜，純水是弱電解質(zhì)，能電離出少量的H+和OH-，同時由于空氣里的CO2溶解，使水里H+增多，結(jié)果在鋼鐵表面形成了一層電解質(zhì)溶液薄膜，其跟鋼鐵的鐵和少量的碳（或其他雜質(zhì)）恰好構(gòu)成了原電池。因此，鋼鐵制品的表面就形成了無數(shù)微小的原電池。在這些原電池里，鐵是負(fù)極，碳是正極，這時作為負(fù)極的鐵就失去了電子而被氧化；在正極，溶液里的H+得到電子而被還原，最后產(chǎn)生氫氣在碳的表面放出，這種腐蝕通常叫析氫腐蝕。如果鋼鐵表面水膜的酸性很弱或呈中性，在負(fù)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于水膜里的氧氣得到電子而被還原，這種腐蝕叫吸氧腐蝕。

從本質(zhì)上看，化學(xué)腐蝕和電化學(xué)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(xué)腐蝕過程伴有電流產(chǎn)生，化學(xué)腐蝕過程卻沒有電流產(chǎn)生，在一般情況下，兩種腐蝕往往同時發(fā)生。造成電化學(xué)腐蝕的外因主要是大氣中的CO2、O2等成分及材料表面的灰塵、銹蝕傷痕等；內(nèi)因則是金屬材料的化學(xué)成分及材料內(nèi)部的組織不均勻性等。

由金屬管道的腐蝕機(jī)理可知：

一方面，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(zhì)的侵蝕，使金屬管道的腐蝕加重；

另一方面，金屬管道的腐蝕膨脹又會造成進(jìn)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(huán)作用，使金屬管道結(jié)構(gòu)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沖反射原理，超聲波脈沖在不同的鋼材中都會有一個固定的傳播速度，探頭發(fā)射的超聲波在鋼材中傳播并到達(dá)材料分界面時會被反射回探頭，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，只要能保證超聲波以恒定速度在材料內(nèi)部傳播，就可使用此方法對管道進(jìn)行壁厚測量。

渦流監(jiān)測

渦流監(jiān)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(jiān)測點(diǎn)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(jìn)行分析，建立渦流時間序列信號與金屬棒材腐蝕進(jìn)展規(guī)律之間的關(guān)系，進(jìn)而從渦流監(jiān)測信號的變化分析判斷金屬管道的腐蝕進(jìn)展情況，并采取相應(yīng)的處理措施。

電化學(xué)檢測

管道腐蝕是一個電化學(xué)過程，電化學(xué)測量是反映電化學(xué)本質(zhì)過程的有力手段。電化學(xué)方法通過測定管道腐蝕體系的電化學(xué)特性來確定管道腐蝕程度或速度。電化學(xué)方法具有測試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位測量等優(yōu)點(diǎn)。管道腐蝕的電化學(xué)檢測方法主要有自然電位法、交流阻抗譜技術(shù)和極化測量技術(shù)等。筆者采用電化學(xué)實(shí)時監(jiān)測管道pH值、氯離子濃度、腐蝕電位、腐蝕電流密度等參數(shù)，通過觀測電化學(xué)腐蝕檢測信號間接判斷受檢管道的腐蝕量，多參數(shù)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(yīng)力診斷

磁記憶應(yīng)力診斷技術(shù)是一種新型的利用鐵磁材料的內(nèi)在漏磁信息對材料進(jìn)行檢測和評價的無損檢測技術(shù)。利用金屬管道的磁彈性和磁機(jī)械效應(yīng)，通過載體與地磁場共同作用下產(chǎn)生的磁記憶現(xiàn)象來確定管道表面或近表面的應(yīng)力集中部位。磁記憶應(yīng)力診斷技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)在用管道的應(yīng)力集中區(qū)域的宏觀缺陷，在管道早期診斷檢測中具有很大的優(yōu)勢，檢測結(jié)果可為其他檢測技術(shù)提供參考。

3  在用管道的無損云檢測

在長距離輸油氣管道上按一定的間距布置一個檢測點(diǎn)，并定時采集管道上各個點(diǎn)和各種類型（即多源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的采集信號）的檢測數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)向云端服務(wù)器傳送，可以通過服務(wù)器所收集的檢測數(shù)據(jù)對整條管道從時間和空間等多維度方面進(jìn)行分析判斷，了解整個管道的質(zhì)量狀態(tài)。這種建立在基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和無損檢測集成技術(shù)的檢/監(jiān)測系統(tǒng)就是一種無損云檢測系統(tǒng)全新概念，通過各種先進(jìn)的物理與化學(xué)無損檢測集成技術(shù)和云檢測、監(jiān)測的結(jié)合，將智能終端采集的數(shù)據(jù)送至云端，進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、分析、處理、存儲、評估、預(yù)測、交互等，實(shí)現(xiàn)信息共享和遠(yuǎn)程服務(wù)。

按照檢測計劃，將目前常規(guī)的超聲波測厚儀、電化學(xué)檢測儀及磁記憶應(yīng)力診斷儀，從集成技術(shù)的角度加以分解細(xì)化，將其專有部分設(shè)計為云檢測終端，該終端包含檢測傳感器、信號發(fā)生、信號接收、調(diào)理電路及無線信號傳輸?shù)然窘M件，其他組件如參數(shù)控制、信息融合、專家評估軟件系統(tǒng)、信息反饋、傳播、共享、存儲、打印輸出等組件集成到云端服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫中，圖1為無損云檢測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意，圖2為云檢測與評價服務(wù)技術(shù)平臺結(jié)構(gòu)示意。

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