测量来自过程系统中设备的金属损耗的方法与流程

本发明涉及按照本专利权利要求1的前序部分的测量来自过程系统中设备的金属损耗的方法。

背景技术：

在诸如阀门及管配件的过程设备中的侵蚀，在某些类型的过程中是严重的问题。这尤其是流体液流中含有悬浮沙的过程液流的情形，那里侵蚀是不可避免的。金属损耗的另一种原因是腐蚀。

通常，侵蚀和腐蚀是通过测量暴露于管内过程液流的元件中电阻的变化检测的。随着该元件因侵蚀或腐蚀而变薄，电阻增加并给出侵蚀度和/或腐蚀度的指示。沙探测器是一种类型的传感器，被用在过程系统中以便监控侵蚀并且包括牺牲元件/测量元件，该元件例如被安排在海底油井的过程液流生产线中，与安排在管壁中的压力密闭组件一体。当沙探测器或腐蚀探测器中的测量元件的侵蚀达到预定极限或指示增长的发展，可以触发有关要采取的行动的报警。例如在油井中，因沙产生而引起的金属损耗可能必须降低生产率，以避免对过程设备的损坏甚或油井的坍塌。在另一种情形中，腐蚀探测器可以在早期的时间点提供有关过程设备中增加腐蚀的信息。

遗憾的是，电阻极大地依赖于温度，而为了补偿温度的变化，电阻在另一个不暴露于过程液流、从而不遭受侵蚀和/或腐蚀的元件上被测量。后一个元件被称为基准元件，并且真实的侵蚀/腐蚀测量是该两个元件之间的电阻率的比值。该基准元件通常由与测量元件相同的材料构成，并且呈现相同的尺寸。测量到的相应电阻率值之间的比值，将按如下公式代表金属损耗的值：

δhe＝he-hr·(rr/re)(1)

这里δhe代表元件金属损耗，he代表原始测量元件的高度或厚度，hr代表原始基准元件的厚度/高度，rr代表基准元件的电阻，和re代表测量元件的电阻。因此，当相应电阻率值之间的比值变化时，理论金属损耗也变化，该变化能够用作产生报警的系统的输入，该报警指出过程设备中增加的或临界的侵蚀水平。

然而，基准元件不能被定位在与测量元件相同的位置，并且因此，基准元件不能跟随与测量元件精确的相同温度变化，且通常会滞后于后者。所以，正如前面陈述的术语“理论金属损耗”指出，真实系统表现不同。例如，测量元件和基准元件之间温度的不同改变，例如在过程启动期间可以出现，这种情况可以产生假的金属损耗甚或金属“增长”。

一种用于从流体介质中测量腐蚀率的系统在美国专利6,919,729(rohrbackcosascosystems)中被描述。该专利建议了电流反馈放大器用于维持在基准元件两端恒定的ac电压，以便保持腐蚀性测量与探测器的周围温度无关。换句话说，该系统提供不受由温度改变引起的电阻率变化形式的噪声影响的腐蚀测量。

来自现有技术的另一个例子是在gb2150300中描述的电阻腐蚀探测器。

然而，沙探测器中电阻率的温度补偿测量不足以获得腐蚀水平的可靠值。电阻率测量还会受生产状况变化的影响，如在海底油井中，在生产停工和启动期间，那里的牺牲元件的加热能够与基准元件不同。对不可靠测量从而有关腐蚀阈值的误报警的另一贡献是过程液流中的东西对该元件的撞击、电磁干扰、有故障的元件/探测器。因此，沙探测器和侵蚀探测器，仍然可以产生许多隐藏着关于阈值侵蚀水平的真实报警的误报警，这些误报警可以导致过程设备及过程操作的损坏和/或失效。

us5,293,323描述一种方法，用于使诊断系统能够在操作期间评估主系统的健全状态并且能够针对误报警以降低的电位检测和隔离系统故障。置信度是从许多测试中计算的。该方法没有特别涉及腐蚀监控，且从通过使用许多附加物理部件人测试计算置信度，而不是如同本发明的情形，从在操作期间通过腐蚀探测器本身从一个单独位置取得的真实测量计算置信度。

发明目的

本发明的主要目的是提供一种在过程设备中检测侵蚀和/或腐蚀的方法，该方法能忽略误报警，同时允许当阈值侵蚀水平已经达到时真报警的检测。

发明

上述目的通过按照本专利权利要求1的特征部分的方法获得。更多的有利特性出现在从属权利要求中。

定义

如本文所使用的，术语“电阻率变化”企图包含基准元件或测量元件的电阻率在特定时间点(当前值，t)和要么是先前时间点(t-1)要么是平均值(a)之间的电阻率变化。术语“相对电阻率变化”是指一方面的测量元件和另一方面的基准元件之间电阻率的相对变化。应当注意到，时间点t-1能够是时间点t之前的时间点，因而不必然在时间点t之后。

如本文所使用的，术语“噪声极限”或“噪声阈值”意思是指跳变至以上时就无置信度的电阻绝对值。换句话说，在该噪声极限以上的值，是因过程中偶发事件而不是因测量元件中的金属损耗引起的电阻变化。该噪声极限被表示为“l”。

如本文所使用的，术语“confidence(置信度)”企图为电阻率中的变化是多可靠提供一个值。低置信度指出，电阻率变化的值是由噪声而不是由真实金属损耗引起的。另一方面，高置信度指出，电阻率变化的值是由真实金属损耗而不是由噪声引起的。置信度度量从绝对地无可靠性连续地改变到绝对地完全可靠性。

如本文所使用的，术语“报警”企图包含如在传统处理工业中所使用的报警。该术语还企图包含给出有关材料变化的早期警告的变化状态，这种材料变化不一定要求在该时间点采取任何行动，但预测必须注意并评估的变化状态。

如本文所使用的，术语“过程(process)”和“过程系统”企图包含任何过程，包含遭受侵蚀性/或腐蚀性流体的设备，如化学工厂、被安排与海岸油井以及海底油田连接的设备。

技术实现要素：

本发明涉及一种测量来自过程系统中与侵蚀性和/或腐蚀性过程流体接触的设备的金属损耗的方法，该过程系统包含气和油井中的管道和配件，这些管道和配件暴露于从井下地层流出的流体中，其中该方法包括步骤：

a)提供与过程流体接触的监控探测器，所述探测器包括暴露于过程流体的液流一个或多个测量元件，以及防御过程流体的液流的基准元件，

b)测量所述一个或多个测量元件的电阻re，

c)测量基准元件的电阻rr，

d)按照公式

δhe＝he-hr·(rr/re)(1)

从测量的电阻率计算金属损耗δhe，这里δhe、rr和re如以上被定义，而he和hr分别代表所述至少一个测量元件及基准元件的原始高度/厚度。

按照本发明，该方法还包括步骤：

e)通过计算基准元件电阻值的稳定性或由附加温度传感器测量的探测器温度的稳定性，提供被观测的电阻率变化的置信度度量，以及

f)把步骤e)的置信度度量应用于作为时间函数的电阻率变化的比较中，以便在所述一个或更多测量元件中，提供真实金属损耗的可信值，从而衰减由该过程系统中的噪声引起的电阻率变化，并且当该置信度度量为低时，把电阻率变化衰减较高程度，而当该置信度度量为高时，把电阻率变化衰减较低程度。

应当注意，上面公式(1)仅仅是现有技术如何提供金属损耗的例子。

步骤e)中提供的置信度度量是受噪声影响的测量，该噪声例如来自油井封闭期间温度和压力的变化。在有高噪声水平的系统中，相对电阻率变化的相当多部分是不可靠的，因而置信度值是低的。换句话说，置信度值是电阻率变化有多可靠的一种度量。例如，在稳定压力和温度状态期间，期望基准元件在时间上呈现稳定的电阻率(极小或没有变化)。当基准元件的电阻率变化时，如上面所指出，起因是系统中的变化。在后一种情形中，基准元件和测量元件二者电阻率变化的测量必须在较大范围上被滤波，以舍弃短暂的变化，这些短暂的变化不是由探测器中金属损耗引起的，而是来自操作条件的变化。

步骤f)中提供的真实金属损耗的可信值可以用于鼓励观测者采取某些类型的行动，如触发报警，或如果它的值超过预定阈值或表现出意外的或不需要的发展，则采取预防行动。

置信度度量能够以许多方式被提供。在一个实施例中，步骤e)中的置信度度量是按照公式(2)计算的：

confidence＝(l-abs(rt-ro))/l(2)

这里confidence代表计算的具有范围从0到1的小数值的置信度，这里值0代表无或低置信度，而值1代表高置信度，rt代表来自选定测量范围中最近的基准电阻值，ra代表在先前时间点上抽取的电阻抽样的加权平均，而l代表噪声极限，是在稳定操作条件下期望的噪声的度量。在具有极小噪声的系统中，l的值是低的，而与之相反，在具有高噪声水平的系统中，l的值是高的。换句话说，1的置信度值代表100％可靠的电阻率变化测量，然而，0的置信度值代表0％可靠的电阻率变化测量。但是，该置信度必须对特定系统校准并且对噪声阈值加权。

真实金属损耗的可信值可以以许多方式被计算，但在一个实施例中，它在步骤f)中提供的值是按照公式(3)计算的：

yt＝xt·confidence+yt-1·(1-confidence)(3)

这里输出值yt是在时间点t测量元件与基准元件之间的滤波后的电阻比值。该输出值代表被信任的金属损耗。输入值xt是在时间点t测量元件与基准元件之间的未滤波的电阻比值。该输入值代表不被信任的金属损耗。输入值yt-1代表在先前时间点t-1测量元件与基准元件之间的滤波后的电阻比值。该输入值confidence代表来自步骤e)的置信度度量。在时间“t”和“t-1”取得的被观测电阻率之间的时间差可以变化。例如，对沙探测器，该时间差通常可以有一分钟或数分钟的量级，而腐蚀探测器是用小时甚或天的时间间隔操作的。

应当注意，上述公式(3)中对真实金属损耗的可信值(滤波)的计算，也能够分别地被应用于基准元件的电阻值和测量元件的电阻值。其后，得到的滤波后的电阻值被用于计算相应的滤波后的电阻测量之间的滤波后比值，代替前述段中所述的从滤波后的电阻比值计算。

因此，步骤f)能够被执行如下：按照公式(3)计算真实金属损耗(滤波后)的可信值：

yt＝xt·confidence+yt-1·(1-confidence)(3)

这里

计算的输出值yt是在时间点t测量元件的滤波后的电阻测量，代表被信任的金属损耗，

输入值xt是在时间点t测量元件的未滤波的电阻测量，代表不被信任的金属损耗，

输入值yt-1代表在先前时间点t-1测量元件的计算的滤波后的电阻测量，

所述输入值confidence代表在步骤e)中计算的置信度度量，

重复以上计算，这里xt代表基准元件的未滤波的电阻测量，yt-1代表在先前时间点t-1基准元件的计算的滤波后电阻，其中输入值confidence如上被定义，并且然后

计算在选定时间点t上相应的计算的滤波后电阻值yt之间的比值。

在计算过程期间的某阶段有利地应用温度补偿，以衰减在测量时段期间由温度变化引起的噪声。应用温度补偿应当是在本领域熟练人员力所能及的范围内，并且这里不作更详细描述。

总之，本方法已经表明，通过在真实海底油井的数据集合上应用本方法，可抑制误报警高达99％，同时保留真报警的100％。换句话说，本发明的方法，通过在确定的时间段期间计算测量的电阻率变化的置信度值(度量)，忽略误报警。

附图说明

下面借助应用来自真实海底油井的真实电阻率测量的实例，和借助附图，更详细地描述本发明，其中

图1示出在确定的时间段上抽取的滤波后和未滤波二者的相对电阻率的曲线，

图2是方框图，示出按照以对噪声滤波和计算测量电阻率比值的置信度值的形式的本发明的方法的实施方式的一个例子，以及

图3是与图1类似的图，示出如何采用本发明的方法的另一个示例性实施方式。

具体实施方式

提供下面描述的例子以便描述本发明的方法的一个实施方式。更详细地说，来自挪威海中的真实海底油井中的沙探测器装备的电阻率测量被用于计算电阻率比值的可信(滤波后)变化，能实现真实的金属损耗的检测，并且同时忽略由电阻率比值变化提供的金属损耗的虚假指示。

表1

上面的表1用它们的未滤波的和滤波后的比值来说明测量(比值是测量元件电阻被基准元件电阻除)。被用于计算滤波后的比值的滤波后的电阻没有示出。数据取自一组侵蚀测量，其中少数温度变化后面有合理的侵蚀步骤。

现在参考图1，以11指示的最上面的曲线代表作为时间函数的电阻测量(左轴)。来自基准元件的作为时间函数的电阻测量示出在该曲线下面，用参考数字12指示(左轴)。在参考数字13处，两个上述电阻测量之间的未滤波比值(右轴)作为时间函数被示出。从图显而易见，在从约5283到约5288的时间间隔中已经检测到电阻跳变。该电阻跳变不代表任何真实金属损耗，而是过程系统中的噪声的结果。因此，观测者可以采取非必要的行动，如减小出产以降低或阻止过程设备中的侵蚀，或防止油井中沙产出而地层坍塌。由本发明的方法提供的滤波后比值(右轴)以参考数字14指示。这里，在从约5283到约5288的时间间隔中的电阻跳变已经通过使用该(滤波后)比值的计算中的置信度度量而被衰减。因此，该滤波后比值正确地没有指出在上述时间间隔中任何金属损耗，并且观测者没有被鼓励采取任何不必要的行动。该结果，例如考虑到防止停工或维持出产率，就是增强正常运行时间和费用节约。

但是，在抽样号5298处，未滤波和滤波后的电阻比值两者都有明显增加，且该两个电阻比值从该时间点开始大体上一致。该电阻比值的跳变代表真的金属损耗，它告诉观测者应当采取某种行动。

因此，按照本发明的方法成功地抑制温度噪声，同时接纳由腐蚀和/或侵蚀形式的真实材料变化引起的合理数据。

图2示出用于在沙探测器中实施上面描述的方法的装置的方框图，该沙探测器包括测量元件和基准元件，被安装在例如管道的过程液流内。

图3是类似于图2的图，但那里的基准元件是作为管道自身实现的。

如从图2可见的，温度长期噪声水平l是在步骤1中被计算的，而温度瞬时噪声水平是在步骤2中被提供。长期噪声水平可以按它的最简单形式由仪器自身的噪声本底表示。但是，这样将不会提供在管中的好结果，这里，温度在正常操作中是有噪声的。因此，应当进行一些计算，以便确定该正常噪声。瞬间噪声水平是高通滤波后的温度的绝对值。相应的值被用于在图中的步骤3中并且按照上面的公式2计算置信度。图中的步骤3对应于按照本方法的步骤e)。该计算的置信度在步骤4和5中被用作输入值，以便分别计算基准元件和测量元件滤波后的电阻值，这两个电阻值再次被用作输入值，以便计算被信任的金属损耗(按照本发明的方法的步骤f))，这样能够抑制由现有技术的方法所产生的误报警的约99％，同时100％保留指示受监控的过程设备中有害的腐蚀或侵蚀的真报警。

图3示出在本申请人的场指纹(fieldsignature(fsm))方法中应用的本发明的另一个实施例。这里的测量元件是管壁自身，而基准元件可以是附着于该管外表面的夹子，其中该夹子包括非侵入的感测针阵列，遍布要被监控的区域。这里，时滞甚至更大且误报警的风险甚至更高。步骤1和2的输入是来自过程设备例如管温度传感器或基准夹子温度传感器的温度测量。

因此，本发明公开一种具有以现有技术解决方案已经不能得到的可靠性的监控过程设备中的腐蚀和/或侵蚀的新颖方法。此外，通过对真实测量执行一种算法，没有使用如一些现有技术建议的附加物理部件或测试序列，就能够提供置信度度量。

按照本发明的方法能够增加维护之间的时间，因此具有更高的过程吞吐量和增加的利润。本发明还可以避免停工以及甚至由来自过程设备中的金属损耗的失效导致的事故，其中操作者已经决定要忽略已被证明是错误的报警，于是真实的报警也被忽略。在海底油井应用中，本方法可以在早期的时间点检测沙的出产并允许缩减出产率，以防止地层的坍塌。