基于场指纹法的金属管道、容器坑蚀检测方法与流程

本发明涉及金属管道或容器内壁坑蚀的高精度检测方法，具体地说，涉及一种基于场指纹法对石化行业油气管道或容器小腐蚀坑更高精度的检测方法，创新性地解决了传统FSM法中小腐蚀坑不可解的问题，属于测量技术领域。

背景技术：
目前石化行业普遍采用电阻探针法和极化探针法在线检测管道的腐蚀状况，但这些方法只能进行均匀腐蚀检测，对危害性极大的坑蚀无检测能力，高精度和高可靠性的坑蚀检测方法和技术是石油化工行业安全运营迫切需要的技术之一。场指纹法(FieldSignatureMethod,FSM)由于可靠性好，耐高低温，寿命长，国外已广泛地应用于油气管道、重要容器和结构的腐蚀检测。为便于理解本发明的技术方案，先简介FSM原理、发展历程和现有腐蚀参数测量、计算方法：FSM是一种无干扰的管道腐蚀检测技术，其测量用的电极和所有配套设备都安装在被检测对象(如储罐、管道等)外部，与被检测区域内的流体无接触。由于管道腐蚀之后，该腐蚀区(由一对电极覆盖)变薄导致电阻增加，在恒流源I的作用下，测量和分析测量电极间的电压变化得到管道内腐蚀的状况。为了消除温度和电流变化的影响，须增加一对参比电极，通常放置一个紧贴在管道外部且和管道绝缘的同质金属板。图1所示为管道外测量电极和参考电极示意图，在管道上安装完毕后，再包裹上一层绝缘层(如聚酯乙烯)与管道一起埋入地下或海底，测量时无需开挖掩埋层。FSM由挪威学者H.Hannestad1983年在一份专利中首次提出的。该方法和技术具有可靠性特别高，安全性好和温度适应范围特别大的优点。FSM的本质是矩阵化的电位法，即将一组测量电极矩阵安装(通常是焊接)在被检测金属对象外部，用于检测对象内部的腐蚀状况。它的基本原理是测试金属体电阻的变化。由于电极间电阻极小一般为几十uΩ，即使施加数十安电流，极间电压也只有几十uV，而腐蚀0.1mm时引起的电压变化只有0.1uV数量级。受当时元器件和仪表工业水平的限制，这一技术没有得到应用。1989年，挪威CorrOcean公司在购买以上专利的基础上，开发了比较实用的FSM产品。很多学者对相关技术做出大量的研究和贡献。最具代表性的有：1991年，挪威R.Strommen等人提出了改进的FSM的模型，通过增加一参考板，减少了温度和激励电流变化的影响，提出了场指纹系数FC概念和算法，使一对电极所全部覆盖的区域腐蚀量检测精度得到了提高，从而使FSM在海底管道和海底重要构件的腐蚀检测上得到了较广泛地应用。受当时计算技术的限制，FSM在原理上的局限性还没有被认识到，坑蚀的计算还是以经验公式为主，例如当诸FC有变化时，采用3-5倍的安全系数来给出坑蚀量，使坑蚀量没有精度确定性。2008年，英国学者D.MFarrell和A.Daaland等人在仿真计算的基础上，认识到了当电流经过坑蚀区域时，均匀电流将受到扰动，导致系统的精度下降。由于坑蚀大小、深度和位置的随机性，使电流场的分布没有确定性,检测精度为10-15％WT(壁厚10mm时，误差1-1.5mm)。2010年英国帝国理工ImperialCollege的G.Sposito、PeterCawley等人认识到了因腐蚀导致电流重新分配而导致电位变化不再呈线性的问题，并对电位探针布局进行了优化。在坑蚀位置已有先验知识的条件下，提出了用一对电极电压对应一个腐蚀区域并辅以电位图(PotentialDropMapping)来检测腐蚀的变化发展情况，给出的电位探针间距最优解没有普适性。2009年美国IowaStateUniversity的N.Bowler对四点法(4点在一条线上，2外点施加电流，2内点测电压,是FSM特例)进行了理论分析，给出了一对电极电压和厚度近似的计算方法，提出了测量金属板时四点探针布局的原则。四点法可以测出坑蚀，但需要逐点移动检测，不适合用在实时检测的场合，例如海底和埋地管道。但截止目前，FSM方法对于小腐蚀坑的检测存在不可解问题。小腐蚀坑的定义是：腐蚀坑的面积小于对应电极覆盖的区域。由于坑蚀一定是由无到有，有浅到深的，故小腐蚀坑一定是存在的。当一对测量电极之间出现小腐蚀坑时，极间体电阻会增加，同时，电流的分布也会发生改变，从而导致极间电压发生变化，但是一个小腐蚀坑有两个因素影响着电压的变化——坑的面积和深度，即：ΔVi,j；i,j+1＝f(S,D)S——面积，D——深度。由于对应测量电极只能输出一个电压变化值，从而上述关系式是多解的，即小腐蚀坑的面积和深度具有多种可能性，仅凭一个电压变化值无法确定小腐蚀坑的面积和深度，即小腐蚀坑不可识别问题(图3)。以往的处理方法是人为地消除一个变量，将面积S视为一个固定值，即将腐蚀坑的面积大小定义为一个测量电极对所对应的圆形区域或者矩形区域，该区域的直径或边长等于测量电极对的极间距离(图4)，用电压计测量所有测量电极对及参考电极对在无腐蚀坑时(t0时刻)和有腐蚀坑时(tx时刻)的电压，根据图2所示的电阻链模型，任一对测量电极所代表的局部腐蚀程度由指纹系数(FC值)判断：式中：Vi,j；i,j+1(t0)，Vi,j；i,j+1(tx)—电极对(i,j；i,j+1)在t0和tx时刻的电压；Vref(t0)，Vref(tx)—标准电极对在t0和tx时刻的电压；根据FC值，可以得到壁厚WT(WallThickness)计算公式：式中：WTi,j；i,j+1(tx)为当前被测区域厚度，WTi,j；i,j+1(t0)为被测区域原始厚度。上述方法不能真实、准确地反映腐蚀坑的实际状况，根据该公式求解出的小腐蚀坑的深度误差将会达到±15～25％WT(WT为壁厚，当壁厚为10mm时，精度为±1.5～2.5mm，最小可测的腐蚀坑面积为1.5WT)。

技术实现要素：
本发明针对目前FSM方法对坑蚀检测精度低等不足，提供一种能准确分辨坑蚀，特别是小腐蚀坑的测量方法，从而发展和完善FSM方法。本发明的技术方案是：一种金属管道、容器坑状腐蚀检测方法，基于场指纹法原理，在金属管道或容器的外壁布置测量电极矩阵，所述测量电极矩阵在管道或容器的圆周方向有i列电极，在轴线方向有j行电极，任意轴向上的两个相邻电极构成一个测量电极对；设置一个参考板，该参考板的材质与被测管道或容器的材质相同；所述参考板上设置有一对参考电极，作为参比标准电极；定义任意腐蚀坑所在区域的测量电极对作为主电极，相应的电压作为主电压；其它电极对作为辅电极，相应的电压作为辅电压；再按如下步骤测量求解腐蚀坑的面积及深度：(1)、将主电极对应的测量区域再细分为a×b个小区；以电极间距的1/5～1/3作为坑蚀直径起始值，电极间距的最大值为坑蚀直径终止值，步长为0.5～1mm,以1/20～1/15壁厚作为坑蚀深度起始值，7/10～8/10壁厚为坑蚀深度终止值，步长为0.5～1mm，利用稳恒电流场法，逐一计算每个小区无腐蚀坑时即t0时刻和有腐蚀坑时即tx时刻的主电压、辅电压，求出主、辅电压的变化值，建立主、辅电压法的腐蚀数据库；(2)、从参考板向金属管道或容器输入恒流激励电流，使该激励电流流过参考电极和测量电极矩阵，该激励电流的强度与采用稳恒电流场法计算时的电流强度相同；(3)、用电压计测量所有测量电极对及参考电极对在t0时刻和tx时刻的电压；(4)、按下式计算主电压tx时刻的指纹系数式中：Vi,j；i,j+1(t0)，Vi,j；i,j+1(tx)—电极对(i,j；i,j+1)在t0和tx时刻的电压；Vref(t0)，Vref(tx)—参考电极对在t0和tx时刻的电压；辅电压的指纹系数的求解公式与主电压的指纹系数的求解公式相同；(5)、按下式求出修正后的主电压：V’i,j；i,j+1(tx)＝(FCi,j；i,j+1(tx)/1000+1)×Vref(tx)×Vi,j；i,j+1(t0)/Vref(t0)(2)式中：Vi,j；i,j+1(t0)，Vi,j；i,j+1(tx)—主电极对(i,j；i,j+1)在t0和tx时刻的电压；辅电压求解公式与主电压求解公式相同，并求解出辅电压；(6)、按下式求出修正后的主电压变化值：ΔV’i,j；i,j+1(tx)＝V’i,j；i,j+1(tx)-Vi,j；i,j+1(t0)(3)辅电压变化值求解公式与主电压变化值求解公式相同，并求解出辅电压变化值；(7)、将修正后的主、辅电压变化值与腐蚀数据库匹配，即修正后的主、辅电压变化值与数据库中的主、辅电压变化值相差最小时的腐蚀坑的面积和深度即为求解值。作为优选的，所述测量区域细分为3×3共9个小区，即a＝b＝3。作为优选的，所述电压计采用高分辨率的精密电压测量模块。本发明的有益效果：本发明在不改变原有FSM法探针布局的情况下，通过主、辅电压法可以快速求解小腐蚀坑的面积和深度，并且大幅度提高了测量精度，使测量结果更加真实、准确地反映坑腐蚀的实际状况，为人们判断事故隐患提供可靠依据。附图说明图1FSM法原理示意图图2FSM等效电阻网络模型及主、辅电压示意图图3小腐蚀坑不可解问题示意图图4传统FSM法认为的坑蚀的轮廓形状示意图(该法认为坑蚀的面积S是固定的)图5FSM细分后的等效电阻网络模型图具体实施方式为了能准确分辨小腐蚀坑的面积和深度，本发明提出一种主、辅电压法，即定义任意腐蚀坑所在部位所对应的电极对作为主电极，相应的电压作为主电压Vi,j；i,j+1；将其余轴向电极对作为辅电极，相应的电压作为辅电压，即辅电压Vi-1,j；i-1,j+1，Vi+1,j；i+1,j+1，…,Vi,j+n；i,j+n+1；同时利用稳恒电流场法建立腐蚀数据库，按照稳恒电流场法的相关要求向被测管道或容器施加恒流激励电流，测量并处理得到修正后的主、辅电压变化值，通过匹配主、辅电压变化值，从而高精度和有确定性地得到该主电极对应区域内的小坑腐蚀的面积和深度。其原理如下：将图2中的等效电阻链模型根据测量要求进行ab均匀细分，即细分成ai×bj个子电阻(图5)，则一个电阻可以细分成ab个子电阻，计算出细分电阻网络的FC比值阵列，由下列公式得出：其中I为没腐蚀前每行电阻链上流过的电流，R为原始电阻值，R'为改变的电阻值，I(m-1)m为流过阻值发生改变的电阻的电流，In(n+1)为流过其它阻值未发生改变的电阻的电流，FCi,j；i,j+1(tx)为阻值发生改变的电阻的FC值，FCi,j；i,j+1(t0)为阻值未发生改变的电阻的FC值。根据FC比值阵列求出任意时刻极间电压的表达式，由下列公式得到：ΔVFC为阻值发生改变的电阻两端的电压，Vi,j；i,j+1(tx)为tx时刻的主电压，Vi,j；i,j+1(t0)为t0时刻的主电压，ab表示原电阻网络细分之后，一个电阻对应的子电阻个数。其它n个辅电压的计算公式也相似。计算出一个子电阻单独发生变化后的主电压Vi,j；i,j+1(1)和n个辅电压Vi-1,j；i-1,j+1(1)，Vi+1,j；i+1,j+1(1)，…,Vi,j+n；i,j+n+1(1)，再计算出几个子电阻同时发生变化后的主电压Vi,j；i,j+1(n)和n个辅电压Vi-1,j；i-1,j+1(n)，Vi+1,j；i+1,j+1(n)，…,Vi,j+n；i,j+n+1(n)。根据计算结果表明:当两种情况的主电压相等时，辅电压不相等，即：Vi,j；i,j+1(1)＝Vi,j；i,j+1(n)Vi-1,j；i-1,j+1(1)≠Vi-1,j；i-1,j+1(n)Vi+1,j；i+1,j+1(1)≠Vi+1,j；i+1,j+1(n)Vi,j+n；i,j+n+1(1)≠Vi,j+n；i,j+n+1(n)上式即从理论上说明了不同的坑对主电压的影响可能一致，但对辅电压的影响是不一致的。根据上述理论，即可利用主、辅电压综合判断小腐蚀坑的面积S和深度D。具体方法是：根据被测管道的材料，管型，直径，厚度，设计测量电极矩阵。在管道的圆周方向以i行，沿轴线方向以j列进行布置；添加一个参考板，并在其沿电流方向中线区域布置一对参考电极。所有电极横向和纵向距离为3～5倍壁厚(WT)；从参考板施加恒流激励电流，然后采集并保存测量电极组电压矩阵和参考板电压在无腐蚀坑(t0时刻)和有腐蚀坑时(tx时刻)的电压，求出指纹系数FC值：式中：Vi,j；i,j+1(t0)，Vi,j；i,j+1(tx)—电极对(i,j；i,j+1)在t0和tx时刻的电压；Vref(t0)，Vref(tx)—参考电极对在t0和tx时刻的电压；根据FC值，按下式计算得到修正主电压变化值：V’i,j；i,j+1(tx)＝(FCi,j；i,j+1(tx)/1000+1)×Vref(tx)×Vi,j；i,j+1(t0)/Vref(t0)式中：Vi,j；i,j+1(t0)，Vi,j；i,j+1(tx)—电极对(i,j；i,j+1)在t0和tx时刻的电压；Vref(t0)，Vref(tx)—参考电极对在t0和tx时刻的电压。修正辅电压求公式与修正主电压求解公式相似，并求解出修正辅电压；按照下式计算得到主电压变化值：ΔV’i,j；i,j+1(tx)＝V’i,j；i,j+1(tx)-Vi,j；i,j+1(t0)辅电压变化值求解公式与主电压变化值求解公式相同，并求解出辅电压变化值；利用稳恒电流场法计算、并通过实验验证建立腐蚀数据库，计算的数据包括：Fori＝1toi(管道的圆周方向有i列电极)Forj＝1toj(在管道的轴线方向有j行)Forq＝1toab(主电压对应区域有a×b共ab个小区)ForΦ＝1/5～1/3dtod,step0.5～1mm(Φ-坑蚀直径，d-电极间距。)ForD＝1/20～1/15WTto7/10-8/10WT,step0.5～1mm(D-坑蚀深度。石化行业管道需要检测的最小坑蚀深度为1/20～1/15WT。)goto“计算Vi,j；1,j+1(tx)模块”NextΦNextDNextqNextjNexti将实际测量并修正后的主、辅电压与数据库进行匹配，即可得出腐蚀坑的面积和深度。匹配采用模式匹配原则，设数据库主、辅电压变化值为ΔVi,j；i,j+1(m)，辅电压变化值为ΔVi-1,j；i-1,j+1(m),ΔVi+1,j；i+1,j+1(m),…,ΔVi,j+n；i,j+n+1(m)，测量所得主电压变化值为ΔVi,j；i,j+1和辅电压变化值为ΔVi-1,j；i-1,j+1,ΔVi+1,j；i+1,j+1,…,ΔVi,j+n；i,j+n+1，则有：Δ1＝ΔVi,j；i,j+1(m)-ΔVi,j；i,j+1Δ2＝ΔVi-1,j；i-1,j+1(m)-ΔVi-1,j；i-1,j+1Δ3＝ΔVi+1,j；i+1,j+1(m)-ΔVi+1,j；i+1,j+1Δn＝ΔVi,j+n；i,j+n+1(m)-ΔVi,j+n；i,j+n+1在一系列的μm中，最小的μm对应的腐蚀坑即是求解结果。即修正后的主、辅电压变化值与数据库中的主、辅电压变化值相差最小时的腐蚀坑的面积和深度即为求解值。下面以一个实例来具体说明本发明。在被测金属管道外壁按一定方式布上测量电极阵列，电极的间距一般取壁厚的3～4倍。本实例中的壁厚WT＝10mm,测量电极的间距d＝30mm。对被测金属管道施加直流恒流源，本实例施加的电流为2A，经过多次精密电压采样，再经过数据处理之后得到测量电极矩阵和参考电极对在无腐蚀坑时(t0时刻)的电压值。根据测量电极及被测管道参数进行稳恒电流场计算，建立腐蚀数据库(部份)：D2＝1.8mm，Φ3＝30mm、D3＝0.8mm(Φ为直径，D为深度)。再进行多次精密电压采样，然后数据处理得出测量电极矩阵和参考电极对在有腐蚀坑时(tx时刻)的电压。利用测量电极组电压矩阵和参考电极对的电压计算出FC值：式中：Vi,j；i,j+1(t0)，Vi,j；i,j+1(tx)—电极对(i,j；i,j+1)在t0和tx时刻的电压；Vref(t0)，Vref(tx)—参考电极对在t0和tx时刻的电压；根据FC值还原，按下式计算得到修正电压：V’i,j；i,j+1(tx)＝(FCi,j；i,j+1(tx)/1000+1)×Vref(tx)×Vi,j；i,j+1(t0)/Vref(t0)式中：Vi,j；i,j+1(t0)，Vi,j；i,j+1(tx)—电极对(i,j；i,j+1)在t0和tx时刻的电压；Vref(t0)，Vref(tx)—参考电极对在t0和tx时刻的电压。辅电压求解公式与主电压求解公式相似，并求解出辅电压；再得到主电压变化值：ΔV’i,j；i,j+1(tx)＝V’i,j；i,j+1(tx)-Vi,j；i,j+1(t0)辅电压变化值求解公式与主电压变化值求解公式相似，并求解出辅电压变化值；从而得到三个坑的主、辅电压变化值：将实际测量并修正后的主、辅电压与数据库进行匹配，即可得出腐蚀坑的面积和深度。匹配采用模式匹配原则，设数据库主、辅电压变化值为ΔVi,j；i,j+1(m)，辅电压变化值为ΔVi-1,j；i-1,j+1(m),ΔVi+1,j；i+1,j+1(m),…,ΔVi,j+n；i,j+n+1(m)，测量所得主电压变化值为ΔVi,j；i,j+1和辅电压变化值为ΔVi-1,j；i-1,j+1,ΔVi+1,j；i+1,j+1,…,ΔVi,j+n；i,j+n+1，则有：Δ1＝ΔVi,j；i,j+1(m)-ΔVi,j；i,j+1Δ2＝ΔVi-1,j；i-1,j+1(m)-ΔVi-1,j；i-1,j+1Δ3＝ΔVi+1,j；i+1,j+1(m)-ΔVi+1,j；i+1,j+1Δn＝ΔVi,j+n；i,j+n+1(m)-ΔVi,j+n；i,j+n+1在一系列的μm中，最小的μm对应的腐蚀坑即是求解结果。即修正后的主、辅电压变化值与数据库中的主、辅电压变化值相差最小时的腐蚀坑的面积和深度即为求解值。经过匹配，三个坑的匹配结果如下：通过匹配得到坑的最大深度误差σmax＝±1％WT(WT为壁厚)，远低于常规场指纹法±15～25％WT的误差。