一种管道内壁腐蚀监测装置及其监测方法与流程

本发明涉及自动监测技术领域，特别是涉及一种管道内壁腐蚀监测装置及其监测方法。

背景技术：

油气集输是油气资源开发的重要组成部分，管道运输由于具有运费低、能耗少、输送量大、受外界环境影响小等优点,已经成为油气集输的主要形式。

管道运行存在诸多不确定性影响因素，随着管道服役时间的增长，管道发生失效的可能性逐渐增大，管道失效事故时有发生。在诸多导致管道失效的因素中，管道内壁腐蚀是主要原因之一。因此，及时的掌握油气管道的腐蚀状态，正确地管理油气管道系统，确保油气管道的安全运行，具有十分重要的意义。

目前，工业上常用的几种在线腐蚀监测方法，其中，物理方法包括：ER电阻探针腐蚀测量和磁阻法快速腐蚀监测；电化学方法包括：LPR线性极化腐蚀测量、两点法交流阻抗测量、氢探针法和电化学噪声技术等。对于油气管道而言，其内部输送的流质基本为非电解质，因此不适宜采用电化学方法进行管道内壁腐蚀在线监测；而电化学噪声技术的发展还不成熟，因此同样不适宜管道内壁的腐蚀监测。

电阻探针是当前应用最广泛、技术最成熟的管道内壁腐蚀在线监测手段。它适用各种腐蚀介质环境，所采集的数据也较为稳定、可靠。然而传统的丝状或平头式电阻探针有很大的局限：首先，传统电阻探针的寿命很短；其次，采用传统电阻探针监测需要进行多点测量且数据离散性较大；再次，三通直连式连接方案存在安全隐患，影响清管器的正常管道清理工作；另外，传统电阻探针的温度补偿效果不好。

环形切片技术在腐蚀监测领域的应用弥补了传统腐蚀探针的诸多缺陷，不仅可以测量管道周向360°的腐蚀信息，而且数据稳定可靠，同时保持了管道的完整性。然而，在实际输送管道中，并不存在独立的腐蚀区域，任何腐蚀的发生皆与周围管道区域存在耦合效应，并且利用环形切片技术的监测方法只提供了管道某一位置环境下的腐蚀情况，不能得到沿管道方向的腐蚀信息，即不能监测沿管道方向的局部腐蚀问题。针对管道中存在沉积物、管道焊缝区域以及管道流速冲击等情况下的腐蚀监测问题，仅利用环形切片技术及相关监测方案不能得到管道内准确的腐蚀信息，也不能监测管道中局部腐蚀区域与周围管道的耦合效应。。

技术实现要素：

鉴于已有技术存在的不足，本发明的目的是要提供一种能够准确监测管道内壁腐蚀程度并且能够实现沿管道方向局部腐蚀监测的阵列环形电阻腐蚀监测传感器及其监测方法。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种管道内壁腐蚀监测装置，其特征在于，其包括：阵列环形电阻腐蚀传感器、零电阻电流计、微欧计、信号采集控制系统；

所述阵列环形电阻腐蚀传感器包括由n个腐蚀元件及n个参比元件组成的2n个环形电极元件，其中n≥2、用以组合各所述环形电极元件的连接件、用以固定所述环形电极元件及所述连接件的螺栓、用以连接实际管道的端法兰；

所述腐蚀元件与所述参比元件均通过连接件沿管道方向互相间隔排列以组成阵列多环组；

所述阵列多环组首尾两端通过分别通过一个连接件与端法兰连接；

所述环形电极元件及所述连接件使用螺栓通过端法兰夹紧固定；

所述n个腐蚀元件分别通过继电器开关，对应配接n个零电阻电流计，并将n个所述零电阻电流计偶接于A/D转换器，所述继电器开关、所述零电阻电流计及所述A/D转换器放置于外部电子舱；

同时，所述2n个环形电极元件分别通过继电器开关连接于微欧计，所述继电器开关和所述微欧计放置于外部电子舱；

所述信号采集控制系统用以采集、保存各所述零电阻电流计和所述微欧计测量的数据，并控制所述继电器开关的动作。

进一步地，所述腐蚀元件除与液体接触的内表面外，其余表面部分皆喷涂氧化铬陶瓷且所述参比元件表面部分皆喷涂氧化铬陶瓷以保证非腐蚀表面的电绝缘性能。

进一步地，所述环形电极元件均采用实际管道材料。

进一步地，任意所述环形电极元件上均匀分布的12个接线柱中包括6个电流接线柱和6个电压接线柱，且所述电流接线柱与所述电压接线柱互相间隔设置。

进一步地，所述任意接线柱与环形电极元件通过栓接方式连接。

进一步地，各所述环形电极元件以电压接线柱为端点划为Seg1、Seg2…Seg6六个分区；其中Seg1与Seg4相对、Seg2与Seg5相对、Seg3与Seg6相对。

本发明的另一目的是要提供一种基于上述监测装置的管道腐蚀监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：将阵列环形电阻腐蚀传感器接入实际管道，通过导线实现装置各部分连接，同时将零电阻电流计、微欧计、A/D转换器及各继电器开关放置于外部电子舱；

S02：通过信号采集控制系统预先设置零电阻电流计和微欧计的采样时间以及各继电器开关动作的逻辑顺序；

S03：通过信号采集控制系统采集零电阻电流计和微欧计测得的数据并保存文档；

S04：对信号采集控制系统所采集的数据进行分析处理，得到腐蚀元件间的电偶电流以及每一分区的平均腐蚀深度Δh_i；

S05：通过对比腐蚀元件间的电偶电流和每一分区平均腐蚀深度Δh_i，得到实际管道周向以及沿管道方向的局部腐蚀情况。

进一步地，所述步骤S02中所有腐蚀元件通过零电阻电流计保持偶接状态，仅在通过微欧计测量环形电极元件分区电阻时断开偶接。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明能够更好的监测管道中沉积物以及磨损腐蚀等局部腐蚀问题以及焊缝区域的局部腐蚀问题；

2、本发明能够监测各环形切片之间的电偶电流，得到沿管道方向各腐蚀区域之间的耦合效应；

3、本发明不仅能够监测管道周向的局部腐蚀，还能够监测沿管道方向的局部腐蚀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的阵列环形电阻腐蚀传感器结构示意图；

图2为本发明实施例的环形电极元件结构示意图；

图3为本发明实施例的环形电极元件横截面示意图；

图4为本发明实施例的环形电极元件装配示意图；

图5为本发明实施例的电阻监测过程中电流流向示意图；

图6为本发明实施例的监测装置电路连接图；

图7为本发明实施例监测方法流程图。

附图标号说明：

1、端法兰；2、连接件；21、T型连接件；22、L型连接件；3、环形电极元件；31、腐蚀元件；32、参比元件；33、氧化铬陶瓷层；34、腐蚀元件的内表面；4、接线柱；41、电流接线柱；42、电压接线柱；5、螺栓；6、螺纹孔；7、密封圈。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

电阻法监测管道腐蚀的依据是腐蚀会导致电极电阻值发生变化，进而可以通过电阻值的变化来计算腐蚀深度。

基于上述设计背景，本发明设计了一种管道内壁腐蚀监测装置及其监测方法，下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明的技术方案：

一种管道内壁腐蚀监测装置，其包括：阵列环形电阻腐蚀传感器、零电阻电流计、微欧计和信号采集控制系统。

如图1所示，所述阵列环形电阻腐蚀传感器包括：

由n个腐蚀元件31及n个参比元件32组成的2n个环形电极元件3，其中n≥2，本实施例中优选n＝3，即阵列环形电阻腐蚀传感器由3个腐蚀元件及3个参比元件构成6环组结构；

用以组合各所述环形电极元件3的连接件2、用以固定所述电极元件3和所述连接件2的螺栓5、用以连接实际管道的端法兰1；

各所述腐蚀元件31与所述参比元件32均通过T型连接件21沿管道方向互相间隔排列以组成阵列多环组；

在本实施例中，所述腐蚀元件31与所述参比元件32首尾两端均通过L型连接件22与端法兰1连接；

本实施例中，所述环形电极元件3和所述连接件2利用12个螺栓5通过端法兰1夹紧固定；

任意所述环形电极元件3上均匀分布的12个接线柱4中包括6个电流接线柱41和6个电压接线柱42，且所述电流接线柱41与所述电压接线柱42互相间隔设置。

阵列环形电阻腐蚀传感器通过两端法兰1与实际管道连接，微欧计及零电阻电流计使用导线通过接线柱4与环形电极元件3相连，通过相应的信号采集控制系统采集保存数据，对其进行计算分析得到管道的腐蚀深度以及局部腐蚀情况。其中，参比元件32也可称为温度补偿元件，因为材料电阻率会随着温度的变化而变化，会造成测量结果的严重偏差，因此采用温度补偿元件意为减小因温度变化引起的不准确性。制作时所述环形电极元件3皆为从实际管道切下来的实际管道材料，加工成结构如图2所示的电极元件3，其包括电流接线柱41、电压接线柱42和环形电极。各所述环形电极元件3以电压接线柱42为端点划为Seg1、Seg2…Seg6六个分区；其中Seg1与Seg4相对、Seg2与Seg5相对、Seg3与Seg6相对。每个分区中间的接线柱为电流接线柱41。

图3为电极的横截面图，如图所示，制作时，腐蚀元件31除了与液体接触的内表面34外，其余表面皆喷涂氧化铬陶瓷保证电绝缘，参比元件32所有面皆喷涂氧化铬陶瓷33保证电绝缘，但是所有元件皆没有热绝缘，并需要保证较好的导热性能，以得到良好的温度补偿效果。

腐蚀元件31和参比元件32通过T型连接件21以图4所示的方式进行连接，其连接方式为凹凸连接，环形电极元件3设计为倒T型结构，T型连接件21外表面上开设一个凹槽配合，并使用O型密封圈7进行密封。而位于传感器两端与端法兰连接的连接件则采用L型连接件22。在电极上按照图2所示接线柱位置开12个螺纹孔6，以供接线柱连接。进一步地，所述任意接线柱与环形电极元件通过栓接方式连接。

各所述腐蚀元件31分别通过一继电器开关配接一零电阻电流计，并将3个零电阻电流计偶接于一A/D转换器，所述继电器开关、零电阻电流计以及A/D转换器均放置于外部电子舱；

各所述环形电极元件分别通过继电器开关连接于微欧计，所述继电器开关和微欧计放置于外部电子舱；

所述信号采集控制系统用以采集、保存各所述零电阻电流计和微欧计测量的数据，并控制所有继电器开关的动作。

所述传感器中电流流向如图5所示，电流从腐蚀元件31电流接线柱41注入，从其相对区域的电流接线柱流出，流向参比元件32相应位置的电流接线柱，最终从参比元件相对区域的接线柱流出。在此期间测量除电流注入、流出区以外的其他四分区的电阻。按照图示，将注入电流依次切换到其余电流接线柱，进而可测得所有分区的电阻。然而实际上，由于通过分区的电流无法确定，并不能准确测量分区阻值，且无必要得到准确的分区阻值，只需得到参比元件32和腐蚀元件31对应分区的比值即可。

图6是所述监测装置电路连接情况。如图所示，所有的腐蚀元件31连接一继电器开关，并通过n个零电阻电流计偶接于A/D转换器。所有的环形电极元件3通过继电器开关与微欧计连接，用以测量各个分区的电阻。微欧计的测量时间其实很短，可按照需求通过信号采集控制系统设置测量周期，测量时通过控制继电器开关将腐蚀元件31的偶接断开，而在非电阻测量时刻它们一直保持偶接状态。

电阻法就是根据腐蚀会导致电极变薄，使元件电阻值发生变化的原理，通过电阻值的变化计算腐蚀深度。对于环形传感器来说，如图3电极横截面图所示，可以将环截面看作内外两部分，外环的宽为a，厚度为c，内环宽为b，厚度为h，作为腐蚀裕量，第i分区的长度为L_i；相对的参比元件的外环宽为a’，厚度为c’，内环宽为b’，厚度为h’，第i分区的长度为l_i。

假设一段时间后腐蚀元件第i分区平均腐蚀深度为Δh_i，则腐蚀元件分区阻值为

参比元件分区的阻值为

其中，ρ(T)表示电极元件的电阻率。

腐蚀元件和参比元件的温度被认为绝对一致，可得到

当腐蚀深度为Δh＝0时，有

而，当腐蚀了Δh_i时，有

将式(5)与式(4)求比值，即可得到

因此，腐蚀元件的腐蚀深度只与腐蚀元件的初始截面尺寸、对应分区的初始阻值比k⁰_i、当前阻值比k_i相关，只需控制好初始截面尺寸，标定好初始阻值比，即可通过测得的当前阻值比得到腐蚀元件每一分区的平均腐蚀深度Δh_i。

如图5所示，在注入电流之后可以得到

同时，腐蚀元件和参比元件通过的电流大小是一致的，因此可得到

结合式(4)、(5)、(6)、(7)、(8)即可得到当前阻值比，继而得到腐蚀元件每一分区的平均腐蚀深度Δh_i。通过对比分区腐蚀深度即可得到管道中的局部腐蚀程度。

如果要监测焊缝区域的局部腐蚀，则腐蚀元件和参比元件可根据需要采用焊缝材料、热影响区材料和母材材料等。

传感器的安装与测试：

在预监测区域将此传感器通过两端法兰与实际管道相连接，并保证其密封性能，使其处于实际管道工作环境，然后使整个传感器处于导热油中，保证电绝缘并处于良好的导热环境中，且避免传感器的外部遭受腐蚀，影响监测结果。将零电阻电流计和微欧计等控制、测试仪器放置于独立的电子舱中，并密闭，保证其良好的工作环境。

传感器工作之前应该首先测试不同温度下腐蚀元件和参比元件的电阻比值，确保其有良好的温度补偿。

工作时阵列腐蚀元件处于偶接状态，通过零电阻电流计可以从宏观上且较为直接的得到沿管道方向不同位置环形电极元件的腐蚀情况。然后利用微欧计测得腐蚀元件和参比元件每个分区的电阻，通过计算可得到相应的每个分区的腐蚀深度，更为具体的监测到管道的局部腐蚀情况，并对其准确预报。相关的工作人员即可采取相应的防腐措施进行处理，保证或尽量延长管道的工作寿命。

本发明的另一目的是要提供一种基于所述监测装置的管道腐蚀监测方法，如图7所示为监测流程图，包括如下步骤：

S01：将阵列环形电阻腐蚀传感器接入实际管道，通过导线实现装置各部分的连接，同时将零电阻电流计和微欧计等电子元件放置于外部电子舱；

S02：通过信号采集控制系统预先设置各零电阻电流计和微欧计的采样周期以及各继电器开关的动作逻辑顺序；

S03：通过信号采集控制系统采集零电阻电流计和微欧计测得的数据并保存文档；

S04：分析处理采集得到的数据，得到腐蚀元件间的电偶电流以及每一分区的平均腐蚀深度Δh_i；

S05：通过对比腐蚀元件间的电偶电流和每一分区的平均腐蚀深度Δh_i，得到实际管道周向以及沿管道方向的局部腐蚀情况。

同时，所述步骤S02中所有腐蚀元件通过零电阻电流计保持偶接状态，仅在通过微欧计测量环形电极元件分区电阻时断开偶接。

本发明提供了一种管道内壁腐蚀监测装置及其监测方法。对环形切片技术进行改进，将单一环组改进为阵列多环组，并将其通过零电阻电流计偶接，模拟实际管道情况。不仅能够监测管道周向的局部腐蚀，同时可以监测沿管道方向的局部腐蚀问题，且可以较为真实的模拟并监测焊缝区域的腐蚀问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。