一种金属管道、金属压力容器局部腐蚀剩余厚度的测量方法

摘要

本发明公开了一种基于场指纹法的高精度的检测/监测金属管道或压力容器局部腐蚀后剩余厚度的方法。该方法用测量电极探针矩阵和参考电极获得取样电压并据此计算出场指纹系数FC后，再顺序计算各探针对所在部位的管道电阻值、计算各个电阻上的电流值、计算电阻变化所在列流向相邻一列的电流值，最后计算出管道或压力容器局部腐蚀后的剩余厚度。本方法大幅度提高了检测精度，能够对局部腐蚀剩余厚度进行确定性的计算，比目前常用的方法的精度更高，得到的结果更加可靠，为判断因腐蚀带来的事故隐患提供了可靠依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属管道、金属压力容器局部腐蚀剩余厚度的测量方法，属于测量技术领 域。

背景技术

在石化行业,腐蚀是管道（例如石油、天然气输送管道）发生事故的主要原因，占事故总 数的70%～90%。腐蚀形态分为：均匀腐蚀（general corrosion）、局部腐蚀（local corrosion）、 坑蚀（pit corrosion）、焊缝腐蚀（welding corrosion）和冲蚀（erosion）。目前石化行业普遍采 用电阻探针法和极化探针法在线监测管道的腐蚀状况，但这些方法只能进行间接均匀腐蚀检 测，对危害性极大的局部腐蚀无监测能力。高精度和高可靠性的局部腐蚀监测方法和技术是 石油化工行业安全运营迫切需要的技术之一。场指纹法（Field Signature Method,FSM）具有 直接检测局部典型范围内在役管道的均匀腐蚀、局部腐蚀、焊缝腐蚀、冲蚀的能力。与传统 的腐蚀检测方法相比较，场指纹法属于直接测量，精度高，可靠性好，耐高低温，寿命长， 目前已被广泛应用于国外石化行业中。

场指纹法的本质是测试金属体电阻的变化，它的基本原理是测量置于管道外侧表面探针 的电压变化：由于管道腐蚀之后，该局部区域（由一对电极所覆盖区域）变薄导致电阻增加， 在恒流源的作用下，测量和分析测量电极间电压变化得到管道内腐蚀的状况。

场指纹法安装电压探针矩阵在被测件的外表面，在离测量区域一定距离的位置注入直流 电或者是频率非常低的交流电（几Hz左右）；与此同时，为了消除温度和注入电流变化的影 响，须增加一对参比电极，通常放置在一个紧贴在管道外部且和管道绝缘的金属板上，如图 1所示。在得到测量的电压数据后，与初始的测量电压进行对比，通过计算得到指纹系数（FC 值）。任一对测量电极所代表的腐蚀程度由指纹系数判断。

场指纹法由挪威学者H.Hannestad 1983年在专利WO 83/03675中首次提出的。受当时 元器件和仪表工业水平的限制，这一技术没有得到推广应用。1989年，挪威CorrOcean公司 在购买以上专利的基础上，开发了比较实用的场指纹法产品。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：挪威R.Strommen等人提出了改进的场指纹法的模型，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监测精度得到了提高。英国学者D.M Farrell以及 G.Sposito、Peter Cawley等人认识到了当电流经过局部腐蚀区域时，均匀电流将受到扰动，导 致系统的精度下降。

根据国外文献资料，代表管道测量区域腐蚀信息的FC值的计算公式如下：

${\mathrm{FC}}_{i,j;i+1,j}=(\frac{\frac{V_{i,j;i+1,j}\left(t_x\right)}{V_{i,j;i+1,j}\left(t_0\right)}}{\frac{V_{\mathrm{ref}}\left(t_x\right)}{V_{\mathrm{ref}}\left(t_0\right)}}-1)\times 1000$(单位：ppt,Part per thousand)    （1）

其中V_i,j;i+1,j(t₀)，V_i,j;i+1,j(t_x)—探针(i,j)和(i+1，j)在t₀和t_x时刻的电压；V_ref(t₀)，V_ref(t_x)— 标准电极对在t₀和t_x时刻的电压。据此公式可以求得任意探针对之间的FC值。

在计算出FC值之后，要想得到管道检测区域的剩余厚度量，还需要通过FC值的计算得到 剩余厚度量。国外文献资料表明，对于均匀腐蚀，即所有探针下的测量区域，剩余厚度量精 度为壁厚的±0.5%，即管道壁厚10mm时，误差0.05mm。但是在局部腐蚀的情况下，即探针 P(i,j)和P(i+1，j)之间覆盖的矩形局域，监测精度为±10-15%壁厚，即壁厚10mm时，误差 1-1.5mm。可见原始厚度换算公式在计算局部腐蚀的时候会产生大量误差，且计算局部腐蚀的 公式中含有人为的修正系数，例如在计算出剩余厚度的基础之上，在乘上一定的经验系数（例 如3-5倍的经验修正系数），使局部腐蚀量没有普适性和精度确定性。

场指纹法现在计算剩余厚度公式的原理推导如下：

根据电阻公式有：

$\frac{R_{i,j;i+1,j}\left(t_x\right)}{R_{i,j;i+1,j}\left(t_0\right)}=\frac{\frac{\rho l_{i,j;i+1,j}}{w_{i,j;i,j+1}{h}_{i,j;i+1,j}}}{\frac{{\mathrm{\rho l}}_{i,j;i+1,j}}{w_{i,j;i,j+1}{h^{\prime }}_{i,j;i+1,j}}}=\frac{{h^{\prime }}_{i,j;i+1,j}}{h_{i,j;i+1,j}}$  （2）

其中，R_i,j;i+1,j(t₀)，R_i,j;i+1,j(t_x)为探针(i,j)和(i+1，j)之间在t₀和t_x时刻的电阻值；ρ是 管道电阻率；l_i,j;i+1,j是探针(i,j)和(i+1，j)之间的距离；w_i,j;i,j+1是探针P(i,j)和探针P（i， j+1）之间的距离；h_i,j;i+1,j是探针对(i,j)和(i+1，j)之间的当前剩余厚度；h'_i,j;i+1,j是探针(i,j) 和(i+1，j)之间的原始厚度。

理想情况下，即不考虑注入管道电流和温度变化的影响，公式（1）可以有如下关系式：

${\mathrm{FC}}_{i,j;i+1,j}=(\frac{R_{i,j;i+1,j}\left(t_x\right)I_{i,j;i+1,j}\left(t_x\right)}{R_{i,j;i+1,j}\left(t_0\right)I_{i,j;i+1,j}\left(t_0\right)}-1)\times 1000$  (3)

其中：R_i,j;i+1,j(t₀)，R_i,j;i+1,j(t_x)为探针(i,j)和(i+1，j)之间在t₀和t_x时刻的电阻值； I_i,j;i+1,j(t₀)，I_i,j;i+1,j(t_x)为探针(i,j)和(i+1，j)之间在t₀和t_x时刻的电流值。

在不考虑局部腐蚀前后流过同一对探针下区域的电流变化情况下，可以得到目前国外使 用的基于场指纹法的管道剩余厚度的计算公式为：

  （4）

其中h'_i,j,;i+1,j为探针(i,j)和(i+1，j)之间的原始厚度值。

上述公式在计算均匀腐蚀厚度的情况下可以得到基本正确的结果，但是在局部腐蚀的情 况下会产生很大误差。例如在管道厚度为10mm，内径为304mm低碳钢直管道上，注入直流电 流16A，电流注入点相距1.5m，探针在电流注入点中间，探针对矩阵为16×6。当管道测量 区域为均匀腐蚀且腐蚀厚度为3mm时，任意一对探针之间的FC值为412.0，通过原始厚度公 式计算得到的管道剩余厚度为7.08mm。而管道某一对探针下发生局部腐蚀且腐蚀厚度为3mm 时时，该探针对之间的FC值为235.8，通过原始厚度公式计算得到的管道剩余厚度为8.09mm， 这与实际管道剩余厚度存在较大的误差，为15.6%，而且随着管道腐蚀厚度的增加，局部腐 蚀下的剩余厚度的误差将进一步扩大。误差产生得原因是：在金属管道未发生腐蚀时，由于 电流注入点离管道测量区域较远，这样流过测量区域的电流基本上是均匀的。而发生均匀腐 蚀时，流过整个测量区域的电流与之前相比较，大小还是相同的。但是发生局部腐蚀时，流 过测量区域的电流与未腐蚀或均匀腐蚀时的电流值不同，具体表现形式是该局部腐蚀区域前 后的电流将减少，上下的电流将增加，特别是在变化电阻的相邻区域影响很大。现有的场指 纹法剩余厚度计算公式在计算局部腐蚀时，忽略了这一电流变化问题，认为局部腐蚀的电流 流动情况与均匀腐蚀相同，这样带来了较大的误差。

然而，在因腐蚀造成的管道爆裂事故中，多数是局部腐蚀造成的，故对管道局部腐蚀剩 余厚度的高精度监测尤为重要，其检测精度直接关系到对事故隐患的准确判断。

发明内容

针对场指纹法在局部腐蚀时管道剩余厚度计算的不准确性，本发明提出了一种高精度的 金属管道局部腐蚀剩余厚度的测量方法，该方法可以大幅度提高局部腐蚀剩余厚度的计算精 度，为准确判断事故隐患提供可靠依据。

本发明的技术方案是：

一种金属管道、压力容器局部腐蚀剩余厚度测量方法，基于场指纹法原理，在金属管道 或压力容器的外壁设置测量电极探针矩阵，所述测量电极探针矩阵在管道圆周方向探针为i 行，在轴线方向探针为j列，在轴向上的任意两支相邻探针构成一个探针对，设置一个参考 板，该参考板的材质和厚度与管道或容器相同，在参考板上设有一对电极作为参比标准电极， 按如下步骤测量管道或压力容器局部腐蚀的剩余厚度：

（1）、经参考板向管道或压力容器输入恒电流，用电压计测量电极矩阵中各探针对以及 参考电极的电压值；

（2）、按下式计算FC值：

${\mathrm{FC}}_{i,j;i+1,j}=(\frac{\frac{V_{i,j;i+1,j}\left(t_x\right)}{V_{i,j;i+1,j}\left(t_0\right)}}{\frac{V_{\mathrm{ref}}\left(t_x\right)}{V_{\mathrm{ref}}\left(t_0\right)}}-1)\times 1000$(单位：ppt,Part per thousand)   （5）

其中：V_i,j;i+1,j(t₀)，V_i,j;i+1,j(t_x)—探针(i,j)和(i+1，j)在t₀和t_x时刻的电压；

V_ref(t₀)，V_ref(t_x)—参考电极对在t₀和t_x时刻的电压；

（3）、按下式计算各探针对所在部位的管道或压力容器电阻值：

$R_{i,j;i+1,j}\left(t_x\right)=\frac{{\mathrm{\rho l}}_{i,j;i+1,j}}{w_{i,j;i,j+1}{h^{\prime }}_{i,j;i+1,j}}$  (6)

其中：ρ是管道电阻率；l_i,j;i+1,j是探针(i,j)和(i+1，j)之间的距离；

w_i,j;i,j+1是探针P(i,j)和探针P（i，j+1）之间的距离；

h'_i,j;i+1,j是探针(i,j)和(i+1，j)之间的原始厚度；

列上电阻值计算与上式类似，距离是探针(i,j)和(i，j+1)之间的长度，且l和w之间互 换位置；

（4）、按下式计算各个电阻上的电流值：

$\left(\begin{array}{c}{R}_{i,j;i+1,j}{I}_{i,j;i+1,j}=R_{i,j;i,j+1}{I}_{i,j;i,j+1}+R_{i,j+1;i+1,j+1}{I}_{i,j+1;i+1,j+1}+R_{i+1,j+1;i+1,j}{I}_{i+1,j+1;i+1,j}\\ I_{i-1,j;i,j}=I_{i,j;i,j+1}+I_{i,j;i,j-1}{I}_{i,j;i+1,j}\end{array}\right)$  （7）

其中：R_i,j;i+1,j是探针(i,j)和(i+1，j)之间的电阻值；

I_i,j;i-1,j是探针(i,j)和(i-1，j)之间电流值；

（5）、设局部腐蚀发生时对应的探针所在点为(i,j)和(i+1，j)，按下式计算电阻变化所 在列流向相邻一列的电流值：

ΔI＝I_i,j;i-1,j+I_{i,j-1;i-1,j-1}+…+I_2,1;1,1   （8）

其中：ΔI是电阻变化所在列流向相邻一列的电流值；

I_i,j;i-1,j是探针(i,j)和(i-1，j)之间电流值；

（6）、按下式计算测量区域管道局部腐蚀后的剩余厚度：

$h_{i,j;i+1,j}=\frac{Q_{i,j;i+1,j}{h^{\prime }}_{i,j;i+1,j}}{1+Q_{i,j;i+1,j}}$  （9）

其中：

$Q_{i,j;i+1,j}=\frac{1000(1-a)-a{\mathrm{FC}}_{i,j;i+1,j}}{{\mathrm{FC}}_{i,j;i+1,j}},$$a=\frac{{2\mathrm{\Delta IR}}_{i,j;i+1,j}}{R_{i,j;i+1,j}^{\prime }{I}_i-2\mathrm{\Delta I}{R}_{i,j;i+1,j}^{\prime }};$

h_i,j;i+1,j是管道或压力容器局部腐蚀后探针对(i,j)和(i+1，j)所在部位的剩余厚度；

h'_i,j;i+1,j是管道或压力容器上探针(i,j)和(i+1，j)所在部位的原始厚度；

I_i是未腐蚀时流过该行探针的电流值；

R′_i,j;i+1,j是腐蚀后探针(i,j)和(i+1，j)之间的电阻变化值；

R_i,j;i+1,j是未腐蚀时探针(i,j)和(i+1，j)之间的电阻值。

所述向管道输入的恒电流是直流或频率不大于20Hz的交流电流。

本发明的有益效果：

发明人在仔细分析管道局部腐蚀情况下电流场的分布状况后，经反复实验、不断修正， 找到了一种新的算法，该算法包含了一组公式，即式（6）、式（7）、式（8）、式（9），用该 方法计算管道局部腐蚀后的厚度，大幅度减小了原始算法带来的误差，见表1。

表1不同腐蚀深度下的剩余厚度比较（单位：mm）

本方法大幅度提高了检测精度，能够对局部腐蚀剩余厚度进行确定性的计算，比目前常 用的方法的精度更高，得到的结果更加可靠，为判断因腐蚀带来的事故隐患提供了可靠依据， 对于消除事故隐患，预防管道爆裂意义重大。

本发明的技术方案丰富、发展了场指纹法，使之臻于完善，可以更高精度的检测局部腐 蚀状况，且具有普适性和确定性。

附图说明

图1场指纹法工作原理图

图2场指纹法等效电阻网络模型图

具体实施方式

下面用一个实例详细说明本发明。

参见图1，本例中，管道厚度为10mm，内径为304mm低碳钢直管道，基于场指纹法原理， 在金属管道的外壁设置测量电极探针矩阵，在参考板上设参考电极对，测量电极探针矩阵在 管道圆周方向探针为i=16行，在轴线方向探针为j=7列，在轴向上的任意两支相邻探针都 构成一个探针对，作为测量电极，按如下步骤测量管道局部腐蚀的剩余厚度：

（1）、经参考板向管道输入恒电流8A，该电流可以是直流，也可是频率不大于20Hz的 交流，电流注入、流出点相距1.5m，探针矩阵布置在电流注入、流出点之间的区域，用精密 电压模块测量电极矩阵中各探针对以及参考电极对的的电压值；

（2）、按下式计算FC值：

${\mathrm{FC}}_{i,j;i+1,j}=(\frac{\frac{V_{i,j;i+1,j}\left(t_x\right)}{V_{i,j;i+1,j}\left(t_0\right)}}{\frac{V_{\mathrm{ref}}\left(t_x\right)}{V_{\mathrm{ref}}\left(t_0\right)}}-1)\times 1000$(单位：ppt,Part per thousand)    （5）

其中：V_i,j;i+1,j(t₀)，V_i,j;i+1,j(t_x)—探针(i,j)和(i+1，j)在t₀和t_x时刻的电压；

V_ref(t₀)，V_ref(t_x)—参考电极对在t₀和t_x时刻的电压；

在局部腐蚀深度=1.6mm时，所得FC值见下表2；

表2：局部腐蚀1.6mm的情况下得到的FC值

（3）、参见图2等效电阻网络模型，按下式计算各探针对所在部位的管道电阻值：

$R_{i,j;i+1,j}\left(t_x\right)=\frac{{\mathrm{\rho l}}_{i,j;i+1,j}}{w_{i,j;i,j+1}{h^{\prime }}_{i,j;i+1,j}}$  （6）

其中：ρ是管道电阻率；l_i,j;i+1,j是探针(i,j)和(i+1，j)之间的距离；

w_i,j;i,j+1是探针P(i,j)和探针P（i，j+1）之间的距离；

h'_i,j;i+1,j是探针(i,j)和(i+1，j)之间的原始厚度；

列上电阻值计算与上式类似，距离是探针(i,j)和(i，j+1)之间的长度，且l和w之间互 换位置；

（4）、根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律计算局部腐蚀后各个电阻上的电流值：

$\left(\begin{array}{c}{R}_{i,j;i+1,j}{I}_{i,j;i+1,j}=R_{i,j;i,j+1}{I}_{i,j;i,j+1}+R_{i,j+1;i+1,j+1}{I}_{i,j+1;i+1,j+1}+R_{i+1,j+1;i+1,j}{I}_{i+1,j+1;i+1,j}\\ I_{i-1,j;i,j}=I_{i,j;i,j+1}+I_{i,j;i,j-1}{I}_{i,j;i+1,j}\end{array}\right)$  （7）

其中：R_i,j;i+1,j是探针(i,j)和(i+1，j)之间的电阻值；

I_i,j;i-1,j是探针(i,j)和(i-1，j)之间电流值；

根据对称性，以变化的单一电阻为对称轴，只计算变化电阻一边的电阻网络即可。

（5）、设局部腐蚀发生时对应的探针所在点为(i,j)和(i+1，j)，按下式计算电阻变化所 在列流向相邻一列的电流值：

ΔI＝I_i,j;i-1,j+I_{i,j-1;i-1,j-1}+…+I_2,1;1,1    （8）

其中：ΔI是电阻变化所在列流向相邻一列的电流值；

I_i,j;i-1,j是探针(i,j)和(i-1，j)之间电流值；

（6）、按下式计算测量区域管道局部腐蚀后的剩余厚度：

$h_{i,j;i+1,j}=\frac{Q_{i,j;i+1,j}{h^{\prime }}_{i,j;i+1,j}}{1+Q_{i,j;i+1,j}}$  （9）

其中：

$Q_{i,j;i+1,j}=\frac{1000(1-a)-a{\mathrm{FC}}_{i,j;i+1,j}}{{\mathrm{FC}}_{i,j;i+1,j}},$$a=\frac{{2\mathrm{\Delta IR}}_{i,j;i+1,j}}{R_{i,j;i+1,j}^{\prime }{I}_i-2\mathrm{\Delta I}{R}_{i,j;i+1,j}^{\prime }};$

h_i,j;i+1,j是管道或压力容器局部腐蚀后探针对(i,j)和(i+1，j)所在部位的剩余厚度；

h'_i,j;i+1,j是管道或压力容器上探针(i,j)和(i+1，j)所在部位的原始厚度；

I_i是未腐蚀时流过该行探针的电流值；

R'_i,j;i+1,j是腐蚀后探针(i,j)和(i+1，j)之间的电阻变化值；

R_i,j;i+1,j是未腐蚀时探针(i,j)和(i+1，j)之间的电阻值；

根据上述步骤算出的a=2.045；Q=4.950，剩余厚度为8.32mm，与理论值8.40mm相比， 绝对误差仅为0.08mm，相对误差为1%。

不难看出，本方法也适用于金属压力容器的局部腐蚀检测。