Chapter 06 在線腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)

Chapter06油氣田在線腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)1〕腐蝕掛片法試樣經(jīng)過一段時(shí)間的暴露后，根據(jù)其失重或增重測(cè)量平均腐蝕速率。特點(diǎn)是：測(cè)試方法簡(jiǎn)單，適用于幾乎任何體系，無需任何現(xiàn)場(chǎng)儀器；可以定量地測(cè)量均勻腐蝕速率；也可用于局部腐蝕的判斷。特點(diǎn)：僅提供平均腐蝕速率，反映不出腐蝕速率的波動(dòng)。試驗(yàn)周期受到生產(chǎn)條件限制，試驗(yàn)周期較長，勞動(dòng)強(qiáng)度大。圖7.腐蝕掛片裝置編輯課件2〕線性極化法用兩電極或三電極探頭，通過電化學(xué)極化阻力測(cè)量腐蝕速率，通過對(duì)電位—電流曲線線性回歸，計(jì)算出曲線的斜率，即極化電阻Rp，最后，借助于Stern系數(shù)〔即B值〕，將Rp轉(zhuǎn)換為腐蝕速率。線性極化技術(shù)可以快速測(cè)定體系的瞬時(shí)腐蝕速度，適用于有適當(dāng)電導(dǎo)率的大多數(shù)金屬體系。編輯課件3〕弱極化曲線法線性極化技術(shù)是一種快速靈敏的、可以連續(xù)測(cè)量瞬時(shí)腐蝕速度的電化學(xué)方法。但這種技術(shù)也有其固有的局限性和缺點(diǎn)，如有的腐蝕體系在自腐蝕電位附近線性度不好，尤其是運(yùn)用線性極化技術(shù)必須塔菲爾常數(shù)或Stern常數(shù)B，而弱極化測(cè)量技術(shù)那么不受腐蝕體系線性度限制，也無須Tafel常數(shù)。通過非線性擬合如下方程可直接得到腐蝕速率、Tafel斜率等參數(shù)。與線性極化技術(shù)類似，它也不適用于低電導(dǎo)率的介質(zhì)〔如原油〕?！?〕編輯課件4〕交流阻抗法它可看作線性極化技術(shù)的繼續(xù)和開展，在理論上它適合于多種體系。它不但可以求得極化阻力Rp、微分電容Cd等重要參數(shù)。對(duì)于線性極化法不適宜的高電阻體系是特別有效的。工業(yè)腐蝕監(jiān)測(cè)的交流阻抗可以采用2～3頻率點(diǎn)，比方一個(gè)高頻10KHZ,一個(gè)低頻0.01Hz正弦波,分別涌入測(cè)量溶液電阻Rs和方案電阻Rp,該方法可以防止復(fù)雜的阻抗譜解析，同時(shí)又適用于高阻體系。是一種比較有開展前途的電化學(xué)監(jiān)測(cè)方法。交流阻抗譜等效電路編輯課件5〕電化學(xué)噪聲技術(shù)電化學(xué)噪聲是指腐蝕著的電極外表所出現(xiàn)的一種電位或電流隨機(jī)自發(fā)波動(dòng)的現(xiàn)象。它的測(cè)量對(duì)被測(cè)體系沒有擾動(dòng)，可以反映材料腐蝕的真實(shí)情況。與其他方法相比，電化學(xué)噪聲法特別適合于監(jiān)測(cè)點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、以及應(yīng)力腐蝕開裂等局部腐蝕。而其它電化學(xué)方法那么很難用于監(jiān)測(cè)局部腐蝕。編輯課件1.原位無損監(jiān)測(cè)技術(shù)，在測(cè)量過程中無須對(duì)被測(cè)電極施加可能改變電極腐蝕過程的外界擾動(dòng)；2.無須預(yù)先建立被測(cè)體系的電極過程模型；3.它無須滿足阻納的三個(gè)根本條件：(1)系統(tǒng)的擾動(dòng)與響應(yīng)之間必須具有因果關(guān)系；(2)被測(cè)系統(tǒng)必須是線性系統(tǒng)；(3)被測(cè)系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)信號(hào)是穩(wěn)定的；4.電化學(xué)噪聲檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單可靠，且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。電化學(xué)噪聲相對(duì)于傳統(tǒng)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)編輯課件電化學(xué)噪聲分析的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，包括方差Var、標(biāo)準(zhǔn)偏差

、均方根RMS(rootmeansquare)。電化學(xué)噪聲特征參數(shù)的計(jì)算局部腐蝕指數(shù)LI(localizationindex)來判斷腐蝕發(fā)生形式及程度，并認(rèn)為如果LI在10-3數(shù)量級(jí)，說明體系可能發(fā)生了均勻腐蝕；如果LI接近于1，那么是局部腐蝕。不過近來發(fā)現(xiàn)，LI指數(shù)并不能反映局部腐蝕情況，它只反映了兩個(gè)“相同〞工作電極之間腐蝕動(dòng)力學(xué)的差異程度。由于噪聲電流在零點(diǎn)附近的緩慢漂移，會(huì)使LI值等于1，盡管此時(shí)發(fā)生的是典型的均勻腐蝕。編輯課件噪聲電阻的計(jì)算統(tǒng)計(jì)噪聲電阻Rn---同步波動(dòng)的電位噪聲與電流噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差之比在某些情況下，噪聲電阻Rn可能等于極化電阻Rp。這是電化學(xué)噪聲電阻應(yīng)用于工業(yè)腐蝕監(jiān)測(cè)的理論背景。譜噪聲電阻，即對(duì)“相同〞電極體系的電位和電流同時(shí)采樣，經(jīng)FFT變換成PSD后，用相同頻率下的電位PSD除以電流PSD。

譜噪聲電阻Rsn(f)和極限譜噪聲電阻Rsn(0)編輯課件電化學(xué)噪聲應(yīng)用與現(xiàn)場(chǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)1999以來，美國Califomia的LostHills油田的Cahn3水處理廠進(jìn)行了實(shí)時(shí)電化學(xué)噪聲腐蝕監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。5個(gè)腐蝕監(jiān)測(cè)電極被安裝在曾經(jīng)腐蝕速率為0.0125~11.25mm/a的不同位置，同時(shí)進(jìn)行線性極化電阻和電位噪聲的測(cè)量，計(jì)算其瞬時(shí)和平均腐蝕速率，結(jié)果說明：在生產(chǎn)環(huán)境條件下，實(shí)時(shí)噪聲腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠，并提供了有價(jià)值的設(shè)備運(yùn)行信息。2005年，華中科技大學(xué)與四川天然氣研究院合作開發(fā)了用于全面腐蝕與局部腐蝕監(jiān)測(cè)的自動(dòng)腐蝕監(jiān)測(cè)裝置，在現(xiàn)場(chǎng)試用良好，與LPR相比可以較準(zhǔn)確地評(píng)估局部腐蝕傾向，見以下圖。編輯課件EN500電化學(xué)噪聲腐蝕監(jiān)測(cè)儀器編輯課件6〕電阻探針法電阻探針通過測(cè)量正在腐蝕的金屬元件〔金屬絲或金屬片〕的電阻變化對(duì)金屬損失進(jìn)行累積測(cè)量，優(yōu)點(diǎn)有：簡(jiǎn)單、靈敏、適用性強(qiáng)〔在任何介質(zhì)中均可使用；可在設(shè)備運(yùn)行條件下定量監(jiān)測(cè)腐蝕速率。特別適用于氣相環(huán)境的腐蝕監(jiān)測(cè)。最近開展了一種測(cè)量電感線圈電阻(磁阻探針)的技術(shù)，具有比普通ER測(cè)量更高的靈敏度。編輯課件電阻探針用于腐蝕監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)電阻探針實(shí)際上是一個(gè)裝有金屬試片的探頭，在腐蝕介質(zhì)中，金屬試片的橫截面積將因腐蝕而減小，從而使其電阻增大，如果金屬的腐蝕大體是均勻的，那么電阻的變化率就與金屬的腐蝕量成正比，周期性地測(cè)量這種電阻，便可計(jì)算出該段時(shí)間后的總腐蝕量，從而計(jì)算出金屬的腐蝕速率。電阻探針儀器的優(yōu)點(diǎn)主要有：簡(jiǎn)單、靈敏、適用性強(qiáng)〔在任何介質(zhì)中均可使用〕。由于環(huán)境介質(zhì)的溫度、流速、金屬材料的成份和熱處理以及電極外表制備等方面的偏差，或者探針外表存在的外來物質(zhì)〔如腐蝕產(chǎn)物〕，均會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果的精度和可靠性。該方法也不適用于監(jiān)測(cè)局部腐蝕。編輯課件電阻探針內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖電阻探針測(cè)試裝置采用典型的四線制測(cè)量法。以期提高測(cè)量電阻〔尤其是低阻〕的準(zhǔn)確度。程控恒流源、程控前置放大器、16~24bitA/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成了測(cè)量電路的主體。中央控制單元(C8051f020)通過控制恒流源給外部參考電阻Rc和待測(cè)電阻Rx施加一個(gè)恒定、高精度的電流，然后，將所獲得的數(shù)據(jù)〔包括測(cè)試電壓、當(dāng)前的測(cè)試電流等〕進(jìn)行處理，得到實(shí)際參考電阻和被測(cè)電阻值，然后，測(cè)量的電流示意圖如以下圖所示，電阻探針的實(shí)物照片見下頁。圖1.電阻探針內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖編輯課件電阻探針的結(jié)構(gòu)為了進(jìn)一步了解探針內(nèi)部的接線圖，采用高精度直流電橋?qū)μ结樃饕_之間電阻進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量精度可到達(dá)1.按照?qǐng)D1的定義，.各探針引腳之間的連接關(guān)系〔a是以插針為標(biāo)號(hào)為開頭，按順時(shí)方向依次為b、c、d、e、f〔單位為歐姆〕〕圖1.電阻探針的外觀及內(nèi)部示意圖iFEDCBA編輯課件電阻探針溫度補(bǔ)償原理其中Lx,Lr分別為被測(cè)電阻絲和標(biāo)準(zhǔn)電阻絲的長度，這兩個(gè)物理量在整個(gè)測(cè)量過程中均不會(huì)改變；rx,rr那么代表被測(cè)電阻絲和參考電阻絲的半徑，前者會(huì)隨著腐蝕的進(jìn)行而逐漸減小，揮著由于處于封閉的探頭腔體內(nèi)，其值不會(huì)改變，因此Bx,r的增加將反映探頭敏感元件〔被測(cè)電阻絲的半徑〕的減小。因此，在時(shí)間從t1~t2這段時(shí)間內(nèi)，敏感元件的腐蝕速率據(jù)電阻探針的結(jié)構(gòu)，任何電阻都是溫度的函數(shù)，與溫度的關(guān)系根本服從經(jīng)驗(yàn)公式：，而碳鋼絲的電阻阻值計(jì)算為：,這樣被測(cè)電阻Rx/參考電阻Rr的比值Bx,r應(yīng)為：編輯課件影響電阻探針測(cè)量精度的因素1〕溫度波動(dòng)由于溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)的存在，導(dǎo)致及時(shí)采用開爾文電橋的方式進(jìn)行精密電阻測(cè)量，也無法完全補(bǔ)償溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響，使腐蝕監(jiān)測(cè)精度降低。這一點(diǎn)無論對(duì)于電阻探針還是磁阻探針，在當(dāng)前的設(shè)計(jì)中均無法解決。2〕導(dǎo)電性腐蝕產(chǎn)物由于碳鋼在H2S體系中的腐蝕產(chǎn)物為硫化物，而FeS具有半導(dǎo)體的性質(zhì)，隨著腐蝕的進(jìn)行，電阻死的電阻可能隨著硫化物膜的增厚而下降，這樣就無法準(zhǔn)確測(cè)量腐蝕量。編輯課件電阻探針溫度效應(yīng)一般金屬絲的電阻值均是溫度的函數(shù)，所以電阻探針內(nèi)碳鋼絲的電阻必然會(huì)隨著溫度的變化而變化，這樣就必須對(duì)電阻值溫度系數(shù)進(jìn)行校正，一般采用與被測(cè)金屬絲處于相同環(huán)境中的參考電阻絲阻值進(jìn)行比較，由于二者本質(zhì)上是由同一種材料所組成的，其溫度系數(shù)也相同。根據(jù)下式：Uab=a(T2-T1)+?b(T2-T1)2其中T代表溫度，而t那么代表時(shí)間，L表示電阻絲的長度，r(t)表示碳鋼或其他金屬絲的半徑是時(shí)間的函數(shù)雖然監(jiān)測(cè)腐蝕的傳感器是碳鋼絲所組成，如果考慮到異種金屬焊接在以其所形成的溫差電偶，那么計(jì)算公式比較復(fù)雜。圖1.電阻探針內(nèi)部溫度效應(yīng)產(chǎn)生的原因分析編輯課件提高電阻探針測(cè)量精度由于結(jié)點(diǎn)電勢(shì)與化學(xué)電源一樣，其電勢(shì)差是有方向的，因此通過改變恒流源的電流方向，可以對(duì)節(jié)點(diǎn)電勢(shì)ξ進(jìn)行完全補(bǔ)償，通過正反向被測(cè)電阻上電壓降VIR,那么兩次測(cè)量值之和：ΣV=(VIR+ξ〕-(ξ-VIR)=2VIR,從而將節(jié)點(diǎn)電勢(shì)完全補(bǔ)償?shù)?，將測(cè)量精度提高了10倍，使腐蝕速率的分辨率可到達(dá)10nm左右。為此，華中科技大學(xué)與長慶油田油氣院合作，開發(fā)了一種全新的電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)儀器ER400，該儀器采用交流方波進(jìn)行測(cè)量，通過電流的換向測(cè)量來補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)溫差電勢(shì)的漂移，如以下圖所示。編輯課件安裝在長慶油田某集氣站ER400電阻探針編輯課件電阻探針、磁阻探針、掛桿失重試驗(yàn)結(jié)果比照G31－12井

05.11.1～05.11.21，06.4.6～06.4.26磁阻探針監(jiān)測(cè)平均腐蝕速率0.0760.012電阻探針監(jiān)測(cè)平均腐蝕速率0.0890.012標(biāo)準(zhǔn)偏差14%0%G21-21井1#05.11.17～06.1.1906.3.21～06.4.27失重掛桿平均腐蝕速率mm/a0.0120.004電阻探針監(jiān)測(cè)平均腐蝕速率0.01130.005標(biāo)準(zhǔn)偏差5.8%20%G21-21井2#05.11.17～06.1.1906.3.21～06.4.2失重掛桿平均腐蝕速率mm/a0.0120.0120電阻探針監(jiān)測(cè)平均腐蝕速率0.0120.0115標(biāo)準(zhǔn)偏差0%4.2%編輯課件遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)控技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在油田的應(yīng)用領(lǐng)域油井的遙測(cè)遙控

集輸管線流量、壓力和溫度等的監(jiān)測(cè)

集輸管線的腐蝕監(jiān)測(cè)陰極保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)控編輯課件遠(yuǎn)程腐蝕檢測(cè)技術(shù)遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將傳統(tǒng)的腐蝕檢測(cè)/監(jiān)測(cè)技術(shù)(如電阻監(jiān)測(cè)、線性極化或交流阻抗〕與無線通信技術(shù)結(jié)合起來，組成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集與信息處理系統(tǒng)。它特別適用于作業(yè)點(diǎn)分散于野外，環(huán)境惡劣，需要無人值守遠(yuǎn)程控制。因此，無線網(wǎng)絡(luò)將成為油田系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)開展所不可缺少的局部。編輯課件遠(yuǎn)程通訊的幾種方案目前國內(nèi)主要有三種解決遠(yuǎn)程通訊的方法：1〕采用衛(wèi)星通信；2〕采用普通的大功率無線〔RF〕數(shù)傳電臺(tái)；3〕借助移動(dòng)公網(wǎng)〔GSM/GPRS/CDMA〕來傳輸。以上三種通信方式中，以方式2和3的本錢較低。而且隨著GPRS技術(shù)的飛速開展，其數(shù)據(jù)傳輸率明顯提高，數(shù)據(jù)延遲性較小。是一種較有前途的開展技術(shù)。編輯課件GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(GeneralPacketRadioService)的英文簡(jiǎn)稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上開展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)。GPRS可以充分利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)，覆蓋面廣，實(shí)時(shí)性好，傳輸速率高，運(yùn)營費(fèi)用低，支持IP協(xié)議。具有“永遠(yuǎn)在線〞、“快速登陸〞、“按量計(jì)費(fèi)〞、“切換自如〞、“高速傳送〞、“平安可靠〞等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)160Kbps。使用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，用戶永遠(yuǎn)在線且按流量計(jì)費(fèi)，迅速降低了效勞本錢。編輯課件GPRS移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用GPRS移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸有很大的應(yīng)用范圍，包括：遠(yuǎn)程工業(yè)控制自動(dòng)化城市配電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化、自來水、煤氣管道自動(dòng)化商業(yè)POS機(jī)、INTERNET接入金融、交通、公安等以它為技術(shù)支撐采用這種最簡(jiǎn)單、最低本錢、最平安可靠的方式構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可大幅節(jié)省人力物力，提高工業(yè)控制的自動(dòng)化水平。編輯課件基于GPRS的遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測(cè)由于當(dāng)前許多腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是通過人工現(xiàn)場(chǎng)下載的方式進(jìn)行，由于油、氣生產(chǎn)井分布不集中，地區(qū)跨度較大，將所有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)跑一遍將消耗大量的人力物力。人工本錢高，勞動(dòng)強(qiáng)度大。而且由于不能及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)下載數(shù)據(jù)，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果滯后時(shí)間長。通過進(jìn)一步提升腐蝕監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，將極大地提高腐蝕監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化水平，能夠?qū)夤芫€設(shè)備的平安狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過監(jiān)測(cè)人力物力的消耗，極大地降低監(jiān)測(cè)本錢。因此采用基于無線通訊網(wǎng)絡(luò)〔SCADA或者GPRS〕，建立遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將具有極大的優(yōu)勢(shì)。它特別適用于作業(yè)點(diǎn)分散于野外，環(huán)境惡劣，需要無人值守遠(yuǎn)傳控制的地區(qū)。因此，無線網(wǎng)絡(luò)將成為油田系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)開展所不可缺少的局部。編輯課件遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)單元的組成遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)主要包括三個(gè)局部：監(jiān)控中心、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元〔可測(cè)量腐蝕速率、流量、溫度等〕。其中監(jiān)控中心主要由效勞器、監(jiān)控軟件和中央數(shù)據(jù)庫組成。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)主要包括GPRS或GSMSMS(短消息模式)Modem。現(xiàn)場(chǎng)腐蝕測(cè)量單元包括單片機(jī)、數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換、嵌入式分析軟件和測(cè)試探頭。編輯課件中央監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控中心是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的大腦,集中管理和指揮整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。監(jiān)控中心的主要硬件設(shè)備有計(jì)算機(jī)、通訊主臺(tái)、打印機(jī)等必需的設(shè)備。計(jì)算機(jī)用來運(yùn)行數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)(常稱作上位機(jī)軟件)和數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng),并可根據(jù)數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常進(jìn)行報(bào)警、并調(diào)整遠(yuǎn)程系統(tǒng)的工作狀態(tài)，或?qū)⑿畔⒅苯油ㄟ^短消息方法發(fā)送到管理人員的上