長(zhǎng)輸油氣管道的智能化綜合化無(wú)損檢測(cè)

金屬管道作為石油油氣輸送工具，是工業(yè)生產(chǎn)與民用設(shè)施的重要組成部分。長(zhǎng)距離布置的輸送油氣的管道大多處于復(fù)雜的土壤環(huán)境中，所輸送的介質(zhì)也多有腐蝕性，因而金屬管道會(huì)逐漸減薄、穿孔或破裂，造成對(duì)管道的容量、性能、完整性及安全性的損害。金屬管道腐蝕是一個(gè)世界性的問(wèn)題，隨著時(shí)間的推移，金屬管道的腐蝕是不可避免的，即使做了防腐涂層，其涂層也會(huì)逐漸老化而喪失防腐蝕性能。金屬管道的腐蝕將嚴(yán)重影響其使用壽命，一旦管道發(fā)生腐蝕穿孔，就會(huì)造成油氣的漏失，不僅發(fā)生運(yùn)輸中斷，而且會(huì)污染環(huán)境，甚至可能引起火災(zāi)，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全、社會(huì)穩(wěn)定和工業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成威脅，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。國(guó)內(nèi)每年因金屬材料的腐蝕破壞造成的經(jīng)濟(jì)損失已高達(dá)約3萬(wàn)億元。為此，在管道建設(shè)迅速發(fā)展的同時(shí)，如何保證管道的安全運(yùn)行也成為越來(lái)越重要的問(wèn)題。管道發(fā)生腐蝕后，通常表現(xiàn)為管道的管壁變薄，出現(xiàn)局部的凹坑和麻點(diǎn)。管道內(nèi)腐蝕檢測(cè)技術(shù)主要是針對(duì)管壁的變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量和分析的。目前，國(guó)內(nèi)外在管道腐蝕方面已做了大量的研究，開(kāi)發(fā)了各種各樣的檢測(cè)方法，如漏磁通法、超聲波法、渦流檢測(cè)法、磁記憶法、激光檢測(cè)法和電化學(xué)檢測(cè)法等，利用這些方法對(duì)在用管道的腐蝕程度進(jìn)行檢測(cè)，可有計(jì)劃、有針對(duì)性地更換危險(xiǎn)管段，防止事故發(fā)生。但上述方法都由于本身的檢測(cè)原理及技術(shù)特點(diǎn)而存在一定的局限性。除此之外，相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)的地下金屬管道監(jiān)測(cè)技術(shù)仍處于起步探索階段，大部分管線不僅沒(méi)有使用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，而且各種檢測(cè)金屬管道腐蝕的技術(shù)也大都停留在管外檢測(cè)階段，不僅方法陳舊落后，而且無(wú)法對(duì)埋地金屬管道的腐蝕及安全性進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)與評(píng)估?；诖耍瑦?ài)德森（廈門(mén)）電子有限公司和集美大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種監(jiān)測(cè)管道壁厚變化、腐蝕減薄和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布變化的管道集成檢測(cè)系統(tǒng)，包含超聲波測(cè)厚、渦流、電化學(xué)腐蝕速度監(jiān)測(cè)和磁記憶應(yīng)力診斷等4種方式，同時(shí)獲得多方面有關(guān)管道腐蝕及安全性的信息，顯著提高了檢測(cè)的可靠性及效率。另外，在實(shí)施管道監(jiān)測(cè)時(shí)，將多套監(jiān)測(cè)模塊布置在不同管道及管道上的不同位置，從多參數(shù)識(shí)別到數(shù)據(jù)融合，檢測(cè)人員可對(duì)被監(jiān)測(cè)管道的總體安全做出綜合判斷，在管道的腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康監(jiān)測(cè)和壽命預(yù)估等方面將有廣泛的應(yīng)用前景。1

管道的腐蝕機(jī)理管道腐蝕是指管道金屬與周?chē)佑|到的氣體或液體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生腐蝕的過(guò)程?；旧峡煞譃榛瘜W(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩大類(lèi)?；瘜W(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕指管道金屬單純由于化學(xué)作用而引起的腐蝕，如：金屬在干燥空氣中或非電解質(zhì)溶液（酒精、汽油、苯等）中的腐蝕；鐵在高溫下跟氧氣直接反應(yīng)生成氧化鐵（皮狀），鋼鐵或其他金屬與氯氣直接反應(yīng)而發(fā)生腐蝕，鐵、鋁、鋅等在干燥空氣中也可被氧化而形成一層氧化膜?？傊?，化學(xué)腐蝕的化學(xué)反應(yīng)比較簡(jiǎn)單，僅僅是金屬跟氧化劑之間的氧化-還原反應(yīng)。電化學(xué)腐蝕金屬接觸到電解質(zhì)溶液，發(fā)生原電池效應(yīng)，比較活潑的金屬原子失去電子而被氧化，腐蝕過(guò)程中有電流產(chǎn)生，叫電化學(xué)腐蝕或電化腐蝕。如鋼鐵在潮濕空氣中，表面吸附一層薄薄的水膜，純水是弱電解質(zhì)，能電離出少量的H+和OH-，同時(shí)由于空氣里的CO2溶解，使水里H+增多，結(jié)果在鋼鐵表面形成了一層電解質(zhì)溶液薄膜，其跟鋼鐵的鐵和少量的碳（或其他雜質(zhì)）恰好構(gòu)成了原電池。因此，鋼鐵制品的表面就形成了無(wú)數(shù)微小的原電池。在這些原電池里，鐵是負(fù)極，碳是正極，這時(shí)作為負(fù)極的鐵就失去了電子而被氧化；在正極，溶液里的H+得到電子而被還原，最后產(chǎn)生氫氣在碳的表面放出，這種腐蝕通常叫析氫腐蝕。如果鋼鐵表面水膜的酸性很弱或呈中性，在負(fù)極上也是鐵失去電子而被氧化成Fe2+，而在正極上主要是溶解于水膜里的氧氣得到電子而被還原，這種腐蝕叫吸氧腐蝕。從本質(zhì)上看，化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕都是鐵等金屬原子失去電子而被氧化的過(guò)程，而電化學(xué)腐蝕過(guò)程伴有電流產(chǎn)生，化學(xué)腐蝕過(guò)程卻沒(méi)有電流產(chǎn)生，在一般情況下，兩種腐蝕往往同時(shí)發(fā)生。造成電化學(xué)腐蝕的外因主要是大氣中的CO2、O2等成分及材料表面的灰塵、銹蝕傷痕等；內(nèi)因則是金屬材料的化學(xué)成分及材料內(nèi)部的組織不均勻性等。由金屬管道的腐蝕機(jī)理可知：一方面，金屬管道的缺陷會(huì)增加管道的滲透性，加速金屬管道的碳化和侵蝕性介質(zhì)的侵蝕，使金屬管道的腐蝕加重；另一方面，金屬管道的腐蝕膨脹又會(huì)造成進(jìn)一步開(kāi)裂，金屬管道的缺陷與腐蝕相互作用，將加劇金屬管道的腐蝕破壞。以上過(guò)程循環(huán)作用，使金屬管道結(jié)構(gòu)的耐久性大大降低。2

管道的檢測(cè)方法超聲波測(cè)厚超聲波測(cè)厚是利用超聲脈沖反射原理，超聲波脈沖在不同的鋼材中都會(huì)有一個(gè)固定的傳播速度，探頭發(fā)射的超聲波在鋼材中傳播并到達(dá)材料分界面時(shí)會(huì)被反射回探頭，測(cè)量超聲波在材料中傳播的時(shí)間可以確定被測(cè)鋼材的厚度。超聲波測(cè)厚在管道檢測(cè)中已非常成熟，只要能保證超聲波以恒定速度在材料內(nèi)部傳播，就可使用此方法對(duì)管道進(jìn)行壁厚測(cè)量。渦流監(jiān)測(cè)渦流監(jiān)測(cè)可以利用套在金屬管棒材上的渦流線圈，拾取金屬棒材監(jiān)測(cè)點(diǎn)的渦流時(shí)間序列信號(hào)，可以對(duì)所采集的渦流時(shí)間序列信號(hào)進(jìn)行分析，建立渦流時(shí)間序列信號(hào)與金屬棒材腐蝕進(jìn)展規(guī)律之間的關(guān)系，進(jìn)而從渦流監(jiān)測(cè)信號(hào)的變化分析判斷金屬管道的腐蝕進(jìn)展情況，并采取相應(yīng)的處理措施。電化學(xué)檢測(cè)管道腐蝕是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程，電化學(xué)測(cè)量是反映電化學(xué)本質(zhì)過(guò)程的有力手段。電化學(xué)方法通過(guò)測(cè)定管道腐蝕體系的電化學(xué)特性來(lái)確定管道腐蝕程度或速度。電化學(xué)方法具有測(cè)試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。管道腐蝕的電化學(xué)檢測(cè)方法主要有自然電位法、交流阻抗譜技術(shù)和極化測(cè)量技術(shù)等。筆者采用電化學(xué)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道pH值、氯離子濃度、腐蝕電位、腐蝕電流密度等參數(shù)，通過(guò)觀測(cè)電化學(xué)腐蝕檢測(cè)信號(hào)間接判斷受檢管道的腐蝕量，多參數(shù)綜合評(píng)價(jià)受檢管道的腐蝕傾向性、腐蝕速度、安全性及服役壽命。磁記憶應(yīng)力診斷磁記憶應(yīng)力診斷技術(shù)是一種新型的利用鐵磁材料的內(nèi)在漏磁信息對(duì)材料進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。利用金屬管道的磁彈性和磁機(jī)械效應(yīng)，通過(guò)載體與地磁場(chǎng)共同作用下產(chǎn)生的磁記憶現(xiàn)象來(lái)確定管道表面或近表面的應(yīng)力集中部位。磁記憶應(yīng)力診斷技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)在用管道的應(yīng)力集中區(qū)域的宏觀缺陷，在管道早期診斷檢測(cè)中具有很大的優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)結(jié)果可為其他檢測(cè)技術(shù)提供參考。3

在用管道的無(wú)損云檢測(cè)在長(zhǎng)距離輸油氣管道上按一定的間距布置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，并定時(shí)采集管道上各個(gè)點(diǎn)和各種類(lèi)型（即多源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的采集信號(hào)）的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向云端服務(wù)器傳送，可以通過(guò)服務(wù)器所收集的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)整條管道從時(shí)間和空間等多維度方面進(jìn)行分析判斷，了解整個(gè)管道的質(zhì)量狀態(tài)。這種建立在基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和無(wú)損檢測(cè)集成技術(shù)的檢/監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是一種無(wú)損云檢測(cè)系統(tǒng)全新概念，通過(guò)各種先進(jìn)的物理與化學(xué)無(wú)損檢測(cè)集成技術(shù)和云檢測(cè)、監(jiān)測(cè)的結(jié)合，將智能終端采集的數(shù)據(jù)送至云端，進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、分析、處理、存儲(chǔ)、評(píng)估、預(yù)測(cè)、交互等，實(shí)現(xiàn)信息共享和遠(yuǎn)程服務(wù)。按照檢測(cè)計(jì)劃，將目前常規(guī)的超聲波測(cè)厚儀、電化學(xué)檢測(cè)儀及磁記憶應(yīng)力診斷儀，從集成技術(shù)的角度加以分解細(xì)化，將其專(zhuān)有部分設(shè)計(jì)為云檢測(cè)終端，該終端包含檢測(cè)傳感器、信號(hào)發(fā)生、信號(hào)接收、調(diào)理電路及無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)然窘M件，其他組件如參數(shù)控制、信息融合、專(zhuān)家評(píng)估軟件系統(tǒng)、信息反饋、傳播、共享、存儲(chǔ)、打印輸出等組件集成到云端服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)中，圖1為無(wú)損云檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意，圖2為云檢測(cè)與評(píng)價(jià)服務(wù)技術(shù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意。圖1無(wú)損云檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖2云檢測(cè)與評(píng)價(jià)服務(wù)技術(shù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意檢測(cè)方案系統(tǒng)將超聲波測(cè)厚傳感器、電化學(xué)腐蝕檢測(cè)傳感器及磁記憶傳感器、信號(hào)發(fā)生、信號(hào)接收、集成檢測(cè)儀和無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)冉M成的終端預(yù)埋固定在被檢管道周?chē)ㄟ^(guò)云端遠(yuǎn)程控制無(wú)線信號(hào)傳輸裝置啟動(dòng)檢測(cè)任務(wù)，檢測(cè)結(jié)束后，通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳輸裝置，將終端的超聲波測(cè)厚信號(hào)、電化學(xué)腐蝕檢測(cè)信號(hào)、磁記憶診斷信息等發(fā)送到云檢測(cè)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)在用管道的遠(yuǎn)距離遙感檢測(cè)。（1）通過(guò)云端無(wú)線信號(hào)控制裝置，控制集成檢測(cè)儀定時(shí)激勵(lì)超聲波測(cè)厚傳感器檢測(cè)在用金屬管道，超聲波測(cè)厚傳感器將采集的檢測(cè)信號(hào)傳至集成檢測(cè)儀，通過(guò)終端無(wú)線信號(hào)傳輸裝置，并集成檢測(cè)儀將超聲波測(cè)厚信號(hào)發(fā)送至云檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，檢測(cè)人員通過(guò)云端觀察管道的壁厚變化判斷被檢管道的變薄程度和趨勢(shì)。（2）通過(guò)云端無(wú)線信號(hào)控制裝置，控制集成檢測(cè)儀定時(shí)激勵(lì)電化學(xué)腐蝕檢測(cè)傳感器檢測(cè)在用金屬管道，電化學(xué)腐蝕檢測(cè)傳感器將采集的檢測(cè)信號(hào)傳至集成檢測(cè)儀，通過(guò)終端無(wú)線信號(hào)傳輸裝置，集成檢測(cè)儀將電化學(xué)腐蝕檢測(cè)信號(hào)發(fā)送至云檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，檢測(cè)人員通過(guò)云端觀察電化學(xué)腐蝕檢測(cè)信號(hào)，間接判斷被檢管道的腐蝕量。（3）通過(guò)云端無(wú)線信號(hào)控制裝置，控制集成檢測(cè)儀定時(shí)激勵(lì)磁記憶診斷傳感器檢測(cè)在用金屬管道，磁記憶診斷傳感器將采集的檢測(cè)信號(hào)傳至集成檢測(cè)儀，通過(guò)終端無(wú)線信號(hào)傳輸裝置，集成檢測(cè)儀將磁記憶診斷信息發(fā)送至云檢測(cè)平臺(tái)處理和存儲(chǔ)，檢測(cè)人員通過(guò)云端觀察磁記憶診斷信息，間接判斷被檢管道是否存在缺陷或應(yīng)力集中區(qū)。（4）檢測(cè)人員通過(guò)遠(yuǎn)程用戶終端比對(duì)超聲波厚度變化監(jiān)測(cè)曲線、電化學(xué)腐蝕檢測(cè)信號(hào)監(jiān)測(cè)曲線及磁記憶檢測(cè)信號(hào)，從而預(yù)測(cè)被檢管道的使用壽命。工程應(yīng)用在工程應(yīng)用方面，愛(ài)德森（廈門(mén)）電子有限公司與廈門(mén)大學(xué)已成功研制出在用金屬管道超聲、渦流、電化學(xué)、磁記憶綜合監(jiān)測(cè)終端（見(jiàn)圖3），并使用智能手機(jī)作為檢測(cè)系統(tǒng)的用戶終端（見(jiàn)圖4）。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備遠(yuǎn)程智能維護(hù)服務(wù)有效結(jié)合，管理人員通過(guò)手機(jī)、計(jì)算機(jī)就可以遠(yuǎn)程掌握在役設(shè)備的運(yùn)行情況，用于設(shè)備報(bào)警、故障報(bào)警等。圖3在用金屬管道超聲、渦流、電化學(xué)、磁記憶綜合監(jiān)測(cè)終端外觀圖4管道實(shí)時(shí)超聲、渦流、電化學(xué)、磁記憶監(jiān)測(cè)信息-手機(jī)查詢界面在實(shí)施金屬管道監(jiān)測(cè)時(shí)，將多套監(jiān)測(cè)模塊布置在不同金屬管道及金屬管道上的不同位置，采用無(wú)線信號(hào)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)在用金屬管道的腐蝕與減薄程度的遠(yuǎn)程、長(zhǎng)期原位監(jiān)測(cè)（見(jiàn)圖5）。從多參數(shù)識(shí)別到數(shù)據(jù)融合，檢測(cè)人員可利用智能手機(jī)來(lái)查詢金屬管道實(shí)時(shí)超聲測(cè)厚和電化學(xué)腐蝕速率監(jiān)測(cè)信息，對(duì)被監(jiān)測(cè)金屬管道的總體安全性做出綜合判斷，并進(jìn)一步預(yù)測(cè)或修正被檢金屬管道的使用壽命。圖5管道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置基于大數(shù)據(jù)、云檢測(cè)技術(shù)的城市管網(wǎng)云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將改變以往檢測(cè)設(shè)備落后、功能單一、監(jiān)測(cè)方法不完善的現(xiàn)狀，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，提升系統(tǒng)的安全性，加強(qiáng)系統(tǒng)的信息化管理程度。實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并進(jìn)行大數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析，為管網(wǎng)突發(fā)事件處理、災(zāi)害預(yù)警綜合防御、相關(guān)信息分析、管網(wǎng)合理規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)；實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)圖籍資料等信息進(jìn)行科學(xué)有效地管理，為精確判