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，因而金屬管道會逐漸減薄、穿孔或破裂，造成對管道的容量、性能、完整性及安全性的損害。

金屬管道腐蝕是一個世界性的問題，隨著時間的推移，金屬管道的腐蝕是不可避免的，即使做了防腐涂層，其涂層也會逐漸老化而喪失防腐蝕性能。金屬管道的腐蝕將嚴重影響其使用壽命，一旦管道發(fā)生腐蝕穿孔，就會造成油氣的漏失，不僅發(fā)生運輸中斷，而且會污染環(huán)境，甚至可能引起火災(zāi)，對人民生命財產(chǎn)安全、社會穩(wěn)定和工業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成威脅，造成嚴重的經(jīng)濟損失。國內(nèi)每年因金屬材料的腐蝕破壞造成的經(jīng)濟損失已高達約3萬億元。

為此，在管道建設(shè)迅速發(fā)展的同時，如何保證管道的安全運行也成為越來越重要的問題。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。管道內(nèi)腐蝕檢測技術(shù)主要是針對管壁的變化來進行測量和分析的。

目前，國內(nèi)外在管道腐蝕方面已做了大量的研究，開發(fā)了各種各樣的檢測方法，如漏磁通法、超聲波法、渦流檢測法、磁記憶法、激光檢測法和電化學(xué)檢測法等，利用這些方法對在用管道的腐蝕程度進行檢測，可有計劃、有針對性地更換危險管段，防止事故發(fā)生。但上述方法都由于本身的檢測原理及技術(shù)特點而存在一定的局限性。

除此之外，相比于國外，國內(nèi)的地下金屬管道監(jiān)測技術(shù)仍處于起步探索階段，大部分管線不僅沒有使用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行監(jiān)控，而且各種檢測金屬管道腐蝕的技術(shù)也大都停留在管外檢測階段，不僅方法陳舊落后，而且無法對埋地金屬管道的腐蝕及安全性進行及時準確地檢測與評估。

基于此，愛德森（廈門）電子有限公司和集美大學(xué)的研究人員設(shè)計了一種監(jiān)測管道壁厚變化、腐蝕減薄和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布變化的管道集成檢測系統(tǒng)，包含超聲波測厚、渦流、電化學(xué)腐蝕速度監(jiān)測和磁記憶應(yīng)力診斷等4種方式，同時獲得多方面有關(guān)管道腐蝕及安全性的信息，顯著提高了檢測的可靠性及效率。另外，在實施管道監(jiān)測時，將多套監(jiān)測模塊布置在不同管道及管道上的不同位置，從多參數(shù)識別到數(shù)據(jù)融合，檢測人員可對被監(jiān)測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、健康監(jiān)測和壽命預(yù)估等方面將有廣泛的應(yīng)用前景。

1  管道的腐蝕機理

管道腐蝕是指管道金屬與周圍接觸到的氣體或液體進行化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生腐蝕的過程。基本上可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩大類。

化學(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。總之，化學(xué)腐蝕的化學(xué)反應(yīng)比較簡單，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數(shù)微小的原電池。在這些原電池里，鐵是負極，碳是正極，這時作為負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程，而電化學(xué)腐蝕過程伴有電流產(chǎn)生，化學(xué)腐蝕過程卻沒有電流產(chǎn)生，在一般情況下，兩種腐蝕往往同時發(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理可知：

一方面，金屬管道的缺陷會增加管道的滲透性，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造成進一步開裂，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  管道的檢測方法

超聲波測厚

超聲波測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有一個固定的傳播速度，探頭發(fā)射的超聲波在鋼材中傳播并到達材料分界面時會被反射回探頭，測量超聲波在材料中傳播的時間可以確定被測鋼材的厚度。超聲波測厚在管道檢測中已非常成熟，只要能保證超聲波以恒定速度在材料內(nèi)部傳播，就可使用此方法對管道進行壁厚測量。

渦流監(jiān)測

渦流監(jiān)測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)測點的渦流時間序列信號，可以對所采集的渦流時間序列信號進行分析，建立渦流時間序列信號與金屬棒材腐蝕進展規(guī)律之間的關(guān)系，進而從渦流監(jiān)測信號的變化分析判斷金屬管道的腐蝕進展情況，并采取相應(yīng)的處理措施。

電化學(xué)檢測

管道腐蝕是一個電化學(xué)過程，電化學(xué)測量是反映電化學(xué)本質(zhì)過程的有力手段。電化學(xué)方法通過測定管道腐蝕體系的電化學(xué)特性來確定管道腐蝕程度或速度。電化學(xué)方法具有測試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位測量等優(yōu)點。管道腐蝕的電化學(xué)檢測方法主要有自然電位法、交流阻抗譜技術(shù)和極化測量技術(shù)等。筆者采用電化學(xué)實時監(jiān)測管道pH值、氯離子濃度、腐蝕電位、腐蝕電流密度等參數(shù)，通過觀測電化學(xué)腐蝕檢測信號間接判斷受檢管道的腐蝕量，多參數(shù)綜合評價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)在漏磁信息對材料進行檢測和評價的無損檢測技術(shù)。利用金屬管道的磁彈性和磁機械效應(yīng)，通過載體與地磁場共同作用下產(chǎn)生的磁記憶現(xiàn)象來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中具有很大的優(yōu)勢，檢測結(jié)果可為其他檢測技術(shù)提供參考。

3  在用管道的無損云檢測

在長距離輸油氣管道上按一定的間距布置一個檢測點，并定時采集管道上各個點和各種類型（即多源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的采集信號）的檢測數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)向云端服務(wù)器傳送，可以通過服務(wù)器所收集的檢測數(shù)據(jù)對整條管道從時間和空間等多維度方面進行分析判斷，了解整個管道的質(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)、云計算和無損檢測集成技術(shù)的檢/監(jiān)測系統(tǒng)就是一種無損云檢測系統(tǒng)全新概念，通過各種先進的物理與化學(xué)無損檢測集成技術(shù)和云檢測、監(jiān)測的結(jié)合，將智能終端采集的數(shù)據(jù)送至云端，進行數(shù)據(jù)管理、分析、處理、存儲、評估、預(yù)測、交互等，實現(xiàn)信息共享和遠程服務(wù)。

按照檢測計劃，將目前常規(guī)的超聲波測厚儀、電化學(xué)檢測儀及磁記憶應(yīng)力診斷儀，從集成技術(shù)的角度加以分解細化，將其專有部分設(shè)計為云檢測終端，該終端包含檢測傳感器、信號發(fā)生、信號接收、調(diào)理電路及無線信號傳輸?shù)然窘M件，其他組件如參數(shù)控制、信息融合、專家評估軟件系統(tǒng)、信息反饋、傳播、共享、存儲、打印輸出等組件集成到云端服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫中，圖1為無損云檢測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意，圖2為云檢測與評價服務(wù)技術(shù)平臺結(jié)構(gòu)示意。

圖1 無損云檢測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

圖2 云檢測與評價服務(wù)技術(shù)平臺結(jié)構(gòu)示意

檢測方案

系統(tǒng)將超聲波測厚傳感器、電化學(xué)腐蝕檢測傳感器及磁記憶傳感器、信號發(fā)生、信號接收、集成檢測儀和無線信號傳輸?shù)冉M成的終端預(yù)埋固定在被檢管道周圍，通過云端遠程控制無線信號傳輸裝置啟動檢測任務(wù)，檢測結(jié)束后，通過無線信號傳輸裝置，將終端的超聲波測厚信號、電化學(xué)腐蝕檢測信號、磁記憶診斷信息等發(fā)送到云檢測平臺，從而實現(xiàn)在用管道的遠距離遙感檢測。

（1）

通過云端無線信號控制裝置，控制集成檢測儀定時激勵超聲波測厚傳感器檢測在用金屬管道，超聲波測厚傳感器將采集的檢測信號傳至集成檢測儀，通過終端無線信號傳輸裝置，并集成檢測儀將超聲波測厚信號發(fā)送至云檢測平臺進行處理和存儲，檢測人員通過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。

（2）

通過云端無線信號控制裝置，控制集成檢測儀定時激勵電化學(xué)腐蝕檢測傳感器檢測在用金屬管道，電化學(xué)腐蝕檢測傳感器將采集的檢測信號傳至集成檢測儀，通過終端無線信號傳輸裝置，集成檢測儀將電化學(xué)腐蝕檢測信號發(fā)送至云檢測平臺進行處理和存儲，檢測人員通過云端觀察電化學(xué)腐蝕檢測信號，間接判斷被檢管道的腐蝕量。

（3）

通過云端無線信號控制裝置，控制集成檢測儀定時激勵磁記憶診斷傳感器檢測在用金屬管道，磁記憶診斷傳感器將采集的檢測信號傳至集成檢測儀，通過終端無線信號傳輸裝置，集成檢測儀將磁記憶診斷信息發(fā)送至云檢測平臺處理和存儲，檢測人員通過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）

檢測人員通過遠程用戶終端比對超聲波厚度變化監(jiān)測曲線、電化學(xué)腐蝕檢測信號監(jiān)測曲線及磁記憶檢測信號，從而預(yù)測被檢管道的使用壽命。

工程應(yīng)用

在工程應(yīng)用方面，愛德森（廈門）電子有限公司與廈門大學(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)測終端（見圖3），并使用智能手機作為檢測系統(tǒng)的用戶終端（見圖4）。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備遠程智能維護服務(wù)有效結(jié)合，管理人員通過手機、計算機就可以遠程掌握在役設(shè)備的運行情況，用于設(shè)備報警、故障報警等。

圖3 在用金屬管道超聲、渦流、電化學(xué)、磁記憶綜合監(jiān)測終端外觀

圖4 管道實時超聲、渦流、電化學(xué)、磁記憶監(jiān)測信息-手機查詢界面

在實施金屬管道監(jiān)測時，將多套監(jiān)測模塊布置在不同金屬管道及金屬管道上的不同位置，采用無線信號傳輸方式，實現(xiàn)對在用金屬管道的腐蝕與減薄程度的遠程、長期原位監(jiān)測（見圖5）。從多參數(shù)識別到數(shù)據(jù)融合，檢測人員可利用智能手機來查詢金屬管道實時超聲測厚和電化學(xué)腐蝕速率監(jiān)測信息，對被監(jiān)測金屬管道的總體安全性做出綜合判斷，并進一步預(yù)測或修正被檢金屬管道的使用壽命。

圖5 管道實時監(jiān)測系統(tǒng)布置

基于大數(shù)據(jù)、云檢測技術(shù)的城市管網(wǎng)云監(jiān)測系統(tǒng)將改變以往檢測設(shè)備落后、功能單一、監(jiān)測方法不完善的現(xiàn)狀，將監(jiān)測系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)聯(lián)動，提升系統(tǒng)的安全性，加強系統(tǒng)的信息化管理程度。實現(xiàn)對管網(wǎng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，并進行大數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測分析，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)計提供依據(jù)；實現(xiàn)對管網(wǎng)圖籍資料等信息進行科學(xué)有效地管理，為精確判斷管網(wǎng)中出現(xiàn)的災(zāi)情及損壞提供準確信息和決策支持。

結(jié)  語

隨著工業(yè)智能化的發(fā)展，在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)分析的時代背景下，面對檢測領(lǐng)域的迫切需求，無損云檢測旨在構(gòu)建無損檢測技術(shù)物理資源和管理的資源池，其廣泛應(yīng)用將會對無損檢測的發(fā)展帶來深遠影響。將超聲波測厚、渦流、電化學(xué)腐蝕速度監(jiān)測和磁記憶應(yīng)力診斷等4種技術(shù)集成應(yīng)用于在用管道監(jiān)測中，實現(xiàn)了對在用管道腐蝕及安全性的云檢測及評價，這在金屬管道的腐蝕狀態(tài)監(jiān)測、健康監(jiān)測和壽命預(yù)估等方面將有廣泛的應(yīng)用前景。

作者：林俊明1，張開良1，林發(fā)炳1，李寒林2，鄭水冰1，吳曉瑜1

1.愛德森（廈門）電子有限公司

2.集美大學(xué) 輪機工程學(xué)院

作者簡介：林俊明（1956-），男，研究員，主要從事電磁無損檢測及其集成技術(shù)和云檢測方面的研究。

來源：《無損檢測》2019年9月