金屬管道在石油、天然氣的長(zhǎng)距離輸送過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，但由于金屬腐蝕引發(fā)的安全問(wèn)題也越來(lái)越突出，引起了相關(guān)部門(mén)的高度重視。長(zhǎng)輸油氣管道要穿越山川、河流、村莊等復(fù)雜環(huán)境，給常規(guī)的PCM檢測(cè)工作帶來(lái)了諸多不便，造成了大量的人力、財(cái)力的浪費(fèi)，甚至給檢測(cè)人員造成人身傷害。本文提出了一種將傳統(tǒng)PCM檢測(cè)方法與現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的智能檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)想，通過(guò)在監(jiān)測(cè)目標(biāo)上預(yù)先嵌入傳感器，使管理系統(tǒng)自動(dòng)獲得有關(guān)檢測(cè)管道的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)金屬管道外防腐狀況監(jiān)測(cè)目的。

 

    文| 孟　洋　張希征　山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司

 

    石油和天然氣已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中非常最重要的能源， 長(zhǎng)輸管道作為石油天然氣最理想、最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式， 已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，然而管道腐蝕既影響了管道的使用壽命，也是誘發(fā)安全事故的一大因素。油氣管道因腐蝕泄漏引發(fā)的重大安全事故（爆炸）時(shí)有發(fā)生，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大威脅。金屬管道外防腐檢測(cè)工作也越來(lái)越來(lái)受到相關(guān)部門(mén)的重視，尤其是石油、天然氣管道的外防腐層檢測(cè)工作正在全國(guó)部分城市開(kāi)展。長(zhǎng)輸石油、天然氣管道不可避免地要穿越山川、河流、村莊等復(fù)雜環(huán)境， 管道上方工廠、工地占?jí)涸絹?lái)越嚴(yán)重，這就為我們的腐蝕檢測(cè)工作增加了難度，造成了大量的人力、財(cái)力的浪費(fèi)，甚至給檢測(cè)人員造成人身傷害。隨著科技的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)， 為我們探索新的檢測(cè)工藝提供了技術(shù)保障， 將傳統(tǒng)的PCM 檢測(cè)工藝與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，形成一種智能的實(shí)時(shí)檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

 

    金屬管道腐蝕的危害

 

    金屬腐蝕的危害是巨大的，既有安全與環(huán)境方面的危害，也有經(jīng)濟(jì)方面的危害。就安全與環(huán)境方面的危害而言，腐蝕會(huì)引發(fā)事故，造成意外傷害，如化工廠的貯酸槽穿孔泄漏，造成重大環(huán)境污染，液氨貯 罐爆炸，造成人員傷亡，管道和設(shè)備跑、冒、滴、漏，破壞生產(chǎn)環(huán)境等。燃?xì)夤艿酪蚋g泄漏引發(fā)的重大安全事故也很多，一次次用鮮血換來(lái)的教訓(xùn)，時(shí)刻警醒我們要認(rèn)真做好金屬管道的外防腐檢測(cè)工作。

 

    經(jīng)濟(jì)方面的危害，據(jù)國(guó)內(nèi)外的資料統(tǒng)計(jì)顯示，金屬腐蝕的年損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)水災(zāi)、火災(zāi)、風(fēng)災(zāi)和地震 （平均值）損失的總和， 這還不包括由于停工減產(chǎn)、火災(zāi)爆炸等造成的間接損失。比如， 發(fā)電廠一合鍋爐管子腐蝕損壞，其價(jià)值不大，但引起一大片工廠停工，由此事故帶來(lái)的損失要大得多。另外，非金屬腐蝕損失還沒(méi)有詳細(xì)調(diào)查， 由于混凝土、木材、塑料等用量龐大，腐蝕帶來(lái)的損失之大也是驚人的。材料腐蝕遍及所有的經(jīng)濟(jì)和生活領(lǐng)域，由于腐蝕主要是材料與化學(xué)介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所引起的，所以，對(duì)于大量使用和生產(chǎn)強(qiáng)腐蝕性化學(xué)產(chǎn)品的化學(xué)工業(yè)企業(yè)來(lái)說(shuō)，其危害就更大了。因此，克服腐蝕帶來(lái)的危害也是廣大科技工作者的迫切任務(wù)。

 

    傳統(tǒng)的PCM 檢測(cè)方法

 

    目前國(guó)內(nèi)外普遍采用電磁法對(duì)外防腐層老化情況進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，原理上大體可以分為電壓梯度法和電流梯度法兩種。多頻管中電流法就是其中的一種，該方法是通過(guò)發(fā)射機(jī)向目標(biāo)管道供入檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)地面沿管道不同點(diǎn)測(cè)量電流值，通過(guò)專用軟件推算出防腐層絕緣特性參數(shù)，同時(shí)確定防腐層破損點(diǎn)并對(duì)防腐層老化狀況作出評(píng)價(jià)。

 

    管道外防腐層絕緣性能檢測(cè)

 

    PCM 發(fā)射機(jī)施加在管道中的電流強(qiáng)度隨離發(fā)射機(jī)的距離增加而衰減，其衰減程度取決于管道材質(zhì)及防腐層的情況。當(dāng)管線的防腐層出現(xiàn)破損或薄弱時(shí)，檢測(cè)信號(hào)電流在此處會(huì)因流入大地有額外的損耗而出現(xiàn)梯度衰減。利用多頻管道中電流法能夠解決這一問(wèn)題，在不同情況下，選擇相應(yīng)的測(cè)量方法（單頻法、雙頻法或三頻法），利用地面沿管道檢測(cè)到的相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的電流計(jì)算出來(lái)的防腐層絕緣特性參數(shù)Rg，結(jié)合試驗(yàn)及有關(guān)技術(shù)規(guī)范，評(píng)價(jià)防腐層老化狀況，可定量給出管道防腐層的老化級(jí)別。使用埋地管道防腐檢測(cè)軟件進(jìn)行防腐層的絕緣電阻計(jì)算，對(duì)檢測(cè)管道的防腐層評(píng)定狀況級(jí)別，如表1 外防腐層老化級(jí)別評(píng)價(jià)表所示。

 

    防腐層缺陷檢測(cè)

 

    對(duì)防腐層缺陷檢測(cè)，采用PCM 管道電流測(cè)繪儀配合“A”型架進(jìn)行精確定位。首先用PCM 管道電流測(cè)繪儀的發(fā)射機(jī)對(duì)管道施加低頻電流信號(hào)，用PCM 管道電流測(cè)繪儀接收機(jī)的“FF”功能配合“A”型架進(jìn)行破損點(diǎn)的定位。當(dāng)電流施加到埋地鋼質(zhì)管道上時(shí)，在其周圍會(huì)產(chǎn)生一正比于該電流的交變電磁場(chǎng)。當(dāng)管線的防腐層出現(xiàn)破損時(shí)，檢測(cè)信號(hào)電流會(huì)在破損點(diǎn)上因流入大地有額外的損耗，形成地面電場(chǎng)，電流讀數(shù)會(huì)突然跌落，出現(xiàn)較大的梯度變化，說(shuō)明出現(xiàn)管道故障：防腐層破損或與其它金屬管線搭接。此時(shí)應(yīng)加密測(cè)量點(diǎn)，為進(jìn)一步確定破損點(diǎn)所在管道的具體部位，需要借助地面電場(chǎng)法（泊松法）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

 

    工作時(shí)，沿管道方向逐步檢測(cè)，將“A” 型架的地極插入土壤中進(jìn)行讀數(shù)，PCM 接收機(jī)將自動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)水平，計(jì)算電流方向和分貝（dB）讀數(shù)。PCM 接收機(jī)面板上的電流方向即指示破損點(diǎn)的方向。若PCM 接收機(jī)面板上的電流方向在第一個(gè)位置是向前的；而第二個(gè)位置PCM 接收機(jī)面板上的電流方向是向后的，在排除分支和管線搭接的情況后，說(shuō)明在這兩個(gè)位置之間存在破損點(diǎn)。以更小的間隔進(jìn)行檢測(cè)，直到找到電流方向的變化點(diǎn)、分貝（dB）讀數(shù)最低的位置。此時(shí)可以肯定破損點(diǎn)就在“A” 型架的中間位置，便可進(jìn)行破損點(diǎn)的精確定位工作。
 

 

    腐蝕預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與架構(gòu)

 

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

 

    該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想就是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將傳統(tǒng)的外防腐檢測(cè)工藝變成一種智能化（具體實(shí)例，在應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)）的、常態(tài)化的監(jiān)測(cè)手段，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的成熟化，為智能化監(jiān)測(cè)手段提供了可靠的技術(shù)保障。我們可以將目標(biāo)管道按照等距分布（比如10m）的方式，在管道上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)， 如圖1 管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖所示。在管道上添加一個(gè)信號(hào)發(fā)射裝置，對(duì)目標(biāo)施測(cè)管道發(fā)射信號(hào)；在監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置傳感器， 采集檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞剑?把采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)工作平臺(tái)，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電流信號(hào)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置信息， 生成一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，如表2 金屬管道外防腐層檢測(cè)電流數(shù)據(jù)庫(kù)所示，其他相關(guān)數(shù)據(jù)如管體縱向電阻等也可以通過(guò)相應(yīng)的傳感器獲取；經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件的數(shù)據(jù)分析，推算出防腐層的老化等級(jí)，輸出管道外防腐層檢測(cè)評(píng)價(jià)報(bào)告，最終評(píng)定管道的外防腐層狀況。此外，還可以通過(guò)在應(yīng)用層增加一些輔助功能，給提供用戶目標(biāo)管道的相關(guān)屬性信息，比如空間位置、對(duì)地埋深、與其他相鄰管線的空間關(guān)系等；如果一旦防腐層老化嚴(yán)重甚至出現(xiàn)破損泄漏的位置， 系統(tǒng)還可以幫助用戶做出應(yīng)急決策處理， 比如分析泄漏點(diǎn)控制閥門(mén)的位置。通過(guò)這種智能化的監(jiān)測(cè)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)管道的常態(tài)化實(shí)時(shí)檢測(cè)，保證管道的正常運(yùn)行， 延長(zhǎng)使用壽命，一旦出現(xiàn)預(yù)警提示，可以快速做出反應(yīng)，避免或者減小損失。

 

 

    系統(tǒng)架構(gòu)

 

    管道物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)包括3 個(gè)層次， 感知層、傳輸層和應(yīng)用層。

 

    感知層由各種類型的傳感器以及傳感網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，可實(shí)時(shí)獲得目標(biāo)檢測(cè)管道的各種相關(guān)信息，包括空間位置、尺寸規(guī)格、檢測(cè)電流、泄露點(diǎn)位置等信息。在新建管道以及老舊管道更新改造時(shí)，應(yīng)逐步使用預(yù)先嵌入傳感器的管道，使管道具有類似人類的“神經(jīng)系統(tǒng)”，為智慧管網(wǎng)的推進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

 

    傳輸層則主要通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線射頻識(shí)別RFID 等通訊手段，將感知層獲得的數(shù)據(jù)由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)礁邔哟蔚膯卧鬏攲又饕ü饫w網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、路由器、防火墻、服務(wù)器等。

 

    應(yīng)用層是腐蝕檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能的集中體現(xiàn)，包含檢測(cè)電流采集入庫(kù)、外防腐等級(jí)評(píng)估、外防腐評(píng)估報(bào)告的輸出、泄漏點(diǎn)的位置顯示、管道輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)CAD 系統(tǒng)、腐蝕預(yù)警應(yīng)急指揮系統(tǒng)等。

 

    借助于CAD 設(shè)計(jì)系統(tǒng)生成目標(biāo)管道上任意一點(diǎn)的縱橫斷面分析圖，可以直觀地確定管線在地下的空間位置，標(biāo)示出管線的斷面尺寸、材料、高程、管線間的間距等屬性，正確反映管線與建筑物之間、管線與管線之間的空間關(guān)系。

 

    在應(yīng)急指揮系統(tǒng)部分，應(yīng)該著重設(shè)計(jì)腐蝕預(yù)警點(diǎn)、破損點(diǎn)與就近閥門(mén)的拓?fù)潢P(guān)系，以便于緊急關(guān)閉周圍的各種閥門(mén)，避免發(fā)生事故和減小損失。

 

    結(jié)束語(yǔ)

 

    通過(guò)系統(tǒng)對(duì)金屬管道外防腐層的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)評(píng)估，可以使用戶對(duì)管道及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，這直接關(guān)系到管道的使用壽命以及安全隱患；檢測(cè)工作的復(fù)雜性以及復(fù)雜的管道埋設(shè)環(huán)境，致使檢測(cè)周期比較長(zhǎng)，這也造成了檢測(cè)的不全面，經(jīng)常存在顧此失彼的現(xiàn)象；檢測(cè)中也存在人為因素，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的不準(zhǔn)確，會(huì)遺留下很大的安全隱患。借助現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，這種智能化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，既可以減少人為因素造成的損失，減小勞動(dòng)強(qiáng)度，也可以提高檢測(cè)效率，縮短檢測(cè)周期，降低檢測(cè)成本。

 

    實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于管道主管部門(mén)的作用也是尤為重要的，可以隨時(shí)掌握管道的運(yùn)行狀況，一旦發(fā)生事故，主管部門(mén)可以全面掌握事故發(fā)生地點(diǎn)的相關(guān)信息，對(duì)事故救援工作做出正確的決策，減少損失。希望通過(guò)大家共同努力，早日實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管道的智能化檢測(cè)。