Page 88 - 无损检测2021年第三期

吴文强, 等:

基于云平台的管道腐蚀远程在线监测系统

监测手段, 但其实时性低且无法准确获得关键危险
点的腐蚀情况 [ 4 ] 。因此, 亟需对相关管道的腐蚀在
线检测开展技术研究, 找到一种实时在线的井口装
置易损部位腐蚀监测与智能预警方法。
针对上述管道腐蚀监测需求, 国内外开展了大
量的 研 究 工 作。 万 正 军 等 [ 5-6 ] 利 用 电 位 矩 阵 法
( FSM )对管道局部典型范围的腐蚀情况进行了有

效检测, 但该方法需要通过焊接的方式在管道上布
置探针, 结构复杂, 成本较高, 而且焊接操作在油气
井场具有一定的危险性。艾默生公司针对化工企业
高温管道的腐蚀监测需求, 研发了基于电磁超声换
能器( EMAT ) 的点式腐蚀监测系统。但 EMAT 相 图 1 油气钻采装备冲刷腐蚀在线监测系统框图
比于压电式超声换能器存在换能效率低、 接收信号 此, 需要研究一种易安装, 不流失的干耦合方法。最
能量弱、 辐射模式宽、 回波分辨率低、 大功率激发使 佳的耦合剂是安装时为液态, 可保证小曲率管道的
线圈发热等问题 [ 7 ] 。康宜华等 [ 8 ] 针对 EMAT 测厚 耦合效果, 安装完成后耦合剂变为固态, 实现不流失
中大功率脉冲电源和高灵敏度放大器设计困难的问 不挥发。同时, 耦合剂还需保证在一定的高低温极
题, 提出了使用压电超声仪来完成电磁超声测厚功 端环境中声特性却不发生变化。
能的方法, 然而, 针对非高温管道的大量布点监测需 针对上述需求, 研发了一种可进行液 - 固转变的
求, 电磁超声监测因其高成本而无法满足实际使用 耐候材料, 作为干耦合剂。干耦合剂材料以聚二甲

要求。 基硅氧烷为主要原料, 辅以交联剂、 填料、 增塑剂、 偶
压电超声测厚法因其稳定可靠、 成本低, 在管道 联剂、 催化剂等混合而成, 在室温下与空气中的水蒸
腐蚀监测方面具有巨大潜力 [ 9 ] 。笔者提出了使用一 气发生反应, 达到固化的效果。该干耦合剂材料具
种可以进行液 - 固转变的耐候材料作为耦合剂的压 有安装施工前为糊状半液态, 施工后转化成固态的
电超声干耦合方法, 同时利用温度传感器对管道表 特点, 可轻易地排除耦合间隙的空气, 且无需较大的
面温度进行在线监测, 以消除不同温度下管道声速 耦合压紧力, 同时可耐户外自然老化。
变化对腐蚀监测造成的影响。在此基础上, 结合物 干耦合材料合适的声特性阻抗是保证超声波能
联网技术、 云平台技术等, 开发了基于云平台的管道
够有效进入管道的基础。声波在压电晶片 - 耦合剂 -
腐蚀在线监测系统, 并通过现场应用验证了其具有 管道 3 层介质中的传播模型如图 2 所示, 设耦合层
较强的实用性与较高的推广价值。
厚度为d , 对于单频入射超声波, 声强透射系数 T
1 基于云平台的管道腐蚀在线监测方案 的计算公式可表示为
Z 3 Z 1 2 2π d
+
针对管道腐蚀远程监测中的壁厚传感、 多通道 T = 4 2+ cos +

Z 1 Z 3 λ 2

采集、 无线传输、 数据存储与分析等关键问题, 结合 2
2 2π d
Z 2
井口装置腐蚀机理与监测实际需求, 提出了基于干 Z 1 Z 3 + Z 1 Z 3 ( 1 )
sin
2
λ 2

Z 2
耦合压电传感的多通道腐蚀在线监测方法, 以获取
井口装置易腐蚀点多个部位的腐蚀数据, 并通过信
号处理系统与物联网通信系统接入云平台, 进行数
据存储与分析。油气钻采装备冲刷腐蚀在线监测系
统框图如图 1 所示。
1.1 液 - 固转变耦合压电传感方法
由于流失和挥发问题, 常规液体耦合剂不适用
于管道腐蚀监测。另外一方面, 针对弧形管道, 尤其
是小曲率管道, 探头与管壁之间的耦合更为困难, 因 图 2 声波在压电晶片 - 耦合剂 - 管道 3 层介质中的传播模型

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2021 年 第 43 卷 第 3 期

无损检测