CN101846644A - 油气管道在线腐蚀监测仪 - Google Patents

Abstract

一种油气管道在线腐蚀监测仪，利用电阻法对油气管道腐蚀进行测量，该监测仪包括电阻探头、测量电路和测量数据处理单元，其中，所述电阻探头(1)包括防水插口(12)、密封丝扣(13)和探头壳体(14)，所述密封丝扣(13)的上部连接防水插口(12)，密封丝扣(13)下部连接不锈钢制成的探头壳体(14)，在探头壳体(14)内设置有内置敏感元件(15)即参考电阻R_f和内置热敏电阻R_t(10)，二者处于同一温度环境中，在探头壳体(14)外设置有外露敏感元件(16)即被测电阻R_x，其直接暴露于管道内的腐蚀环境中，内置敏感元件(15)和外露敏感元件(16)采用相同材质制作，具有相同温度系数。本发明中的电阻腐蚀监测装置响应速度快，能连续测试，能敏感探测管道内腐蚀状态的细微变化，可靠性高，数据重现性好。

Description

油气管道在线腐蚀监测仪

技术领域

本发明涉及油气管道腐蚀在线监测领域，特别是一种基于温度补偿和接触电势补偿的油气管道电阻在线腐蚀监测仪，采用交变恒流源进行激励，内置精密温度测量和温度自动补偿电路，适用于油、水、气任意混合介质的高精度在线腐蚀监测。

背景技术

随着我国大型油气田的开发，特别是高压含硫、含二氧化碳天然气的陆续开采，对油气田的安全性提出了更高的要求，腐蚀监测作为腐蚀防护的一项基础工作越来越得到了油气生产企业的关注和重视。电阻探针腐蚀监测技术是通过测量金属敏感元件在工艺介质内腐蚀过程中的电阻值变化，实现金属在工艺介质中的腐蚀速度在线监测，由于电阻探针腐蚀监测技术适用于包括气相、液相、固相和流动颗粒等多种气田介质工作环境，并且测量迅速，能及时反映设备管道的腐蚀情况，可对油气管线进行实时、连续、网络化的远程监测，结合历史数据，还可预测管线或设备腐蚀未来发展趋势，具有其它腐蚀监测技术没有的优势，常被用来预估管道寿命和评估油气管道腐蚀损坏程度。

目前，国内外电阻法腐蚀监测均没有考虑到温差电势和接触电势对电阻探针敏感元件的影响，对于工作区温度基本恒定的系统，温差电势和接触电势影响较小。然而油气管道是一个高压系统，天然气或采出液从井口流到站内的过程中受地层环境和地面温度变化的影响大，由于温度波动导致腐蚀速率测量精度急剧下降。美国发明专利US5,446,369和US6,556,027都是关于电阻探针腐蚀监测仪器的发明，但二者均没有指出温度对测量结果的影响，也没有采用自动温度补偿技术，根据上述技术形成了一些商品在线电阻腐蚀监测仪，这些腐蚀监测仪在油气田腐蚀监测中应用结果表明：其测量结果的重现性和设备的稳定性均没有解决，其测量精度甚至只有探头敏感元件使用寿命的1/500，其原因在于电阻探针内部的接触电势带来的温差效应极大地干扰了腐蚀监测，而完全依靠内置参考电阻R_f进行温度效应补偿难以保证油气管线腐蚀监测的准确性，特别是当腐蚀速率较低时，这种影响会导致测量结果无法使用。专利文献(ZL200820108634.9)也披露了一种电阻探针腐蚀监测仪器，通过使用交变电流激励的方法，降低了探针内部接触电势给腐蚀测量带来的干扰，但是该文献中的监测仪器依靠内置参考电阻R_f进行温度效应补偿，由于R_f阻值较小(＜10mΩ)，造成温度测量受接触电阻影响大，测量温度重现性低，制约了腐蚀测量精度的提高。此外，国际上的磁阻探针腐蚀监测仪，也存在测量结果受温度影响大的缺点，现场测量表明，在温度波动较大的天然气管线中，其测量精度甚至低于电阻探针。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于电阻法的用于油气管线的高精度在线腐蚀监测仪，利用交变激励电流测量方法，消除电阻探针敏感元件，以及仪器内部电路板线路之间异种金属接触所造成的接界电势和温差电势，利用探头内置的温敏电阻或热电偶，精确测量探针壳体内的温度值，通过仪器内置的温度补偿电路和温度补偿系数表，对电阻探头内敏感元件温度变化导致的测量电阻误差进行自动补偿和修正，提高腐蚀速率的测量精度。

本发明采用的技术方案是：油气管道高精度电阻法在线腐蚀监测仪，主要包括内置热敏电阻的电阻探头、稳压器、激励恒流源、双通道A/D转换器、单片机、实时时钟、数据存储器、锂电池、RS485接口、热敏电阻恒流源，如附图1。其特征在于：在IP65防护等级的仪器机箱内有单片机，单片机分别连接有双通道A/D转换器、实时时钟、flash存储器、通讯接口和稳压器，稳压器连接有锂电池。两个A/D转换器分别由两根导线连接至电阻探头内的敏感元件。电阻探头上连接有激励恒流源和热敏电阻恒流源。

本发明采用TPS72501芯片作为交变恒流源，3.6V锂电池为监测仪供电；采用两片AD7705，或ADS1250∑-ΔA/D转换器进行同步微电压采样，其分辨率可达到1μV；采用高速低功耗MCU单片机进行数据采集，并计算敏感元件电阻比值R_x/R_f和腐蚀余量，由Flash存储器储存计算结果，并通过RS485接口将数据传送到数据收发器或上位机数据库中；采用电阻阻值随温度线性变化的热敏电阻Pt100或Cu-Ni热电偶进行探头壳体内的温度测量，通过获取的实时温度值对R_x/R_f进行温度补偿；采用PCF8563实时时钟，实现自动定时唤醒测量；采用可关断的电压稳压器，在非测量期间关闭供电电路，最大限度延长锂电池寿命。

所述的电阻探头主要由防水插口、密封丝扣，探头壳体和内置热敏电阻组成，如附图2。在密封丝扣的上部连接有防水插口，密封丝扣下部连接有不锈钢制成的探头壳体，在探头壳体内有八根连接导线，一个内置敏感元件，记为参考电阻R_f和一个内置热敏电阻R_t，R_f两端分别连接导线D和导线E，然后连接到A/D转换器，R_t两端分别连接导线G和H，然后连接到A/D转换器；在探头壳体外有外露敏感元件，记为被测电阻R_x，R_x两端分别通过导线B和导线C连接到第二个A/D转换器；导线A和导线F连接到恒流源，导线G和H连接到热敏电阻恒流源。

接触电势抵消原理

本发明提出了一种基于交变电流的测量方法，即采用交变电流作为激励信号分别在两个相反方向上进行敏感元件的微电阻测量，通过测量正负电流时电阻探针内各敏感元件电势差，通过公式(1.1)来补偿节点接触电势。由于节点电势与化学电源一样，其电势差是有方向的，因此通过改变激励恒流源的电流方向，可以对节点电势ξ进行完全补偿，测量回路的总电势为：

∑U(T)＝(V_IR+ξ)-(ξ-V_IR)＝2V_IR    (0.1)

式(0.1)中ξ为异种金属间接触电势，V_IR为敏感元件R_f、R_x两端的电压差，通过正向和反向两次测量，接触电势ξ被完全补偿，总电势∑U(T)与接触电势无关。通过补偿接触电势ξ后，腐蚀速率测量灵敏度可提高2～5倍。

温差电势补偿原理

电阻探针腐蚀速率测量精度取决于敏感元件微电阻测量精度和温度漂移特性，为了降低温度漂移对电阻测量精度的影响，本发明引入了温度测量电路：将一个热敏电阻R_t或热电偶密封在探头内，使其与探头内敏感元件R_f、R_x处于相同温度环境，在进行敏感元件电阻测量的同时，通过测量R_t阻值计算探头内部温度，根据测得的温度值对测量结果R_x/R_f进行完全温度补偿，进一步提高测量精度。

设B(T)＝R_x/R_f，在较低温度范围(-20～200℃)，且R_x无腐蚀时，B(T)与温度呈线性关系，这样就可通过B～T工作曲线将温度效应进行完全补偿。当探头内温度分别为T₀，T₁时，B(T)的测量值分别记为B(T₀)，B(T₁)，

并假定温度系数 $\mathrm{\η}=\frac{B\left(T_1\right)-B\left(T_2\right)}{T_1-T_0}---\left(0.2\right)$

由于此时没有腐蚀发生，如果无温度效应存在，应有B(T₀)＝B(T₁)，η＝0，然而实际测量过程中，温度系数η≠0。此时对于任意温度下的测量值B(T)，均可借助温度系数η转换为与温度无关的B′(T)，最后根据公式(1.3)计算出敏感元件腐蚀速率r_corr，式(1.3)中C为探头常数，t₁，t₂代表测试时刻；

$r_{\mathrm{corr}}=C\×(\frac{1}{\sqrt{B^{\′}\left(t_2\right)}}-\frac{1}{\sqrt{B^{\′}\left(t_1\right)}})/(t_2-t_1)---\left(0.3\right)$

将电阻探头置于干燥无腐蚀性环境中，同时测量B(T)以及温敏电阻R_t随时间的变化曲线，如附图3。可见即使在无腐蚀发生时，B(T)值受温度影响也很大，其变化趋势与探头内温度变化完全一致；如不采用温度补偿，根据公式(0.3)计算的腐蚀速率灵敏度将急剧下降。附图4是对B(T)进行了温度校正后曲线，根据该曲线计算的腐蚀速率分辨率达到了敏感元件寿命周期的1/6000，相比无补偿时的分辨率提高了5倍。

本发明的有益效果：高精度电阻法在线腐蚀监测仪可将普通电阻/磁阻腐蚀监测探头的测量精度提高5～10倍，提高了腐蚀监测仪器的测量精度。采用高速低功耗单片机作为数据采集、计算和存储单元，达到了快速、准确测量油气管道腐蚀速率的目的。本发明与现有电阻法在线腐蚀监测装置相比，具有以下明显的优点和特点：

1、油气管道电阻腐蚀监测仪通过高速单片机将精密恒定电流施加到电阻探头内的敏感元件上，同时两路同步采样A/D转换器对敏感元件R_x和R_f上的微电压进行放大采样，仪器内置定时唤醒电路、电源管理电路、RS485通讯模块，以及腐蚀速率算法，具有响应灵敏，功耗低的特点，电池供电下可使用400天。

2、提出了交变恒流源激励方法，用于减小敏感元件温差电势，提高测量精度。在线电阻腐蚀监测仪根据R_x/R_f比值计算出敏感元件的腐蚀余量和腐蚀速率。本发明还提出影响腐蚀速率测量精度的主要原因是电阻探头内部异种金属间接界电势差，该电势差为温度的线性函数。

3、提出了温度补偿方法，通过探头内置的温敏电阻，在进行敏感元件端电压测量的同时，测量敏感元件的温度曲线，根据实测温度和内置温度校正表对R_x/R_f测量结果进行自动温度校正，减小了由温度变化引起的误差，使腐蚀测量精度相对其它电阻探头提高5～10倍，腐蚀减薄分辨率达到0.1μm。

4、本发明中的电阻腐蚀监测装置与失重挂片法相比，响应速度快，能连续测试，能敏感探测管道内腐蚀状态的细微变化，可靠性高，数据重现性好。

附图说明

图1：油气管道高精度电阻法腐蚀监测仪的电路设计框图。

其中，1.电阻探头，2.交变恒流源，3.A/D转换器，4.单片机，5.实时时钟，6.Flash存储器，7.锂电池，8.通讯接口，9.电源稳压器，10.热敏电阻，11.直流恒流源，12.线缆插口，13.密封丝扣，14.探头壳体，15.内置敏感元件，16.外露敏感元件。

图2：电阻探头内部结构示意图。

其中，10.热敏电阻，12.线缆插口，13.密封丝扣，14.探头壳体，15.内置敏感元件R_f，16.外露敏感元件R_x。

图3：无温度补偿时，腐蚀余量及温度随时间的变化趋势。

图4：进行温度校正后腐蚀余量随时间的变化趋势。

具体实施方式

参见图1，本发明高精度电阻法在线腐蚀监测仪包括：1-电阻探头；2-交变恒流源；3-双通道A/D转换器；4-单片机；5-实时时钟；6-Flash存储器；7-锂电池；8-通讯接口；9-电源稳压器；11-直流恒流源。

在IP65防护等级壳体内有一个单片机4，单片机4采用高速低功耗80C51F型MCU。单片机4分别连接实时时钟5、数据存储器6、通讯接口8和电源稳压器9，电源稳压器9连接到锂电池7。实时时钟5采用PCF8563时钟芯片；数据存储器6采用Flash存储器或铁电存储器；通讯接口8采用隔离型RS485接口；热敏电阻10采用PT100或半导体热敏电阻；直流恒流源11采用运算放大器OPA349或OP177组建，用于驱动热敏电阻。

单片机4还分别连接有两个同步A/D转换器3，两个A/D转换器3通过导线分别连接电阻探头1的敏感元件15和16，电阻探头1的A，F输入端上连接有交变恒流源2，G，H端连接到热敏电阻恒流源，交变恒流源2采用高精度电源管理芯片，A/D转换器3是两片AD7705或ADS1210∑-ΔA/D转换器。单片机4通过控制热敏电阻恒流源11，给热敏电阻10施加精确的激励电流，热敏电阻10再连接到A/D转换器第二通道。

参见图2，电阻探头1由线缆插口12、密封丝扣13，不锈钢探头壳体14，内置敏感元件15，外露敏感元件16和热敏电阻10组成。安装时密封丝扣13固定在油气管线上。在密封丝扣13的上部连接有线缆插口12，线缆插口12通过电缆线连接到电阻法在线腐蚀测试仪。探头壳体14内有8根导线，其中内置敏感元件(参考电阻R_f)15两端分别连接到接线端B和C，热敏电阻10两端分别连接到接线端G和H，并均通过电缆连接到A/D转换器3。在探头壳体14的底部有外露敏感元件(被测电阻R_x)16，并通过接线端D和E连接到A/D转换器3；电流节点A和F连接到交变恒流源2。

电阻探头1内的参考电阻R_f15和被测电阻R_x16的阻值较小，一般在15mΩ以下，因此本发明中使用大容量锂电池7和高精度交变恒流源2进行电压激励，其电流值在0.1～1A，高速MCU处理单元4则采用掉电模式代替睡眠模式，实现低功耗运行。本发明中采用实时时钟5记录准确的日历时间，并定时唤醒单片机4恢复测量工作。对于模数转换器3，选用双路16～24bit∑-ΔA/D转换器，计算结果保存在flash存储器6中。本发明中有一个隔离RS485串行接口8，负责测试仪器与中央监控系统间的远程通讯。

参见图2，电阻探头1的腐蚀测量传感器是由一根金属丝或一段圆筒组成，金属丝或圆筒的一部分密封在树脂或玻璃陶瓷内，与外界环境隔离，作为参考电阻R_f15。另外一部分外露，作为被测电阻R_x16，并直接暴露在管道内的腐蚀环境中，在探头内，二者处于同一温度环境中，具有相同的温度系数；温度测量通过测量热敏电阻R_t10的阻值来计算，热敏电阻R_t10与参考电阻R_f15一同密封在树脂或玻璃陶瓷内，与R_x16处于相同的温度环境。电阻腐蚀监测仪与电阻探头1之间通过八芯屏蔽电缆线连接，电阻探头1一端由NPT密封丝扣13与被测管线固定连接，保证测试状态的稳定和高压下的密封安全。

图3描述了仅实施交变电流测量而无温度补偿时，温度变化对腐蚀余量测量精度的影响，此时，通过电流换向测量来补偿节点温差电势的漂移。由于正、反向测得的温差电势大小相等，方向相反，因此两次测量值之和将与温度无关，如公式(0.1)，但由于不同焊点接触电势的温度系数不相同，导致腐蚀余量仍受到温度变化的影响较大，其分辨率仅为敏感元件16使用寿命的1/1000，其分辨率仅较传统电阻探头测量方法提高到2倍。借助本发明中实施的内置温敏电阻测温及自动校正算法，腐蚀余量分辨率曲线见图4，此时腐蚀余量分辨率为敏感元件16使用寿命的/6000，较中国专利文献200820108634.9涉及的方法提高5倍，本发明方法实施后，通过交变电流测量可减小接触电势影响，通过温度补偿工作曲线，降低了由温度波动引起的接触电势变化，提高了敏感元件腐蚀速率测量分辨率和灵敏度。

Claims (5)

1.一种油气管道在线腐蚀监测仪，其利用电阻法对油气管道腐蚀进行测量，该监测仪包括电阻探头、测量电路和测量数据处理单元，其中，

所述电阻探头(1)包括防水插口(12)、密封丝扣(13)和探头壳体(14)，所述密封丝扣(13)的上部连接防水插口(12)，下部连接不锈钢制成的探头壳体(14)，在探头壳体(14)内设置有内置敏感元件(15)即参考电阻R_f，以及内置热敏电阻R_t(10)，二者处于同一温度环境中，在探头壳体(14)外有外露敏感元件(16)即被测电阻R_x，其直接暴露于管道内的腐蚀环境中，所述外露敏感元件(16)与内置敏感元件(15)采用相同材料制作，具有相同温度系数；

测量时，将电阻探头(1)通过密封丝扣(13)安装在油气管道中，所述测量电路中的A/D转换器对所述内置敏感元件(15)和外露敏感元件(16)进行同步差分电压采样，所述测量数据处理单元对采样结果进行计算，获取R_x/R_f值，同时，通过第三路A/D转换器测量内置热敏电阻R_t(10)阻值，获取电阻探头(1)内的当前温度；

基于所述当前温度，所述测量数据处理单元根据预先存储的温度补偿系数表对R_x/R_f进行实时补偿和校正，再根据校正后的R_x/R_f计算出所述外露敏感元件的腐蚀余量和腐蚀速率，即完成对油气管道腐蚀的精确测量。

2.根据权利要求1所述的一种油气管道在线腐蚀监测仪，其特征在于，所述测量电路中具有热敏电阻激励恒流源(11)，用于在测量温度时，给内置热敏电阻(10)施加激励电流。

3.根据权利要求1或2所述的一种油气管道在线腐蚀监测仪，其特征在于，所述的内置热敏电阻(10)为Pt100或Cu-Ni热电偶。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种油气管道在线腐蚀监测仪，其特征在于，所述测量电路中具有实时时钟，用于实现自动定时唤醒测量。

5.根据权利要求1-4之一所述的一种油气管道在线腐蚀监测仪，其特征在于，所述测量电路中具有可关断的电压稳压器，能够在非测量期间关闭供电电路。

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