CN105181568A - 油气田集输管线腐蚀监测装置及缓蚀剂加注系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油气田管线腐蚀监测装置，包括MCU控制器，以及信号发生器，恒电位电路，功率放大器，腐蚀监测探头低通滤波器和A/D数据采集器，MCU控制器用于将波形数据发送到信号发生器以产生一定频率的正弦波，用于加载到恒电位电路形成极化电流并通过功率放大器输出到腐蚀监测探头，腐蚀监测探头的极化电位和极化电流通过低通滤波器滤波后送入A/D数据采集器进行采集，并由MCU控制器对采集的电位与电流数据进行处理，即可获得介质电阻、工作电极的极化电阻，进而可得到工作电极的腐蚀速率，从而实现管道腐蚀监测。本发明还公开了一种缓蚀剂智能加注装置。本发明能够根据管线腐蚀速率测量值和模糊控制算法，自适应地动态调整缓蚀剂的加注浓度，从而优化管线腐蚀控制策略，实现缓蚀剂的科学加注。

Description

油气田集输管线腐蚀监测装置及缓蚀剂加注系统

技术领域

本发明属于油田管线防腐技术领域，具体涉及一种油气田集输管线的腐蚀监测以及利用上述装置的监测结果进行缓蚀剂加注的系统。

背景技术

油气田在开采后期其采出液的综合含水率会逐年升高，高者甚至超过90％，由于回注污水的高矿化度(例如可以大于10000mg/L)、高Cl-含量以及高水温(例如可以大于50℃)等特性，再加H₂S、CO₂、SRB等协同作用，往往造成地面管线及井下管柱的严重腐蚀穿孔。管线腐蚀不仅带来较大的经济损失，同时还会造成严重的环境污染问题。为了控制管网腐蚀，需要在回注水中连续注入缓蚀剂。

但由于缺乏在线腐蚀监测手段，大多数油气田对于缓蚀剂优选和加药量的确定，均依赖于实验室或者现场失重数据，评测手段单一，作业周期长，反馈慢。特别是由于回注水随地层来水和季节变化，其腐蚀性变化很大，依据失重结果无法及时根据来水水质变化改变缓蚀剂的加注量，而且，缓蚀剂的现场表现与工况关系极大，如水质化学、流速、温度、压力和管道内壁表面状态等，导致管网腐蚀速率的大幅度波动，不利于控制管网腐蚀。

现有技术中，诸如基于线性极化(LPR)、交流阻抗(EIS)等快速腐蚀监测方法，可对集输管线的腐蚀速率实施在线监测，其测量结果比现场失重挂片法具有更好的实时性和重现性。但是，上述方案依然存在测量结果不精确、无法同时实现多种参数的测量等劣势，而且，由于受管内流速、缓蚀剂吸脱附和监测点位置变化等多种因素影响，管线腐蚀速率与缓蚀剂注入浓度存在时间差，导致监测结果与加入的缓蚀剂因为动态变化而无法精确匹配。

而且，当前加注缓蚀剂方法主要采用计量泵人工调节，例如中国专利CN203999516U采用电磁阀与配电箱，来实现炼油工艺中的缓蚀剂自动加药，计量泵由监测装置和PLC控制器控制，但该方案装并没有实现腐蚀监测的自动化和反馈式加药控制，实际加药量仍然依赖于手工调节。这种方式导致缓蚀剂加注浓度不能根据管网腐蚀速率的变化自动调整为最佳，容易导致加量不足或过量，造成药剂浪费。更为重要的是，目前的管网线路庞杂，而考虑到回注水的流动性，往往单一监测点的腐蚀速率并不能准确反映相应的腐蚀情况，使得缓蚀剂的加注无法有效缓解管网的腐蚀。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种油气田管线腐蚀监测装置、以及缓蚀剂加注装置，其通过对监测装置的结构以及原理的优化，实现对管线腐蚀速率的精确监测，同时通过对缓蚀剂加注装置的控制方式以及布局的调整，实现对缓蚀剂加注与管线腐蚀速率波动的动态匹配，从而减小油气田管线的腐蚀。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种油气田管线腐蚀监测装置，其设置于回注污水管道上，用于实现管道的腐蚀监测，包括用于信号处理与数据分析的MCU控制器，以及依次电连接的信号发生器，恒电位电路，功率放大器，腐蚀监测探头、低通滤波器和A/D数据采集器，其中，

所述腐蚀监测探头用于深入回注污水管道中与污水接触，所述MCU控制器分别与所述信号发生器和A/D数据采集器电连接，该MCU控制器用于将波形数据发送到信号发生器以产生一定频率的正弦波，该正弦波用于加载到恒电位电路形成极化电流并通过所述功率放大器输出到所述腐蚀监测探头，腐蚀监测探头的极化电位和极化电流通过低通滤波器滤波后送入A/D数据采集器进行采集，并由所述MCU控制器对采集的电位与电流数据进行处理，即可获得介质电阻、工作电极的极化电阻，进而可得到工作电极的腐蚀速率，从而实现管道腐蚀监测。

作为本发明的改进，所述功率放大器通过电缆与所述腐蚀监测探头的辅助电极连接，所述极化电流输出至所述辅助电极上。

作为本发明的改进，所述腐蚀监测探头的参比电极与恒电位电路电连接，该参比电极输出的电压信号反馈到该恒电位电路，用于维持腐蚀监测探头的参比电极与工作电极之间的电压恒定，所述输入到低通滤波器的极化电位通过该恒电位电路提供。

作为本发明的改进，所述腐蚀监测探头的底端为圆环状三电极，包括辅助电极、参比电极和工作电极，其分别套接在探头外壳上，并依次间隔排布，各相邻电极环间距小于1.0mm。

作为本发明的改进，所述辅助电极、参比电极和工作电极可以采用与被监测管道材质相同的金属材料，所述参比电极RE还可采用固态Ag/AgCl、或者高纯锌材料，以便监测工作电极的自腐蚀电位。

作为本发明的改进，还包括与所述MCU控制器连接的数据存储器和/或通信接口，上述MCU控制器计算得到的测量结果可保存在数据存储器中和/或通过通信接口上传到上位机用于监控。

作为本发明的改进，所述油气田管线腐蚀监测装置为多个，分布于油气田管线上的多个监测点，从而形成腐蚀监测网络，以实现腐蚀速率的动态监测。

按照本发明的另一方面，提供一种缓蚀剂加注装置，其用于对油气田集输管线加注缓蚀剂，其特征在于，其包括收发器、变频器和加药泵，其中所述收发器用于接收缓蚀剂的加药浓度，并作为变频器的控制指令，其中所述缓蚀剂的加药浓度根据监测到的腐蚀速率计算得到，使得所述变频器可对加药泵的频率进行实时控制和调整，从而实现可实时动态调整缓蚀剂的加注量。

作为本发明的改进，所述监测到的腐蚀速率通过上述油气田管线腐蚀监测装置得到。

作为本发明的改进，可通过建立加药浓度与腐蚀速率对应关系曲线，从而快速获得缓蚀剂的加药浓度。

本发明中，本发明所涉及的腐蚀监测装置，由于采用了交流阻抗技术，相比传统线性极化技术，具有更高的抗电磁干扰和交流干扰能力，其测量结果更为稳定。

本发明装置采用交流信号激励技术和相关分析算法，利用高、低频双频正弦波激励技术，既能测量金属试样的极化电阻与腐蚀速率，也能测量介质电阻率，具有比线性极化技术更好的抗干扰能力和准确性。

本发明中，通过无线方式将现场数据上传到中央服务器，然后由服务器根据模糊算法来计算缓蚀剂的加注量，并将缓蚀剂加注量指令通过无线方式发送到变频器，进而控制缓蚀剂计量泵的转速来改变缓蚀剂加注量。

本发明中，基于腐蚀速率变化趋势，利用模糊控制或PID算法计算缓蚀剂的加注量，使管道内的腐蚀速率波动控制在限定范围内，用户通过终端发送指令，或者由服务器自适应调整变频器频率，进而改变缓蚀剂计量泵的往复频率，实现了缓蚀剂加注速率的远程智能调控。

本发明采用GPRS无线通信技术将实时监测数据接入到互联网，形成了远程无线腐蚀监测网络，该监测网络由网络服务器自动下载现场数据，授权用户足不出户即可通过互联网实时查看以曲线或表格形式显示的现场测量数据。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明的集输管线腐蚀监测装置采用交流阻抗和交流信号激励，利用高、低频双频正弦波激励，能够测量极化电阻与腐蚀速率，同时能测量介质电阻率，具有比线性极化技术更好的抗干扰能力和准确性，能更可靠地反映管道内腐蚀速率的变化。

(2)本发明的腐蚀监测探头采用环状电极设计，可以保证油田污水中的油污即使粘附在探头表面，也可以为流水剪切力所带走，防止了油污干扰造成的腐蚀速率测量值剧烈变化。

(3)本发明的智能加注系统可通过集输管线腐蚀监测装置的测量结果实时动态反馈，自动控制缓蚀剂计量泵的转速来改变缓蚀剂加注量，从而动态适应回注水水质以及工况的变化所导致的管网腐蚀速率波动。

(4)本发明的智能加注系统可实现多个监测点的腐蚀速率及其变化趋势的系统监测，从而形成腐蚀监测网络，结合腐蚀监测的滞后以及趋势进行网络化的监测，从而对缓蚀剂加注予以优化。

附图说明

图1为按照本发明一个实施例所构建的集输管线腐蚀监测装置的电路原理示意图；

图2为图1中的腐蚀监测传感器的结构示意图；

图3为包含有图1中的集输管线腐蚀监测装置的缓蚀剂加注系统的原理示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1：功率放大器，2：恒电位电路，3：信号发生器，4:电源模块，5：数据存储器，6：MCU控制器，7：通信接口，8腐蚀监测探头，9：低通滤波器，10：A/D数据采集器，11：实时时钟，20：六芯防水接头，21：NPT锥螺纹丝扣，22：不锈钢探头本体，23：圆环形辅助电极CE，24：圆环形参比电极RE，25：圆环形工作电极WE，31：油水分离器，32：GPRS无线收发器天线，33：太阳能电池板，34：腐蚀监测装置，35：缓蚀剂加注口，36：污水储罐，8：腐蚀监测探头，37：GPRS无线收发器，38：变频器，39：变频电机，40：缓蚀剂储罐，41：接入互联网的计算机终端，42：集线器，43：网络服务器，44：防火墙，45：互联网，37：GPRS无线收发器，34：腐蚀监测装置，8：腐蚀监测探头，46：油田污水集输管线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图1，按照本发明一个实施例所构建的集输管网腐蚀监测装置，其包括：功率放大器1，恒电位电路2，信号发生器3，用于信号处理与数据分析的MCU控制器6，低通滤波器9，A/D数据采集器10，以及腐蚀监测探头8。

其中，信号发生器3和A/D数据采集器10分别与MCU控制器6电连接，功率放大器1，恒电位电路2与信号发生器3依次电连接，腐蚀监测探头8分别与功率放大器1，恒电位电路2以及低通滤波器9电连接，恒电位电路2同时也与低通滤波器9电连接。

在一个实施例中，所述MCU控制器6可以是单片机，例如8位或32位单片机，该单片机优选通过串行或并行数字总线将波形数据发送到信号发生器3，产生一定频率的正弦波，该正弦波并加载到恒电位电路2。该恒电位电路2由加法器、阻抗变换器和差分电流采样等子电路组成，其输出端加载到功率放大器1，该功率放大器1的输出通过电缆连接到腐蚀监测探头8的辅助电极上。来自腐蚀监测探头8的极化电位和极化电流通过低通滤波器9(优选其临界频率f_c＝10kHz)再送入A/D数据采集器10予以数字化，并由MCU控制器6对采集的电位与电流数据进行相关积分，获得高、低频点下的阻抗值。

在一个实施例中，腐蚀监测探头8中的参比电极RE输出的电压信号反馈到恒电位电路2，用于维持腐蚀监测探头8的参比电极RE与工作电极WE之间的电压恒定。输入低通滤波器9的是腐蚀监测探头8的工作电极的电流、以及恒电位电路2的输出电压，最后输入到A/D数据采集器10。A/D数据采集器10采集上述电流和电压，输入MCU控制器6中进行处理，计算出工作电极的腐蚀速率。

在一个实施例中，MCU控制器6对信号进行相关积分，通过高频(1kHz～10kHz)正弦波测量介质电阻，通过低频正弦波(0.001Hz～0.01Hz)测量工作电极(WE)的极化电阻，最后借助于Stern-Geary公式，计算出工作电极的腐蚀速率。

在一个实施例中，还包括与MCU控制器6连接的数据存储器5以及通信接口7，MCU控制器6计算得到的测量结果保存在数据存储器10中，也可通过通信接口7上传到PC机或者无线收发器，通过GPRS无线收发器上传到internet服务器43(如图3)，实现集输管线腐蚀速率的远程监控。

在一个实施例中，还包括电源模块4，其可以输出+/-5V稳压源，并加载到整个电路的模拟部分，电源模块输出的3.3V稳压源，加载到数字电路。

在一个实施例中，还包括与MCU控制器6连接的实时时钟11，用于为所有测量数据提供日历时钟，方便数据回溯。

在一个实施例中，除腐蚀监测探头8外，上述所有电路模块均焊接在一块PCB上，并由电源模块4供电。

如图2所示，在一个实施例中，腐蚀监测探头8采用环状电极设计，探头底端为圆环状三电极，包括辅助电极(CE)23、参比电极(RE)25和工作电极(WE)24。优选地，WE、CE和RE电极可以采用与被监测管道材质相同的金属材料，另外，参比电极RE还可采用固态Ag/AgCl、高纯锌等材料，以便监测WE的自腐蚀电位。探头外壳22为一圆柱状结构，材质优选为不锈钢。辅助电极(CE)23、工作电极(WE)24和参比电极(RE)25均套接在探头外壳22上，并依次间隔排布。优选地，在电极环与探头外壳22之间还有一聚四氟乙烯绝缘环，防止上述电极与探头外壳之间形成电连接而短路。CE、WE和RE分别通过单芯导线引出到6芯连接器20。由于环状电极直接套在探头壳体侧面，在水流剪切力冲击下，易将电极表面粘附的油污带走，因而可防止油污的累积；其次，各相邻电极环间距小于1.0mm，这样即使有油污覆盖，油膜下微量的薄液膜也可在电极之间形成良好的导电通路，防止因导电不良造成的腐蚀监测数据的剧烈变化。

在一个实施例中，探头与管道的连接采用NPT锥螺纹丝扣21连接，该锥螺纹丝扣21与管道底座可以实现紧密配合，可以耐10MPa的管内压力。

参见图3，集输管线的来水通过油水分离器31进入到污水储罐36中，将腐蚀监测探头8安装到污水储罐36的出口管上，再通过电缆将信号引入到腐蚀监测装置34，腐蚀监测装置34由太阳能电池板33供电，其测量的腐蚀速率优选通过GPRS收发器37发送到internet网络服务器44(图3)，并自动将腐蚀速率写入服务器数据库中。由于来水水质变化，导致腐蚀速率数据也随之变化，当腐蚀速率超过规定值(一般为0.076mm/a)，服务器内的模糊控制程序将自动跟踪腐蚀速率变化值，并根据腐蚀速率—缓蚀剂浓度曲线，来计算出缓蚀剂的加药浓度，然后将该加注浓度转换为数字信号发往无线收发器37。无线收发器37再将数字信号转换为变频器控制指令，来调整变频器38的输出频率，继而改变加药泵39活塞的往复频率，调整缓蚀剂的加注量。40为缓蚀剂贮罐，其侧面安装有数字液位计，液位信息将通过无线收发器37发往监控服务器43(见图3)，当贮罐内的液位低于设定值(10％满程)自动报警，提示现场增加贮罐内的缓蚀剂储量。

参见图3，腐蚀监测装置34测得的腐蚀速率通过GPRS无线收发器37发送到Internet网络45，然后网络服务器44将现场腐蚀速率数据保存到数据库中，授权用户通过终端计算机41、集线器42连接到服务器44，最后通过防火墙43实时访问现场测量数据，并可以通过浏览器窗口修改腐蚀监测装置34的测量参数以及缓蚀剂的加注速率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种油气田管线腐蚀监测装置，其安装于回注污水管道上，用于实现管道的腐蚀监测，包括用于信号处理与数据分析的MCU控制器(6)，以及依次电连接的信号发生器(3)，恒电位电路(2)，功率放大器(1)，腐蚀监测探头(8)低通滤波器(9)和A/D数据采集器(10)，其中，

所述腐蚀监测探头(8)用于伸入回注污水管道中与污水接触，所述MCU控制器(6)分别与所述信号发生器(3)和A/D数据采集器(10)电连接，该MCU控制器(6)用于将波形数据发送到信号发生器(3)以产生一定频率的正弦波，该正弦波用于加载到恒电位电路(2)形成极化电流并通过所述功率放大器(1)输出到所述腐蚀监测探头(8)，腐蚀监测探头8的极化电位和极化电流通过低通滤波器(9)滤波后送入A/D数据采集器(10)进行采集，并由所述MCU控制器(6)对采集的电位与电流数据进行处理，即可获得介质电阻、工作电极的极化电阻，进而计算出工作电极的腐蚀速率，从而实现管道的腐蚀监测。

2.根据权利要求1所述的一种油气田管线腐蚀监测装置，其中，所述功率放大器1通过电缆与所述腐蚀监测探头(8)的辅助电极连接，所述极化电流输出至所述辅助电极上。

3.根据权利要求1或2所述的一种油气田管线腐蚀监测装置，其中，所述腐蚀监测探头(8)的参比电极与恒电位电路(2)电连接，该参比电极输出的电压信号反馈到该恒电位电路(2)，用于维持腐蚀监测探头(8)的参比电极与工作电极之间的电压恒定，所述输入低通滤波器(9)的极化电位通过该恒电位电路(2)提供。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种油气田管线腐蚀监测装置，其中，所述腐蚀监测探头(8)的底端为圆环状三电极，包括辅助电极(23)、参比电极(25)和工作电极(24)，其分别套接在探头外壳(22)上，并依次间隔排布，各相邻电极环间距小于1.0mm。

5.根据权利要求4所述的一种油气田管线腐蚀监测装置，其中，所述辅助电极23、参比电极(25)和工作电极(24)可以采用与被监测管道材质相同的金属材料，所述参比电极(25)还可采用固态Ag/AgCl、或者高纯锌材料，以便监测工作电极的自腐蚀电位。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种油气田管线腐蚀监测装置，其中，还包括与所述MCU控制器(6)连接的数据存储器(5)和/或通信接口(7)，上述MCU控制器(6)计算得到的测量结果可保存在数据存储器(10)中和/或通过与通信接口(7)相接的无线收发器(37)上传到网络服务器(44)。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种油气田管线腐蚀监测装置，其中，所述油气田管线腐蚀监测装置为多个，分布于油气田管线上的多个监测点，从而形成腐蚀监测网络，以实现腐蚀速率的动态趋势监测。

8.一种缓蚀剂加注装置，其用于对油气田集输管线加注缓蚀剂，其特征在于，其包括收发器(37)、变频器(38)和加药泵(39)，其中所述收发器用于接收缓蚀剂的加药浓度，并作为变频器(38)的控制指令，其中所述缓蚀剂的加药浓度根据监测到的腐蚀速率得到，使得所述变频器可对加药泵(39)的频率进行实时控制和调整，从而实现可实时动态调整缓蚀剂的加注量。

9.根据权利要求8所述的一种缓蚀剂加注装置，其中，所述监测到的腐蚀速率通过权利要求1-7中任一项所述的油气田管线腐蚀监测装置得到。

10.根据权利要求8或9所述的一种缓蚀剂加注装置，其中，可通过建立加药浓度与腐蚀速率对应关系曲线，从而根据腐蚀速率来计算缓蚀剂的加药浓度。