CN113820362A - 一种无线无源电阻腐蚀监测方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线无源电阻腐蚀监测方法与系统，其技术方案要点是：包括以下步骤：将制备的柔性腐蚀探针随管道加工时嵌入管道的保护层和加强层之间；所述柔性腐蚀探针构成包含电感线圈LR用于和检测探头端电感线圈LT形成互感线圈，进行无线无源内部腐蚀信息获取；以及作为敏感元件的特制多条电阻，所述多条电阻可随管道腐蚀的进行而使电阻逐渐增大；选择服役环境，并腐蚀一定的周期。本无线无源电阻腐蚀监测方法与系统，能够用于无接触地检测单个管道或设备腐蚀事件，监视经过一段时间的管道或设备的整合腐蚀速率；具有不需要开孔破坏管道原始结构、能够非接触获得探针数据的优点。
Description
技术领域
本发明涉及管道腐蚀检测领域，尤其涉及一种无线无源电阻探针管道腐蚀检测方法和系统。
背景技术
随着人类对能源需求的不断增长，能源的储存和运输安全越来越受到重视。其中油气管道的防腐蚀更是重中之重。在实际使用过程当中，很多因素都会直接导致管道的腐蚀。因此，部分设备管道在制造的过程中即加入外保护层来保障油气运输管道的防腐安全性。因近年来大量炼制高硫原油，油气田管线在日常生产运输中，一方面含有大量的氯离子、二氧化碳、硫化氢、溶解氧、细菌等腐蚀介质，会使管道发生内部腐蚀，另一方面管道外界的潮湿、高温等复杂环境会使管道的外保护层失效，进而对管道产生严重的腐蚀。
常用的管道腐蚀监测方式有挂片法、电阻探针法、电化学法、磁感法等。由于电阻探针法适用于电解质和非电解质的腐蚀介质，并且成本低廉，在油田等方面得到了广泛的应用。其原理为金属在腐蚀过程中产生的腐蚀产物(如金属氧化物等)多为不导电物质。如果对一金属片通入电流，那么随着腐蚀的进行，其通电金属片厚度将减小，从而使得其通电电阻增大。通过测量金属试片在腐蚀过程中的电阻变化就能获得腐蚀损耗和腐蚀速率数据。电阻探针法源于20世纪50年代，该时期通过合理调整探针结构，提高了探针的分辨率和灵敏度。21世纪初期以后，将镀膜技术引入到电阻探针材料制备中，用磁控溅射技术来制备探针材料，大大减小了电阻探针金属试片的厚度，增大了起始电阻，在提高探针测量精度和稳定性方面取得了许多进展。
在现有的管道电阻探针腐蚀监测技术中，由于电阻探针的敏感元件需要依附于探针杆上，数据传输线的一端要连接于敏感元件，另一端要通过航空接头连接于外部监测设备，这就需要在现场工艺管线上开孔，并且用法兰连接，不仅对管道原始结构造成了较大的破坏，而且占用了大量的空间，不适用于处于狭窄空间的管道监测。另一方面，目前的在线电阻探针腐蚀监测系统大多采用总线传输技术进行数据传输，需要在设备监测点位置与监控室之间铺设数据传输电缆，这就会受到诸多限制，如总线长度、连接监测设备的数量等，往往在一个现场中需要铺设多条数据传输总线电缆才能满足腐蚀监测系统的需求，造成了大量人力物力的浪费。
因此，有必要提出一种不需要开孔破坏管道原始结构、占用体积小、非接触获得探针数据的无线电阻探针监测方法及系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线无源电阻腐蚀监测方法与系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种无线无源电阻腐蚀监测方法，包括以下步骤：
S101、制备嵌有柔性腐蚀探针的待测管道；
S102、利用柔性检测探头包裹于管道外壁接收在幅值为Ui的连续n个频率激励下电阻两端的电压值Uo；
S103、对所述n个点求每个频率下的电压增益，G＝10log10(Uo/Ui)；
S104、绘制采样点-增益曲线图；
S105、综合考虑曲线特征，确定腐蚀程度。
较佳的，当所述探头包覆位置已腐蚀一定周期，接受检测探头R1两端的检测信号，包括：在每个腐蚀周期Ti均获取各个激励频率(f1<f2<……<fn-1<fn) 处探头电阻R1两端产生的检测信号电压值(U1i、U2i、……、U(n-1)i、Uni)，用于绘制不同腐蚀周期的增益-采样点曲线图。
较佳的，对所述检测信号电压值求关于输入电压的的增益G，包括：对基于固定互感线圈间距下检测探头端受嵌入管道的探针主体电阻变化而获取的响应信号电压值求增益；包括借助labview软件控件获取检测信号电压值和 matlab软件编程对检测信号求增益；绘制所述增益-采样点曲线图，并确定嵌入电阻的增大值，从而反应腐蚀程度。
较佳的，所述S101制备嵌有柔性腐蚀探针的待测管道，并选择服役环境时，将制备的柔性腐蚀探针随管道加工时嵌入管道的保护层和加强层之间。
较佳的，所述S102利用柔性检测探头包裹于管道外壁接收在幅值为V1的连续n个频率激励下电阻两端的电压值Un时，所述柔性腐蚀探针构成包含电感线圈LR，用于和检测探头端电感线圈LT形成互感线圈，进行无线无源内部腐蚀信息获取；以及作为敏感元件的特制多条电阻，所述多条电阻可随管道腐蚀的进行而使多条电阻的电阻逐渐增大。
较佳的，所述S103对所述n个点求每个频率下的电压增益，G＝10log10(Uo/ Ui)时，选择服役环境，并腐蚀一定的周期，将柔性检测探头包覆于管道的待检测位置，以此确定一个固定的互感线圈间距H1，在基于固定互感线圈间距下检测探头端受嵌入管道的探针主体电阻变化而获取的响应信号包含有限个连续增大的检测频率，在(f1<f2<……<fn-1<fn)处探头电阻R1两端产生的检测信号电压值(U1、U2、……、Un-1、Un)；定义增益G＝10log10(U0/Ui)，分别计算腐蚀不同程度、不同敏感元件电阻下增益的大小；采样点选取为等间距变化的处理；采样点选取s个。
较佳的，所述S104绘制采样点-增益曲线图时，对所述固定线圈间距H1下的检测信号电压值Un计算关于激励电压V1的增益G，并绘制增益G关于采样点数的曲线；所述S105综合考虑曲线特征，确定腐蚀程度时，利用获得的增益数据，绘制所述检测信号电压值绘制增益-采样点的曲线图，并确定嵌入电阻的增大值，从而反应腐蚀程度。
较佳的，所述S103中，采样点选取为等间距变化的处理，并根据所嵌入电阻串的特性决定；所述S103中，采样点选取s个，根据所需画图分辨率决定，并大于1000。
本发明还提供了一种无线无源电阻腐蚀监测系统，包括上述任一步骤所包含的设备。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本无线无源电阻腐蚀监测方法与系统能够用于无接触地检测单个管道或设备腐蚀事件，监视经过一段时间的管道或设备的整合腐蚀速率；具有不需要开孔破坏管道原始结构、占用体积小、能够非接触获得探针数据的优点。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的基于互感效应的无线无源腐蚀监测方法示意图；
图2本发明提供的腐蚀探针在背景技术提供的含外保护层的多层管道中嵌入结构示意图；
图3为本发明发明内容提供的柔性腐蚀探针在多层管道中嵌入结构的截面示意图；
图4为本发明发明内容提供的无线无源腐蚀监测方法电路的基本原理图；
图5为本发明实施例一提供的特制敏感元件多条电阻的示意图；
图6为本发明实施例二提供的基于上述采样点数处增益G的曲线图；
附图标记：1、内衬层；2、加强层；3、腐蚀探针主体；4、外保护层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1描绘的是腐蚀探针主体在典型的含外保护层管道中的内嵌式结构示意图。这种内嵌安装方法在管道制造时即完成，避免了现场对检测管道打孔并用法兰连接数据传输系统的情况，对管道强度损伤小、占用空间少，适用于狭窄区域的管道腐蚀检测。
在图1中，该典型结构包括：内衬层1，加强层2，外保护层4。而腐蚀探针主体3，预先嵌入于外保护层4与加强层2之间。根据感兴趣的腐蚀监测部位，可以将传感器沿周向或轴向安装，达到不同的监测目的。
图3给出的是本发明方法提供的无线无源检测电路的基本原理图。左侧为检测探头端，包含信号发生器V1，用于产生各个频率的交流正弦激励信号；固定电阻R1，作为检测信号的输出端，以及电感线圈LT。右侧为嵌入管道的探针主体，包含电感线圈LR，用于和检测探头端电感线圈LT形成互感线圈，进行无线无源内部腐蚀信息获取。以及作为敏感元件的特制多条电阻。
特别的，图4是上述特制敏感元件多条电阻的示意图，其原始电阻R0，可以由其电阻条数以及各条电阻线的长度，粗细决定，根据需求可以自己定义电阻R0的大小。其中除去接入电路的方形部分外，其余电阻条均为管道内衬层相同材料制成的不含防腐蚀层的暴露导线。初始状态时，该敏感元件的电阻值为R0，当外部复杂环境导致管道的外防护层失效或管道从内部腐蚀导致加强层破裂时，所述暴露导线会被逐渐腐蚀，导致整个嵌入探针的电阻发生变换，变换后的电阻为R0+ΔR。
在本发明实施例中，所述方法应用时，均确保多次使用互感法测量检测探头电阻R1两端信号时，激励探头与嵌入探针主体的电感线圈间距不变。根据互感电路原理，当嵌入管道的探针主体中敏感元件发生电阻变化时，必然导致该端阻抗发生变化，进一步通过互感效应反应到检测探头端，为了放大信号的可观测性，采用测量不同频率激励下的电阻R1两端的响应信号U0。基于固定互感线圈间距下检测探头端受嵌入管道的探针主体电阻变化而获取的响应信号包含有限个连续增大的检测频率(f1<f2<……<fn-1<fn)处探头产生的检测信号电压值(U1、U2、……、Un-1、Un)。通过对所获取电压信号进行后续处理与分析，即可定量分析暴露线圈的腐蚀程度，完成对管道的无线无源腐蚀监测。
实施例一
参考图1至图6，无线无源电阻腐蚀监测方法，包括以下步骤：S101，制备安装有柔性腐蚀探针的待测管道，并选择服役环境。
具体的，所述柔性腐蚀探针的构成包含电感线圈LR，用于和检测探头端电感线圈LT形成互感线圈，进行无线无源内部腐蚀信息获取。以及作为敏感元件的特制多条电阻。所述管柔性探针预先嵌入于管道外保护层4与加强层2 之间，可随管道腐蚀的进行而其多条电阻的电阻逐渐增大。
S102，将柔性检测探头包覆于管道的待检测位置，以此确定一个固定的互感线圈间距H1，采集收在幅值为Ui的连续n个频率激励下电阻两端的电压值Un。
具体的，在基于固定互感线圈间距下检测探头端受嵌入管道的探针主体电阻变化而获取的响应信号包含有限个连续增大的检测频率(f1<f2<…… <fn-1<fn)处探头电阻R1两端产生的检测信号电压值(U1、U2、……、Un-1、Un)。
S103，定义增益G＝10log10(Uo/Ui)，根据102所述方法获取的电阻两端电压信号Ui以及激励信号的幅值分别计算不同敏感元件电阻下增益的大小。
具体的，采样点选取为等间距变化的从处理(根据所嵌入电阻串的特性决定)，采样点选取s个(根据所需画图分辨率决定，一般应大于1000)对所述固定线圈间距H1下的检测信号电压值Un计算关于激励电压Ui的增益G，并绘制增益G关于采样点数(即不同的激励频率)的曲线。
S104，利用S103中获得的增益数据，绘制所述检测信号电压值绘制增益 -采样点曲线图，并确定嵌入电阻的增大值，从而反应腐蚀程度。
优选的，该图像的绘制，电压信号可以借助labview软件控件获取和利用matlab软件编程对检测信号求增益G。并用Origin软件来绘制增益-采样点曲线，综合考虑曲线的特征，增益随电阻变化的趋势及规律，确定腐蚀程度。
本发明提供的无线无源电阻探针管道腐蚀检测方法，设计了一种包含电感线圈的嵌入式电阻探针，其原始电阻R0，可以由其电阻条数以及各条电阻线的长度，粗细决定，根据需求可以自己定义电阻R0的大小。其中除去接入电路的方形部分外，其余电阻条均为管道内衬层相同材料制成的不含防腐蚀层的暴露导线。初始状态时，该敏感元件的电阻值为R0，当外部复杂环境导致管道的外防护层失效或管道从内部腐蚀导致加强层破裂时，所述暴露导线会被逐渐腐蚀，导致整个嵌入探针的电阻发生变换，变换后的电阻为R0+ΔR。通过同样包含电感线圈的外部检测探头与该新型嵌入探针形成互感，从而通过不同频率的激励对敏感元件电阻变化的影响进行放大和区分。并绘制出增益-采样点曲线来综合判断腐蚀发生的程度。
与现有的管道电阻探针腐蚀监测技术相比，本发明提供的技术不需要开孔破坏管道原始结构，占用体积小，并且能非接触获得探针数据。可以根据服役环境综合考虑不同的表征电阻组合，能线性或非线性的表征腐蚀速度，确定管道腐蚀情况。
实施例二
基于实施例一提供的无线无源电阻探针管道腐蚀检测方法，本实施例给出了互感线圈间距H1和激励频率、采样点数为具体数值的实验实施方法，以验证该方法的有效性。
采用的分析工具为Network Analyzer，所述激励频率为1kHz至12MHz，获取所述频率范围之间等距变化的1000个采样点频率(f1<f2<……<fn-1<fn)， n＝1000(f1＝1000Hz、f2＝13011Hz、f3＝25022Hz、……f1000＝11.9MHz)。结果如图6所示。为方便进行验证，实验时在检测探头和嵌入电阻探针主体之间放置有机玻璃以模拟管道外保护层，并选用可变电阻器模拟腐蚀导致的电阻变化，电阻变化选取5次，分别为1.6Ω、4.6Ω、12Ω、21Ω、28.9Ω。
根据图6可以看出，当电阻一定时，增益均会随激励频率的变化而发生规律性的变化，5种电阻情况下，均在采样点300至600之间差异明显(对应激励频率3.6MHz至7.2MHz)，且随着电阻的不断增大，该区间内增益的值会依次变大。而在左侧采样点处(较低频率)或右侧采样点处(较高频率)变化趋势正好相反，电阻大的增益反而小。
可以认为本发明提供的基于无线无源电阻探针管道腐蚀检测方法可以完成对管道腐蚀情况进行监测。
实施例三
一种无线无源电阻腐蚀监测方法，包括以下步骤：
S101、制备嵌有柔性腐蚀探针的待测管道；
S102、利用柔性检测探头包裹于管道外壁接收在幅值为Ui的连续n个频率激励下电阻两端的电压值Uo；
S103、对所述n个点求每个频率下的电压增益，G＝10log10(Uo/Ui)；
S104、绘制采样点-增益曲线图；
S105、综合考虑曲线特征，确定腐蚀程度。
其中，当所述探头包覆位置已腐蚀一定周期，接受检测探头R1两端的检测信号，包括：在每个腐蚀周期Ti均获取各个激励频率(f1<f2<……<fn-1<fn) 处探头电阻R1两端产生的检测信号电压值(U1i、U2i、……、U(n-1)i、Uni)，用于绘制不同腐蚀周期的增益-采样点曲线图。
其中，对所述检测信号电压值求关于输入电压的的增益G，包括：对基于固定互感线圈间距下检测探头端受嵌入管道的探针主体电阻变化而获取的响应信号电压值求增益；包括借助labview软件控件获取检测信号电压值和 matlab软件编程对检测信号求增益；绘制所述增益-采样点曲线图，并确定嵌入电阻的增大值，从而反应腐蚀程度。
其中，所述S101制备嵌有柔性腐蚀探针的待测管道，并选择服役环境时，将制备的柔性腐蚀探针随管道加工时嵌入管道的保护层和加强层之间。
其中，所述S102利用柔性检测探头包裹于管道外壁接收在幅值为V1的连续n个频率激励下电阻两端的电压值Un时，所述柔性腐蚀探针构成包含电感线圈LR用于和检测探头端电感线圈LT形成互感线圈，进行无线无源内部腐蚀信息获取；以及作为敏感元件的特制多条电阻，所述多条电阻可随管道腐蚀的进行而使电阻逐渐增大。
其中，所述S103对所述n个点求每个频率下的电压增益，G＝10log10(Uo/Ui) 时，选择服役环境，并腐蚀一定的周期，将柔性检测探头包覆于管道的待检测位置，以此确定一个固定的互感线圈间距H1，在基于固定互感线圈间距下检测探头端受嵌入管道的探针主体电阻变化而获取的响应信号包含有限个连续增大的检测频率，在(f1<f2<……<fn-1<fn)处探头电阻R1两端产生的检测信号电压值(U1、U2、……、Un-1、Un)；定义增益G＝10log10(Uo/Ui)，分别计算腐蚀不同程度、不同敏感元件电阻下增益的大小；采样点选取为等间距变化的处理；采样点选取s个。
其中，所述S104绘制采样点-增益曲线图时，对所述固定线圈间距H1下的检测信号电压值Uo计算关于激励电压Ui的增益G，并绘制增益G关于采样点数的曲线；所述S105综合考虑曲线特征，确定腐蚀程度时，利用获得的增益数据，绘制所述检测信号电压值绘制增益-采样点的曲线图，并确定嵌入电阻的增大值，从而反应腐蚀程度。
其中，所述S103中，采样点选取为等间距变化的处理，并根据所嵌入电阻串的特性决定；所述S103中，采样点选取s个，根据所需画图分辨率决定，并大于1000。
本实施例还提供了一种无线无源电阻腐蚀监测系统，包括上述任一步骤所包含的设备。
其中，本无线无源电阻腐蚀监测方法与系统能够用于无接触地检测单个管道或设备腐蚀事件，监视经过一段时间的管道或设备的整合腐蚀速率；具有不需要开孔破坏管道原始结构、占用体积小、能够非接触获得探针数据的优点。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种无线无源电阻腐蚀监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S101、制备嵌有柔性腐蚀探针的待测管道；
S102、利用柔性检测探头包裹于管道外壁接收在幅值为Ui的连续n个频率激励下电阻两端的电压值Uo；
S103、对所述n个点求每个频率(采样点)下的电压增益，G＝10log10(Uo/Ui)；
S104、绘制采样点-增益曲线图；
S105、综合考虑曲线特征，确定腐蚀程度。
2.根据权利要求1所述的一种无线无源电阻腐蚀监测方法，其特征在于：当所述探头包覆位置已腐蚀一定周期，接收检测探头R1两端的检测信号，包括：在每个腐蚀周期Ti均获取各个激励频率(f1<f2<……<fn-1<fn)处探头电阻R1两端产生的检测信号电压值(U1i、U2i、……、U(n-1)i、Uni)，用于绘制不同腐蚀周期的增益-采样点曲线图。
3.根据权利要求2所述的一种无线无源电阻腐蚀监测方法，其特征在于：对所述检测信号电压值求关于输入电压的的增益G，包括：对基于固定互感线圈间距下检测探头端受嵌入管道的探针主体电阻变化而获取的响应信号电压值求增益；包括借助labview软件控件获取检测信号电压值和matlab软件编程对检测信号求增益；绘制所述增益-采样点曲线图，并确定嵌入电阻的增大值，从而反应腐蚀程度。
4.根据权利要求1所述的一种无线无源电阻腐蚀监测方法，其特征在于：所述S101制备嵌有柔性腐蚀探针的待测管道，并选择服役环境时，将制备的柔性腐蚀探针随管道加工时嵌入管道的保护层和加强层之间。
5.根据权利要求1所述的一种无线无源电阻腐蚀监测方法，其特征在于：所述S102利用柔性检测探头包裹于管道外壁接收在幅值为Ui的连续n个频率激励下电阻两端的电压值Uo时，所述柔性腐蚀探针构成包含电感线圈LR用于和检测探头端电感线圈LT形成互感线圈，进行无线无源内部腐蚀信息获取；以及作为敏感元件的特制多条电阻，所述多条电阻可随管道腐蚀的进行而使电阻逐渐增大。
6.根据权利要求1所述的一种无线无源电阻腐蚀监测方法，其特征在于：所述S103对所述n个点求每个频率下的电压增益，G＝10log10(Uo/Ui)时，选择服役环境，并腐蚀一定的周期，将柔性检测探头包覆于管道的待检测位置，以此确定一个固定的互感线圈间距H1，在基于固定互感线圈间距下检测探头端受嵌入管道的探针主体电阻变化而获取的响应信号包含有限个连续增大的检测频率，在(f1<f2<……<fn-1<fn)处探头电阻R1两端产生的检测信号电压值(U1、U2、……、Un-1、Un)；定义增益G＝10log10(U0/Ui)，分别计算腐蚀不同程度、不同敏感元件电阻下增益的大小；采样点选取为等间距变化的处理；采样点选取s个。
7.根据权利要求1所述的一种无线无源电阻腐蚀监测方法，其特征在于：所述S104绘制采样点-增益曲线图时，对所述固定线圈间距H1下的检测信号电压值UO计算关于激励电压Ui的增益G，并绘制增益G关于采样点数的曲线；所述S105综合考虑曲线特征，确定腐蚀程度时，利用获得的增益数据，绘制所述检测信号电压值绘制增益-采样点的曲线图，并确定嵌入电阻的增大值，从而反应腐蚀程度。
8.根据权利要求6所述的一种无线无源电阻腐蚀监测方法，其特征在于：所述S103中，采样点选取为等间距变化的处理，并根据所嵌入多条电阻的特性决定；所述S103中，采样点选取s个，根据所需画图分辨率决定，并大于1000。
9.一种无线无源电阻腐蚀监测系统，其特征在于：包括上述任一项所包含的设备。
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