超声波壁厚在线监测系统在高酸气田的应用

马文明 张中意 尚晓培 张佳

1中国石化中原油田普光分公司采气厂

2渤海钻探工程有限公司华北石油工程事业部

普光气田属于高含硫气田，集输工艺采用湿气混输工艺，对集输管道易造成腐蚀。为强化对集输管线腐蚀速率的监测，普光气田采用人工壁厚检测（劳动强度大）、电指纹（FSM）监测系统（不适用于低洼等易积水部位）、腐蚀挂片（应用于集气站）等手段对管线重点部位的腐蚀速率进行监控；同时每3年对集输管线进行一次智能检测，即对管道的腐蚀状况进行一次全面检测。为克服上述监测系统存在的不足，进一步完善集输管道腐蚀监测系统，在集输管道关键部位（如弯头处、低洼易积液部位等）应用超声波壁厚在线监测系统对管线壁厚进行实时监测，对集输管道的低洼部位、冲刷部位的电化学腐蚀进行在线监测[1-2]。本文通过对超声波壁厚在线监测系统在普光气田的现场应用情况进行分析，对超声波壁厚监测系统的现场应用效果做出有效评价，为酸性气田集输管道的防腐提供了必要的数据支撑。

1 系统原理

1.1 测厚原理

常规的超声测厚采用发射-回波的方式，这种测量模式要求被测试件表面达到较高的表面粗糙度等级，漆层或类似涂层的存在会产生测量错误，其主要原因是声波在漆层或涂层中的传播速度较低（相对于在金属相中的传播速度而言），使壁厚测量值与实际值的误差超过2 倍的漆层厚度[3]，如图1所示。

图1 发射-回波模式测厚原理Fig.1 Launch-echo mode thickness measurement principle

为了提高测量精度，降低超声测厚（发射-回波模式）对被检设备表面粗糙度等级的要求，本系统中采用超声回波-回波模式测量管壁厚度。回波-回波模式测厚的原理如图2所示。

图2 回波-回波模式测厚原理Fig.2 Echo-echo mode thickness measurement principle

回波-回波测量壁厚主要是应用两个相邻底面回波间的时间间隔来表征计算金属基体的壁厚，这个时间间隔代表了透过检测材料的声波的连续往返行程时间。在有涂层或者表面处理不够好的被测设备中，这些多次回波只能发生在金属中而不是涂层中，因此用任何一对回波的间隔（底面回波1 到2、底面回波2 到3 等），就可表征已去除涂层厚度后的金属厚度。

超声脉冲回波测厚是根据超声脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度[4]。

试件的厚度δ计算公式为

式中：t1为超声波从物体外表面反射回来所用的时间，μs；t2为超声波从物体内表面反射回来的时间，μs；c为超声波在被测物体中的传播速度，mm/μs。

常温条件下，进行管壁外侧有涂层/无涂层测厚结果的对比研究，回波-回波模式下测得的时间是往返时间，超声波在钢铁中传播速度约为5.92 mm/μs，对比结果如表1所示。

表1 不同测量模式下壁厚测量时间对比Tab.1 Comparison of wall thickness measurement time with different measurement mode

由表1可知，在常温下，发射-回波测量模式有涂层、无涂层测试时间差为1.1 μs，换算成测试厚度误差为3.26 mm。而回波-回波测量模式能够有效避免涂层对壁厚测量的影响，相对发射-回波测量模式，大大提高了壁厚测量的精度。

同时，为检验在不同环境下回波-回波测量模式的测量精确度，分别在低温、常温、高温三种模式下进行壁厚检测试验，结果如表2所示。

表2 与传统测厚解决方案的比较Tab.2 Comparison with traditional thickness measurement solutions

由表2 可知，回波-回波测量模式在低温、常温、高温环境下，壁厚测量结果一致，不同环境下的测量误差为0，说明此模式能够适用于不同的测量环境。而传统的发射-回波测量模式在低温、常温环境中的测量时间误差为0.20 μs，厚度误差为0.592 mm；在常温、高温环境中的测量时间误差为0.40 μs，厚度误差为1.184 mm；在低温、高温环境中的测量时间误差为0.60 μs，厚度误差为1.776 mm，适用性不强。

1.2 监测系统

管道壁厚在线监测系统包括超声测厚传感器、无线多通道超声测厚传感器监测网络节点、GPRS远程无线数据汇聚节点通信模块和腐蚀在线监测系统软件。超声测厚传感器用于测量管道的壁厚，无线多通道超声传感器网络监测节点周期性地采集传感器测量壁厚数据，GPRS 远程无线模块将壁厚数据发送到汇聚节点，开启定期自动唤醒功能，完成壁厚数据的采集、发送后，自动进入休眠状态[5-7]。GPRS 远程无线数据汇聚节点通信模块可实现自动接收现场无线传感器的壁厚监测数据，并通过通信线将数据传输至在线监测系统，保存在数据库内。汇聚节点与服务器通过串口相连，采用电源供电。腐蚀在线监测系统软件主要用于提供壁厚数据的浏览、查询及统计分析等功能，同时还具有事件报警功能，可针对设定的壁厚阈值、无线多通道超声传感器监测网络节点电量阈值进行报警。

上位机监控系统采用三层网络分布式架构，如图3所示。

图3 网络分布式架构Fig.3 Network distributed architecture

数据采集层是由分布在整个油气集输管道内的信号采集子系统组成，各个采集子系统收集地理范围分布较广的标定管道位置的物理参数数据。各个采集子系统彼此独立，通过无线方式，与唯一的采集汇聚节点建立连接，将实时数据上送服务中心。

数据处理层由数据处理子系统和Internet 访问展示子系统组成。计算存储中心服务是本系统运行的核心。作为软件架构中承上启下的部分，该服务维护与下位数据采集服务的连接；实时完成数据的处理，转发需要保存的数据至Sql 数据库；通过订阅发布列表，动态推送数据至展示分析客户端。从软件部署上来说，存储服务器也就是Sql Server 数据库，可以部署在本中心服务所在计算机上，也可以部署在其他本局域网内计算机上。存储同时，中心服务还具备运行配置、用户管理等辅助功能。Web发布服务是本系统对远程互联网用户访问的接口和数据源，其核心处理机制和架构与配置计算中心服务类似。在不追求完全分布式服务器部署的情况下，可以选择将Web发布服务和配置计算中心服务合并。

应用展示层可以部署在局域网内的工程师站，或者部署在公网的Web工程师站。部署在局域网内的工程师站上的是展示分析客户端，部署在公网内的Web工程师站上的是基于浏览器B/S架构的展示客户端控件。客户端能够提供整体展示、实时数据展示、历史数据展示、报警操作、报表打印等功能。整个展示系统测控功能齐全，画面、报表丰富多彩，方便现场操作人员使用和技术维护。

2 现场应用

2.1 调试安装

在普光气田的集输管道安装超声波壁厚在线监测系统进行现场应用试验，选取集输管道的6个重点部位进行安装，其中阀室3处、管线低洼处观察井1 处、管道弯头2 处，超声波壁厚在线监测系统安装情况如表3 所示。每处安装9 个超声波探头，分别分布在管道圆周的12 点、2 点、3 点、4 点、6 点、7 点、8 点、9 点、10 点钟方向。超声波探头安装示意图如图4所示。

表3 管道壁厚在线监测位置分布点Tab.3 Online monitoring location distribution point of pipe wall thickness

图4 超声波探头安装示意图Fig.4 Installation diagram of ultrasonic probe

现场安装时将管道外防腐层拆掉，清除外壁上的发泡剂，将管道外壁清理平整，利用工业粘合剂将超声波探头固定在管道外壁上，并对管道拆除外防腐层位置进行防水处理，防止裸露部分被腐蚀。现场超声波探头安装如图5所示。

图5 现场安装超声波探头Fig.4 Field installation of ultrasonic probe

2.2 系统运行

现场安装超声波探头、GPRS 远程无线数据汇聚节点通信模块后，系统可以实现定期采集管道壁厚数据，并通过无线电将数据传输至云端服务器[8-9]，在网络界面进行数据的查看及下载。

2018 年12 月，超声波壁厚在线监测系统安装调试完成后，系统运行至今未出现故障，设备完好率100%，采集数据传输正常。超声波云端数据采集与监测界面如图6所示。

为检测超声波壁厚在线监测系统采集数据的准确性，每月对6处监测部位的管道壁厚进行一次人工检测（选取3、6、9 点钟方向进行壁厚检测），并将系统采集的数据和人工检测的数据进行对比，以验证超声波壁厚在线监测系统运行的准确性。

从表4可以看出，后河跨越1#线超声波壁厚在线监测系统1—6 月份采集的数据与人工检测的壁厚数据吻合度很高，最大绝对误差为0.83%，最小绝对误差为0.07%；其中3 点钟方向监测数据平均误差-0.29%，6 点钟方向监测数据平均误差-0.02%，9点钟方向监测数据平均误差0.12%。

从表5可以看出，后河跨越2#线超声波壁厚在线监测系统1—6 月份采集的数据与人工检测的壁厚数据吻合度很高，最大绝对误差为0.99%，最小绝对误差0.01%；其中3 点钟方向监测数据平均误差-0.26%，6点钟方向监测数据平均误差-0.59%，9点钟方向监测数据平均误差0.01%。

图6 超声波壁厚监测系统云端显示界面Fig.6 Cloud display interface of ultrasonic wall thickness monitoring system

表4 后河跨越1#线管线壁厚检测数据对比Tab.4 Pipeline wall thickness detection data comparison of Houhe crossing 1#line

表5 后河跨越2#线管线壁厚检测数据对比Tab.5 Pipeline wall thickness detection data comparison of Houhe crossing 2#line

其他4处监测点的系统监测数据和人工检测数据误差统计表表6。

根据对比数据可知，超声波壁厚在线监测系统壁厚检测数据与人工检测数据吻合度很高，平均误差均小于1%，说明超声波壁厚在线监测系统运行准确率较高，能够完全适应现场的壁厚检测环境，可为集输管道的防腐工作提供重要的基础数据[10]。

表6 监测部位壁厚数据误差统计Tab.6 Wall thickness data error statistics of monitoring part %

3 结论

（1）回波-回波式超声波测厚模式具有测量精度高、环境适用性强，受管道表面涂层影响小的优点。

（2）实现了管道壁厚的在线实时监测，一方面能够减少人工劳动强度，增强工作效率，另一方面能够实现管道壁厚连续不间断监测。

（3）超声波壁厚在线监测系统适用于酸性高含硫气田，系统监测数据准确率达到99%以上，能够为集输管道的防腐工作提供可靠的基础数据。

（4）超声波壁厚在线监测系统采用无线电传输技术，采用云端控制显示，数据采集方便，现场投入的成本低，对现场设备设施不产生任何影响，具有较高的推广价值。