Chapter 06 在线腐蚀监测技术

1、1,chapter 06 油气田在线腐蚀监测技术,1）腐蚀挂片法 试样经过一段时间的暴露后，根据其失重或增重测量平均腐蚀速率。特点是：测试方法简单，适用于几乎任何体系，无需任何现场仪器；可以定量地测量均匀腐蚀速率；也可用于局部腐蚀的判断。,特点：仅提供平均腐蚀速率，反映不出腐蚀速率的波动。试验周期受到生产条件限制，试验周期较长，劳动强度大。,图7.腐蚀挂片装置,2,2）线性极化法,用两电极或三电极探头，通过电化学极化阻力测量腐蚀速率，通过对电位电流曲线线性回归，计算出曲线的斜率，即极化电阻rp，最后，借助于stern系数（即b值），将rp 转换为腐蚀速率。 线性极化技术可以快速测定体系的瞬时腐

2、蚀速度，适用于有适当电导率的大多数金属体系。,3,3）弱极化曲线法,线性极化技术是一种快速灵敏的、可以连续测量瞬时腐蚀速度的电化学方法。但这种技术也有其固有的局限性和缺点，如有的腐蚀体系在自腐蚀电位附近线性度不好，尤其是运用线性极化技术必须已知塔菲尔常数或stern常数b，而弱极化测量技术则不受腐蚀体系线性度限制，也无须已知tafel常数。通过非线性拟合如下方程可直接得到腐蚀速率、tafel斜率等参数。与线性极化技术类似，它也不适用于低电导率的介质（如原油）。,（1）,4,4）交流阻抗法,它可看作线性极化技术的继续和发展，在理论上它适合于多种体系。它不但可以求得极化阻力rp、微分电容cd等重要

3、参数。对于线性极化法不适宜的高电阻体系是特别有效的。 工业腐蚀监测的交流阻抗可以采用23频率点，比如一个高频10khz,一个低频0.01hz正弦波,分别涌入测量溶液电阻rs和计划电阻rp,该方法可以避免复杂的阻抗谱解析，同时又适用于高阻体系。是一种比较有发展前途的电化学监测方法。,交流阻抗谱,等效电路,5,5）电化学噪声技术,电化学噪声是指腐蚀着的电极表面所出现的一种电位或电流随机自发波动的现象。它的测量对被测体系没有扰动，可以反映材料腐蚀的真实情况。 与其他方法相比，电化学噪声法特别适合于监测点蚀、缝隙腐蚀、以及应力腐蚀开裂等局部腐蚀。而其它电化学方法则很难用于监测局部腐蚀。,6,1.原位无

4、损监测技术，在测量过程中无须对被测电极施加可能改变电极腐蚀过程的外界扰动； 2.无须预先建立被测体系的电极过程模型； 3.它无须满足阻纳的三个基本条件： (1)系统的扰动与响应之间必须具有因果关系； (2)被测系统必须是线性系统； (3)被测系统对于扰动信号是稳定的； 4.电化学噪声检测设备简单可靠，且可以实现远距离监测。,电化学噪声相对于传统腐蚀监测技术的优点,7,电化学噪声分析的统计学方法，包括方差var、标准偏差、均方根rms(root mean square)。,电化学噪声特征参数的计算,局部腐蚀指数li(localization index)来判断腐蚀发生形式及程度，并认为如果li在

5、10-3数量级，表明体系可能发生了均匀腐蚀；如果li接近于1，则是局部腐蚀。 不过近来发现，li指数并不能反映局部腐蚀情况，它只反映了两个“相同”工作电极之间腐蚀动力学的差异程度。由于噪声电流在零点附近的缓慢漂移，会使li值等于1，尽管此时发生的是典型的均匀腐蚀。,8,噪声电阻的计算,统计噪声电阻rn-同步波动的电位噪声与电流噪声的标准偏差之比 在某些情况下，噪声电阻rn可能等于极化电阻rp。这是电化学噪声电阻应用于工业腐蚀监测的理论背景。,谱噪声电阻，即对“相同”电极体系的电位和电流同时采样，经fft变换成psd后，用相同频率下的电位psd除以电流psd。,谱噪声电阻rsn(f)和极限谱噪声

6、电阻rsn(0),9,电化学噪声应用与现场腐蚀监测,1999以来，美国califomia 的lost hills油田的cahn3水处理厂进行了实时电化学噪声腐蚀监测现场试验。5个腐蚀监测电极被安装在曾经腐蚀速率为0.012511.25 mm/a的不同位置，同时进行线性极化电阻和电位噪声的测量，计算其瞬时和平均腐蚀速率，结果表明：在生产环境条件下，实时噪声腐蚀监测数据可靠，并提供了有价值的设备运行信息。 2005年，华中科技大学与四川天然气研究院合作开发了用于全面腐蚀与局部腐蚀监测的自动腐蚀监测装置，在现场试用良好，与lpr相比可以较准确地评估局部腐蚀倾向，见下图。,10,en500电化学噪声腐

7、蚀监测仪器,11,6）电阻探针法,电阻探针通过测量正在腐蚀的金属元件（金属丝或金属片）的电阻变化对金属损失进行累积测量，优点有：简单、灵敏、适用性强（在任何介质中均可使用；可在设备运行条件下定量监测腐蚀速率。特别适用于气相环境的腐蚀监测。 最近发展了一种测量电感线圈电阻(磁阻探针)的技术，具有比普通er测量更高的灵敏度。,12,电阻探针用于腐蚀监测的优势,电阻探针实际上是一个装有金属试片的探头，在腐蚀介质中，金属试片的横截面积将因腐蚀而减小，从而使其电阻增大，如果金属的腐蚀大体是均匀的，那么电阻的变化率就与金属的腐蚀量成正比，周期性地测量这种电阻，便可计算出该段时间后的总腐蚀量，从而计算出金属

8、的腐蚀速率。电阻探针仪器的优点主要有：简单、灵敏、适用性强（在任何介质中均可使用）。 由于环境介质的温度、流速、金属材料的成份和热处理以及电极表面制备等方面的偏差，或者探针表面存在的外来物质（如腐蚀产物），均会影响到测量结果的精度和可靠性。该方法也不适用于监测局部腐蚀。,13,电阻探针内部结构示意图,电阻探针测试装置采用典型的四线制测量法。以期提高测量电阻（尤其是低阻）的准确度。程控恒流源、程控前置放大器、1624bit a/d转换器构成了测量电路的主体。中央控制单元(c8051f020)通过控制恒流源给外部参考电阻rc和待测电阻rx施加一个恒定、高精度的电流，然后，将所获得的数据（包括测试电

9、压、当前的测试电流等）进行处理，得到实际参考电阻和被测电阻值，然后，测量的电流示意图如下图所示，电阻探针的实物照片见下页。,图1.电阻探针内部结构示意图,14,电阻探针的结构,为了进一步了解探针内部的接线图，采用高精度直流电桥对探针各引脚之间电阻进行测量，其测量精度可达到1.按照图1的定义， . 各探针引脚之间的连接关系（a是以插针为标号为开头，按顺时方向依次为b、c、d、e、f（单位为欧姆）,图1. 电阻探针的外观及内部示意图,i,f e d c b a,15,电阻探针温度补偿原理,其中lx, lr分别为被测电阻丝和标准电阻丝的长度，这两个物理量在整个测量过程中均不会改变；rx,rr则代表被

10、测电阻丝和参考电阻丝的半径，前者会随着腐蚀的进行而逐渐减小，挥着由于处于封闭的探头腔体内，其值不会改变，因此bx,r的增加将反映探头敏感元件（被测电阻丝的半径）的减小。 因此，在时间从t1t2这段时间内，敏感元件的腐蚀速率,据电阻探针的结构，任何电阻都是温度的函数，与温度的关系基本服从经验公式：，而碳钢丝的电阻阻值计算为：,这样被测电阻rx/参考电阻rr的比值bx,r应为：,16,影响电阻探针测量精度的因素,1）温度波动 由于温差电势和 接触电势的存在，导致及时采用开尔文电桥的方式进行精密电阻测量，也无法完全补偿温度对测量结果造成的影响，使腐蚀监测精度降低。这一点无论对于电阻探针还是磁阻探针，

11、在当前的设计中均无法解决。 2）导电性腐蚀产物 由于碳钢在h2s体系中的腐蚀产物为硫化物，而fes具有半导体的性质，随着腐蚀的进行，电阻死的电阻可能随着硫化物膜的增厚而下降，这样就无法准确测量腐蚀量。,17,电阻探针温度效应,一般金属丝的电阻值均是温度的函数，所以电阻探针内碳钢丝的电阻必然会随着温度的变化而变化，这样就必须对电阻值温度系数进行校正，一般采用与被测金属丝处于相同环境中的参考电阻丝阻值进行比较，由于二者本质上是由同一种材料所组成的，其温度系数也相同。 根据下式：uab = a(t2-t1)+ b(t2-t1) 其中t代表温度，而t则代表时间，l表示电阻丝的长度，r(t)表示碳钢或其

12、他金属丝的半径是时间的函数 虽然监测腐蚀的传感器是碳钢丝所组成，如果考虑到异种金属焊接在以其所形成的温差电偶， 则计算公式比较复杂。,图1. 电阻探针内部温度效应产生的原因分析,18,提高电阻探针测量精度,由于结点电势与化学电源一样，其电势差是有方向的，因此通过改变恒流源的电流方向，可以对节点电势进行完全补偿，通过正反向被测电阻上电压降vir,则两次测量值之和：v=(vir+）-(-vir)=2vir,从而将节点电势完全补偿掉，将测量精度提高了10倍，使腐蚀速率的分辨率可达到10nm左右。,为此，华中科技大学与长庆油田油气院合作，开发了一种全新的电阻探针腐蚀监测仪器er400，该仪器采用交流方

13、波进行测量，通过电流的换向测量来补偿节点温差电势的漂移，如下图所示。,19,安装在长庆油田某集气站er400电阻探针,20,电阻探针、磁阻探针、挂杆失重试验结果对比,g31 12井 05.11.105.11.21，06.4.606.4.26 磁阻探针监测平均腐蚀速率 0.076 0.012 电阻探针监测平均腐蚀速率 0.089 0.012 标准偏差 14% 0% g21-21井1# 05.11.1706.1.19 06.3.2106.4.27 失重挂杆平均腐蚀速率mm/a 0.012 0.004 电阻探针监测平均腐蚀速率 0.0113 0.005 标准偏差 5.8% 20% g21-21井2#

14、 05.11.1706.1.19 06.3.2106.4.2 失重挂杆平均腐蚀速率mm/a 0.012 0.0120 电阻探针监测平均腐蚀速率 0.012 0.0115 标准偏差 0% 4.2%,21,远程腐蚀监控技术,远程监控系统在油田的应用领域 油井的遥测遥控 集输管线流量、压力和温度等的监测 集输管线的腐蚀监测 阴极保护系统监控,22,远程腐蚀检测技术,远程腐蚀监测系统将传统的腐蚀检测/监测技术(如电阻监测、线性极化或交流阻抗）与无线通信技术结合起来，组成一个分布式数据采集与信息处理系统。 它特别适用于作业点分散于野外，环境恶劣，需要无人值守远程控制。因此，无线网络将成为油田系统远程监控

15、技术发展所不可缺少的部分。,23,远程通讯的几种方案,目前国内主要有三种解决远程通讯的办法： 1）采用卫星通信； 2）采用普通的大功率无线（rf）数传电台； 3）借助移动公网（gsm/gprs/cdma）来传输。 以上三种通信方式中，以方式2和3的成本较低。而且随着gprs技术的飞速发展，其数据传输率明显提高，数据延迟性较小。是一种较有前途的发展技术。,24,gprs无线传输网络,gprs是通用分组无线业务(general packet radio service)的英文简称，是在现有gsm 系统上发展出来的一种新的承载业务。 gprs可以充分利用现有的gsm 网络，覆盖面广，实时性好，传输速

16、率高，运营费用低，支持ip 协议。具有“永远在线”、“快速登陆”、“按量计费”、“切换自如”、“高速传送”、“安全可靠”等优点，数据传输速率高达160kbps。 使用gprs技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。,25,gprs 移动数据传输系统的应用,gprs 移动数据传输有很大的应用范围，包括： 远程工业控制自动化 城市配电网络自动化、 自来水、煤气管道自动化 商业pos 机、internet 接入 金融、交通、公安等以它为技术支撑 采用这种最简单、最低成本、最安全可靠的方式构建远程监控网络，可大幅节省人力物力，提高工业控制的自动化水平。,26,基于gp

17、rs的远程腐蚀监测,由于当前许多腐蚀监测数据是通过人工现场下载的方式进行，由于油、气生产井分布不集中，地区跨度较大，将所有的监测点跑一遍将耗费大量的人力物力。人工成本高 ，劳动强度大。而且由于不能及时到现场下载数据，导致测量结果滞后时间长。 通过进一步提升腐蚀监测的远程监控能力，将极大地提高腐蚀监测的自动化水平，能够对气管线设备的安全状态进行实时监测，同时通过监测人力物力的消耗，极大地降低监测成本。 因此采用基于无线通讯网络（scada或者gprs），建立远程腐蚀监测系统将具有极大的优势。它特别适用于作业点分散于野外，环境恶劣，需要无人值守远传控制的地区。因此，无线网络将成为油田系统远程监控技

18、术发展所不可缺少的部分。,27,远程监测单元的组成,远程腐蚀监测与控制系统主要包括三个部分：监控中心、无线传输网络、现场监测单元（可测量腐蚀速率、流量、温度等）。 其中监控中心主要由服务器、监控软件和中央数据库组成。 无线传输网络主要包括gprs 或gsm sms (短消息模式) modem。 现场腐蚀测量单元包括单片机、数模模数转换、嵌入式分析软件和测试探头。,28,中央监控系统,监控中心是整个监控系统的大脑,集中管理和指挥整个监控系统的运行。 监控中心的主要硬件设备有计算机、通讯主台、打印机等必需的设备。 计算机用来运行数据采集子系统(常称作上位机软件)和数据库管理子系统, 并可根据数据是否出现异常进行报警、并调整远程系统的工作状态，或将信息直接通过短消息方法发送到管理人员的手机上。,29,远程数据采集与分析子系统,监控系统软件协调完成同各个现场数据