第八章 壓力容器腐蝕監檢測技術及腐蝕壽命預測

Vol.8.1 壓力容器腐蝕監測技術

8.1.3 壓力容器腐蝕監測技術簡介

8.1.3.6 場指紋法監測技術（Field Signature Method, FSM）

1 原理

非破壞腐蝕監測法是一種新型的壓力容器監測技術，它既能監測壓力容器內腐蝕狀況又不破壞壓力容器本體完整性。目前，已經商用的該種設備是FSM原理進行研制的，其原理如圖8-13所示。被監測設備上安裝電極矩陣，并通入恒定電流，當管壁厚度發生變化時，必然引起設備電場分布的變化，通過監測電極間這種微小電位差的變化，來判斷壓力容器內壁腐蝕缺陷的類型及程度，以達到監測壓力容器內腐蝕的目的。

圖8-13  FSM原理示意圖

a. 便攜式電阻系統（Portable Electrical Resistance system），其優點是當電極和電纜安裝好之后，設備控制電極陣列的多路復用系統和電源是便攜式的，可以移動到不同的監測位置。其結構示意圖如圖8-14所示，該設備的監測探頭由等距離的鎳合金電極陣列組成，電極陣列被焊接在壓力容器被監測部位的外壁上。電極陣列的水平、垂直或對角線方向上的4個相鄰電極同時用于輸入10 A～70 A強度的直流電流，并測量電阻，從而可以實現對所有相鄰電極進行測量。同時，在監測部位的臨近區域焊接一對電極對溫度進行監測，以排除溫度對電阻的影響。這種設備已經成功應用于電廠電站鍋爐腐蝕以及圓周裂紋生長的監測中。

圖8-14  監測系統結構示意圖

另一種美國商業用的FSM便攜系統使用等間隔的電極陣列通過測量電壓來達到監測的目的，但是該系統電流的輸入點在監測區域之外，如圖8-15所示。

圖8-15  FSM監測結構示意圖

該系統與前者的區別是：只監測水平方向相鄰電極電壓的變化，并在壓力容器外壁焊接一個參考板，以測得參考電壓，用參考電壓對電極陣列測得數據進行分類。這是因為該系統一般測量的極間電壓降應不小于100微伏，這就要求輸入電流使足夠大得電壓降達到采樣精度的要求，因此，輸入電流強度有時可以達到350 A，但這也造成了輸入電流的有效精度很難控制，從而影響到測得電壓的精度，因此提出了參考電壓來解決該問題。通過將同時讀取的電極間的電壓值與參考電壓進行比較，可以有效消除輸入電流的不確定性。同時，參考電壓也可以有效補償由于溫度引起的電導率的變化。

雖然，英國的系統和美國的系統的電流饋電、電池組和記錄系統都是便攜的，但是當大電流輸入時，需要電纜的直徑要足夠粗，因此，仍然很笨重。

壓力容器內腐蝕外監測技術有著諸多優點，既能保證壓力容器的本體完整性又能達到在線監測的目的。但是，由于技術保密的限制，FSM技術見諸的文獻很少，該技術被國外公司所壟斷，儀器購置安裝費用不菲，且一些復雜的監測數據需傳到國外公司進行分析，仍要花費高額的服務費用。

2 總體架構

內腐蝕外監測系統的總體功能是通過數據的采集、處理、分析，對被監測對象進行監控、測試，從而實現對壓力容器壁厚腐蝕情況的監視測量，達到對腐蝕狀態預警并及時采取防護措施的目的。圖8-16為內腐蝕外監測系統硬件的拓撲結構。

圖8-16 內腐蝕外監測系統硬件拓撲結構

將內腐蝕外監測終端監測設備安裝在在線運行的壓力容器外表面，采集到的監測數據經由以太網或其他通信設備上傳到數據采集系統，由監測管理系統將數據進行分析處理，并對結果進行評價，對壓力容器的危險等級進行評估，并上傳存儲至數據庫。

在這一過程中，可以將內腐蝕外監測系統自下向上需分為四層結構，即感知層、采集層、管理層、應用層。被測對象為實際應用中需要監測的壓力容器位置；感知層對應數據采集設備，獲取被測對象的傳感器模擬信號，并負責把模擬信號量轉換為數字量。采集層利用數據采集設備提供的通信協議，進行實時數據采集并把數據上傳給管理層，同時負責對數據采集設備進行控制；管理層負責管理從采集層接收的數據，包括對數據的存儲，內存與數據庫之間的調度，以及應用層對數據請求和訪問等；應用層負責監測控制、監測數據分析，腐蝕狀況評級等功能。具體結構如圖8-17所示。

圖 8-17 內腐蝕外監測系統結構

3 監測終端硬件

壓力容器內腐蝕外監測系統的關鍵環節之一是壓力容器內腐蝕狀況的檢測和監測，這一任務由終端監測設備完成。終端監測設備由電源模塊、測量模塊、微控制器模塊、存儲模塊和通訊模塊組成，其硬件設計的總體框圖如圖8-18所示。該系統中，測量模塊用于待測信號的調理，并完成模數轉換等；存儲模塊用于存儲系統正常工作所必須的控制數據；通訊模塊完成應用系統與上位機的數據交換；微控制器是系統的控制中心，一方面控制測量模塊完成對測量數據進行轉換和校準，另一面控制存儲模塊、通訊模塊的動作；電源模塊為整個系統提供合適的激勵電壓。

圖8-18系統監測終端硬件設計框圖

 a.直流電壓測量模塊。由于內腐蝕外監測系統是安裝在壓力容器外壁上，即將電流加載在電阻率極低的金屬導體上，利用電壓的變化來判斷壓力容器的腐蝕缺陷，電壓的變化及其微弱，一般在微伏級，因此，高精度的直流電壓測量模塊是本系統的重點，所有的分析數據皆基于此；

b.電源模塊。電源模塊主要負責對數字以及模擬部分的供電以及提供一個高精度的電流源。但是，由于負載是電阻率極低的金屬導體，為了保證極間電壓的精確采集，輸入電流不能過小，同時在極低負載下的持續大電流會使電源內阻以及被測對象發熱，從而使電阻率發生變化，影響測量的精度，因此，電源設備應該具有較高的輸出精度以及輸出穩定性；

c.模數轉換模塊。模數轉換模塊完成模擬量的數字化，負責連接模擬部分和數字部分。由于采集到的直流電壓為模擬量，需要將再將所得到的直流電壓量轉換成數字量，然后再進行數字處理。這個過程稱為模擬－數字（A/D）轉換過程。在內腐蝕外監測系統中，模數轉換的性能往往決定著直流測量的精度。所以，直流電壓（DCV）的模擬量－數字量（A/D）的變換，是監測系統的重要組成部分和核心。本部分是低噪聲、高分辨率的數字模擬轉換器，具有更高的動態范圍、更低的非線性度、更小的轉化誤差；

d.處理器模塊。作為測量系統的核心部件，處理器負責對整個硬件的控制，處理器的選擇對整個系統功能的優化起著至關重要的作用。

e.存儲、通信模塊。該模塊可利用現有已成熟的存儲、通信技術實現高效的采集運行。

4 系統軟件

監測軟件通常包含數據采集功能和數據管理分析功能。數據采集軟件負責與數據采集設備通信，獲取采集數據；管理軟件主要負責數據的管理、可視化等功能。數據采集系統作為監測系統的主要組成部分，必須實時、穩定地為測試管理軟件提供數據，主要包括初始化設置、數據采集、數據處理、數據寫入數據庫4大部分。

數據采集系統還要實現與管理系統的通信，方便對數據采集開始及結束的控制。該數據采集系統在實時采集到數據、進行數據處理之后，還需實時向管理系統進行數據的傳輸，供管理系統實時繪制曲線以及以數據列表的形式進行數據的實時顯示。管理軟件通過軟件界面，滿足用戶對監測數據的處理、可視化、查詢、打印等需求，并輔助用戶對監測數據進行分析。壓力容器內腐蝕外監測系統數據的總體流程邏輯圖如圖8-19所示。

圖8-19 內腐蝕外監測系統數據流程邏輯圖

壓力容器內腐蝕外監測軟件系統數據采集模塊、監測模塊、數據管理模塊以及腐蝕狀態評估模塊幾個部分模塊如圖8-20所示。

圖8-20壓力容器內腐蝕外監測系統功能模塊示意圖

每個模塊的研究具體分析為：

a.數據采集模塊。該模塊擬實現數據的采集，包括在線監測數據采集和離線監測數據采集，以及數據的傳輸和數據的讀取。即實現前端采集數據與計算機之間的通信，將安裝在設備的電極矩陣和采集到的環境腐蝕信息經由相應的設備轉換為數字信號后傳輸到計算機軟件系統；

b.實時監測模塊。該模塊首先需要實現對設備相關信息參數的設定，例如外徑、壁厚，材料的密度、各向異性系數、溫度膨脹系數、彈性模量、泊松比等信息，以及系統相關參數的設置。并將采集模塊上傳的數據進行實時的分析處理，為后續的腐蝕狀態評估做準備；

c.數據管理模塊。監測系統涉及大量的配置信息，包括系統信息、監測單元信息、終端電極陣列信息、軟件界面顯示參數、功能模塊信息等，而且還涉及到監測信息和監測數據，這些信息都是決策評估的重要基礎。因此，需要對信息數據加以存儲。同時，在運行過程中，軟件需要進行頻繁的數據庫讀取、更新等操作。因此，需要建立強大的數據管理模塊，對數據進行存儲、管理和調用顯示；

d.腐蝕狀態評估模塊。監測的結果應用于決策，指導生產，實現防患于未然的目的。該模塊實現輸送介質腐蝕能力的計算，為企業例如添加緩蝕劑等決策作出參考。并對腐蝕數據進行分析，作出危險等級評估并顯示，為企業的檢維修作出參考依據。

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