金屬管道在石油、天然氣的長距離輸送過程中發揮著重要作用，但由于金屬腐蝕引發的安全問題也越來越突出，引起了相關部門的高度重視。長輸油氣管道要穿越山川、河流、村莊等復雜環境，給常規的PCM檢測工作帶來了諸多不便，造成了大量的人力、財力的浪費，甚至給檢測人員造成人身傷害。本文提出了一種將傳統PCM檢測方法與現代物聯網技術相結合的智能檢測系統構想，通過在監測目標上預先嵌入傳感器，使管理系統自動獲得有關檢測管道的相關數據，從而實現對目標金屬管道外防腐狀況監測目的。

 

    文| 孟　洋　張希征　山東正元地球物理信息技術有限公司

 

    石油和天然氣已經成為國民經濟發展中非常最重要的能源， 長輸管道作為石油天然氣最理想、最經濟的運輸方式， 已經得到廣泛的應用，然而管道腐蝕既影響了管道的使用壽命，也是誘發安全事故的一大因素。油氣管道因腐蝕泄漏引發的重大安全事故（爆炸）時有發生，給人們的生命財產安全造成重大威脅。金屬管道外防腐檢測工作也越來越來受到相關部門的重視，尤其是石油、天然氣管道的外防腐層檢測工作正在全國部分城市開展。長輸石油、天然氣管道不可避免地要穿越山川、河流、村莊等復雜環境， 管道上方工廠、工地占壓越來越嚴重，這就為我們的腐蝕檢測工作增加了難度，造成了大量的人力、財力的浪費，甚至給檢測人員造成人身傷害。隨著科技的進步，物聯網技術的出現， 為我們探索新的檢測工藝提供了技術保障， 將傳統的PCM 檢測工藝與物聯網技術相結合，形成一種智能的實時檢測預警系統。

 

    金屬管道腐蝕的危害

 

    金屬腐蝕的危害是巨大的，既有安全與環境方面的危害，也有經濟方面的危害。就安全與環境方面的危害而言，腐蝕會引發事故，造成意外傷害，如化工廠的貯酸槽穿孔泄漏，造成重大環境污染，液氨貯 罐爆炸，造成人員傷亡，管道和設備跑、冒、滴、漏，破壞生產環境等。燃氣管道因腐蝕泄漏引發的重大安全事故也很多，一次次用鮮血換來的教訓，時刻警醒我們要認真做好金屬管道的外防腐檢測工作。

 

    經濟方面的危害，據國內外的資料統計顯示，金屬腐蝕的年損失遠遠超過水災、火災、風災和地震 （平均值）損失的總和， 這還不包括由于停工減產、火災爆炸等造成的間接損失。比如， 發電廠一合鍋爐管子腐蝕損壞，其價值不大，但引起一大片工廠停工，由此事故帶來的損失要大得多。另外，非金屬腐蝕損失還沒有詳細調查， 由于混凝土、木材、塑料等用量龐大，腐蝕帶來的損失之大也是驚人的。材料腐蝕遍及所有的經濟和生活領域，由于腐蝕主要是材料與化學介質發生化學反應所引起的，所以，對于大量使用和生產強腐蝕性化學產品的化學工業企業來說，其危害就更大了。因此，克服腐蝕帶來的危害也是廣大科技工作者的迫切任務。

 

    傳統的PCM 檢測方法

 

    目前國內外普遍采用電磁法對外防腐層老化情況進行檢測評價，原理上大體可以分為電壓梯度法和電流梯度法兩種。多頻管中電流法就是其中的一種，該方法是通過發射機向目標管道供入檢測信號，經地面沿管道不同點測量電流值，通過專用軟件推算出防腐層絕緣特性參數，同時確定防腐層破損點并對防腐層老化狀況作出評價。

 

    管道外防腐層絕緣性能檢測

 

    PCM 發射機施加在管道中的電流強度隨離發射機的距離增加而衰減，其衰減程度取決于管道材質及防腐層的情況。當管線的防腐層出現破損或薄弱時，檢測信號電流在此處會因流入大地有額外的損耗而出現梯度衰減。利用多頻管道中電流法能夠解決這一問題，在不同情況下，選擇相應的測量方法（單頻法、雙頻法或三頻法），利用地面沿管道檢測到的相應測點的電流計算出來的防腐層絕緣特性參數Rg，結合試驗及有關技術規范，評價防腐層老化狀況，可定量給出管道防腐層的老化級別。使用埋地管道防腐檢測軟件進行防腐層的絕緣電阻計算，對檢測管道的防腐層評定狀況級別，如表1 外防腐層老化級別評價表所示。

 

    防腐層缺陷檢測

 

    對防腐層缺陷檢測，采用PCM 管道電流測繪儀配合“A”型架進行精確定位。首先用PCM 管道電流測繪儀的發射機對管道施加低頻電流信號，用PCM 管道電流測繪儀接收機的“FF”功能配合“A”型架進行破損點的定位。當電流施加到埋地鋼質管道上時，在其周圍會產生一正比于該電流的交變電磁場。當管線的防腐層出現破損時，檢測信號電流會在破損點上因流入大地有額外的損耗，形成地面電場，電流讀數會突然跌落，出現較大的梯度變化，說明出現管道故障：防腐層破損或與其它金屬管線搭接。此時應加密測量點，為進一步確定破損點所在管道的具體部位，需要借助地面電場法（泊松法）來實現。

 

    工作時，沿管道方向逐步檢測，將“A” 型架的地極插入土壤中進行讀數，PCM 接收機將自動調節信號水平，計算電流方向和分貝（dB）讀數。PCM 接收機面板上的電流方向即指示破損點的方向。若PCM 接收機面板上的電流方向在第一個位置是向前的；而第二個位置PCM 接收機面板上的電流方向是向后的，在排除分支和管線搭接的情況后，說明在這兩個位置之間存在破損點。以更小的間隔進行檢測，直到找到電流方向的變化點、分貝（dB）讀數最低的位置。此時可以肯定破損點就在“A” 型架的中間位置，便可進行破損點的精確定位工作。
 

 

    腐蝕預警系統的設計與架構

 

    系統設計思路

 

    該系統的設計思想就是通過物聯網技術將傳統的外防腐檢測工藝變成一種智能化（具體實例，在應用上的優勢）的、常態化的監測手段，隨著物聯網技術發展的成熟化，為智能化監測手段提供了可靠的技術保障。我們可以將目標管道按照等距分布（比如10m）的方式，在管道上設置監測點， 如圖1 管道監測點分布圖所示。在管道上添加一個信號發射裝置，對目標施測管道發射信號；在監測點設置傳感器， 采集檢測相關數據，通過無線傳輸的方式， 把采集的數據傳輸到系統工作平臺，根據監測點的電流信號和監測點的位置信息， 生成一個檢測數據庫，如表2 金屬管道外防腐層檢測電流數據庫所示，其他相關數據如管體縱向電阻等也可以通過相應的傳感器獲取；經過相關軟件的數據分析，推算出防腐層的老化等級，輸出管道外防腐層檢測評價報告，最終評定管道的外防腐層狀況。此外，還可以通過在應用層增加一些輔助功能，給提供用戶目標管道的相關屬性信息，比如空間位置、對地埋深、與其他相鄰管線的空間關系等；如果一旦防腐層老化嚴重甚至出現破損泄漏的位置， 系統還可以幫助用戶做出應急決策處理， 比如分析泄漏點控制閥門的位置。通過這種智能化的監測手段，能夠實現對管道的常態化實時檢測，保證管道的正常運行， 延長使用壽命，一旦出現預警提示，可以快速做出反應，避免或者減小損失。

 

 

    系統架構

 

    管道物聯網基本架構包括3 個層次， 感知層、傳輸層和應用層。

 

    感知層由各種類型的傳感器以及傳感網關構成，可實時獲得目標檢測管道的各種相關信息，包括空間位置、尺寸規格、檢測電流、泄露點位置等信息。在新建管道以及老舊管道更新改造時，應逐步使用預先嵌入傳感器的管道，使管道具有類似人類的“神經系統”，為智慧管網的推進奠定基礎。

 

    傳輸層則主要通過有線網絡、無線網絡、無線射頻識別RFID 等通訊手段，將感知層獲得的數據由現場實時傳輸到更高層次的單元。傳輸層主要包括光纖網絡、網絡交換設備、光電轉換設備、路由器、防火墻、服務器等。

 

    應用層是腐蝕檢測預警系統功能的集中體現，包含檢測電流采集入庫、外防腐等級評估、外防腐評估報告的輸出、泄漏點的位置顯示、管道輔助規劃設計CAD 系統、腐蝕預警應急指揮系統等。

 

    借助于CAD 設計系統生成目標管道上任意一點的縱橫斷面分析圖，可以直觀地確定管線在地下的空間位置，標示出管線的斷面尺寸、材料、高程、管線間的間距等屬性，正確反映管線與建筑物之間、管線與管線之間的空間關系。

 

    在應急指揮系統部分，應該著重設計腐蝕預警點、破損點與就近閥門的拓撲關系，以便于緊急關閉周圍的各種閥門，避免發生事故和減小損失。

 

    結束語

 

    通過系統對金屬管道外防腐層的實時監測評估，可以使用戶對管道及時進行維護，這直接關系到管道的使用壽命以及安全隱患；檢測工作的復雜性以及復雜的管道埋設環境，致使檢測周期比較長，這也造成了檢測的不全面，經常存在顧此失彼的現象；檢測中也存在人為因素，導致檢測結果的不準確，會遺留下很大的安全隱患。借助現代物聯網技術手段，這種智能化的監測系統，既可以減少人為因素造成的損失，減小勞動強度，也可以提高檢測效率，縮短檢測周期，降低檢測成本。

 

    實時監測系統對于管道主管部門的作用也是尤為重要的，可以隨時掌握管道的運行狀況，一旦發生事故，主管部門可以全面掌握事故發生地點的相關信息，對事故救援工作做出正確的決策，減少損失。希望通過大家共同努力，早日實現對地下管道的智能化檢測。