利用光纖傳感器監(jiān)控腐蝕狀態(tài)

摘要：通過(guò)使用光纖傳感器測(cè)量管壁厚度，氣體管道工作人員可以追蹤并監(jiān)控管道腐蝕的速度。將傳感器與網(wǎng)絡(luò)控制儀表相連，可使工作人員遠(yuǎn)程完成工作。

　　通過(guò)使用光纖傳感器測(cè)量管壁厚度，氣體管道工作人員可以追蹤并監(jiān)控管道腐蝕的速度。將傳感器與網(wǎng)絡(luò)控制儀表相連，可使工作人員遠(yuǎn)程完成工作。
　　正確追蹤腐蝕速率的變化對(duì)于天然氣管道操作員來(lái)說(shuō)是個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如果被測(cè)的腐蝕速率超過(guò)2密爾/年，操作工人就會(huì)被要求采取措施以減輕腐蝕或進(jìn)行修復(fù)。盡管許多經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)（如腐蝕取樣管和電阻探針）可以用于測(cè)量腐蝕，但絕大多數(shù)技術(shù)測(cè)量的是氣體的腐蝕，而不是管道壁的變化。由于這些方法只能間接地推算出管道線路的腐蝕速率，固此測(cè)量的精度受到多種因素的影響。
　　針對(duì)這個(gè)問(wèn)題。Fiber Optic systems Technology公司（FOX-TEK）開發(fā)出的一個(gè)解決方案，是將非常靈敏的FT光纖壁厚傳感器和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀器以及一個(gè)衛(wèi)星或者電池調(diào)制解調(diào)器結(jié)臺(tái)起來(lái)。這個(gè)系統(tǒng)可以從任何地方精確地遠(yuǎn)距離追蹤管道腐蝕情況。
　　該系統(tǒng)利用FT傳感器以及相連的監(jiān)控器表來(lái)測(cè)由腐蝕導(dǎo)致的每分鐘的壁厚變化。這個(gè)系統(tǒng)是非侵入式的，可以在管道外表面進(jìn)行測(cè)量。位于管道或者壓力容器的外表面應(yīng)力在不變的壓力和溫度下，其變化量與管壁厚度的變化成反比。通過(guò)比較所測(cè)應(yīng)力變化與FT傳感器監(jiān)控
器記錄的數(shù)據(jù)，以及設(shè)備的幾何信息，公司可以將來(lái)自傳感器的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成包含溫度，壓力彎曲應(yīng)變和管壁變薄程度的有用參數(shù)。
　　操作原理
　　傳感器的實(shí)用原則是低相干光干涉。傳感器是利用傳統(tǒng)的單模光纖制成的；光纖的小直徑和靈活性使傳感器能夠被封裝到那些適于監(jiān)控多種問(wèn)題（包括腐蝕和管道彎曲問(wèn)題）的外形結(jié)構(gòu)中。
　　盡管其它定制儀器和儀表長(zhǎng)度被用于特殊項(xiàng)目FT線圈傳感器可以被用于大多數(shù)應(yīng)用中，并能夠測(cè)量超過(guò)±15mm的傳感器總位移。這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍結(jié)合了傳感器測(cè)量長(zhǎng)度，限定了應(yīng)力范圍，一個(gè)10m測(cè)試長(zhǎng)度傳感器的應(yīng)力范圍為±1500με。在項(xiàng)目計(jì)劃階段就需要通過(guò)選擇計(jì)量長(zhǎng)度和傳感器結(jié)構(gòu)來(lái)滿足特定的項(xiàng)目目標(biāo)。
　　根據(jù)管道腐蝕情況來(lái)計(jì)算管道壁損耗，通常需要來(lái)自3個(gè)FT傳感器的應(yīng)力信息。一個(gè)是位于受關(guān)注位置的傳感器，根據(jù)內(nèi)部壓力、管道壁厚度表面溫度得出相應(yīng)的應(yīng)力信息。另兩個(gè)傳感器提供補(bǔ)償信號(hào)，使系統(tǒng)能夠根據(jù)操作溫度和壓力的差異分離信號(hào)成分。一旦完成補(bǔ)償，在關(guān)注區(qū)域測(cè)得的應(yīng)力就與殘存的壁厚成反比（公式1）:

                                               
　　此處ε=應(yīng)力；P=內(nèi)部壓力；
　　D=管道直徑；v=Poisson比率；
　　E=Young系數(shù)； t="壁厚"。
　　由于內(nèi)部腐蝕是一個(gè)極慢的過(guò)程，所以有時(shí)需要收集超過(guò)30天的數(shù)據(jù)，以便把與壁厚損耗有關(guān)的信號(hào)及背景信號(hào)分離。
　　利用日前可用的兩個(gè)FT傳感器之一來(lái)解調(diào)傳感器的光學(xué)信號(hào)。FT 3405主要用于連續(xù)監(jiān)控應(yīng)用（圖1A），并且通過(guò)交流電源供電，F(xiàn)T 3410由電池供電，并且外形更加緊湊，適用于室外階段性監(jiān)控應(yīng)用（圖1B）。

                    
　　FT 3405的可編程特性使公司能夠?qū)λ羞B接的FT傳感器制定一個(gè)自動(dòng)掃描的時(shí)間表。所有從傳感器收集的數(shù)據(jù)都被儲(chǔ)存到永久性存儲(chǔ)器中。這些特征有助于減少工作時(shí)間、保證持續(xù)獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流，并且可以捕獲更多的數(shù)據(jù)。
　　可以使多個(gè)3405相互連接，并將它們連接到一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，使公司可以每天直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)疆惖剞k公室，減少所需的訪問(wèn)數(shù)量。
　　運(yùn)行的傳感器
　　由于腐蝕擴(kuò)大的可能性不斷增長(zhǎng)，在美國(guó)東南部，某天然氣管道運(yùn)營(yíng)商計(jì)劃利用腐蝕取樣管來(lái)追蹤兩條穿越低地地區(qū)的管道變化。盡管一個(gè)腐蝕取樣管暗示壁損耗速率在可接受限度內(nèi)，但操作者希望能夠通過(guò)直接測(cè)量確定真正的管壁損耗速率。
　　兩條管線沒(méi)有被覆蓋（圖2），因此所有的過(guò)程都是公開進(jìn)行的，F(xiàn)OX-TEK在一些地點(diǎn)通過(guò)超聲波掃描（圖3）來(lái)快速了解管道壁的當(dāng)前情況。

              
　　操作人員安裝了額外的腐蝕取樣管端口，F(xiàn)OX-TEK人員則在兩個(gè)管道上的三處安裝了24個(gè)FT傳感器（圖4）。15個(gè)線圈FT傳感器被安裝在底部或者時(shí)鐘6點(diǎn)處，4個(gè)FT傳感器被安裝在時(shí)鐘12點(diǎn)處作為壓力參考，還安裝了5個(gè)專用FT溫度傳感器。經(jīng)過(guò)環(huán)氧處理后，引導(dǎo)光纜通過(guò)PVC管道迂回到一個(gè)外殼中（圖5）。   

                
　　所有從管道線路上的FT傳感器系統(tǒng)中收集的信息（圖6）都通過(guò)公司的數(shù)據(jù)管理和分析工具（DMAT）程序進(jìn)行分析。DMAT被設(shè)計(jì)成與FOX-TEK設(shè)備協(xié)同工作，可模擬真實(shí)過(guò)程并生成報(bào)告。

               
　　由于系統(tǒng)的特性，管道內(nèi)的壓力波動(dòng)并不一致。為了調(diào)節(jié)這些壓力波動(dòng)，原始數(shù)據(jù)每2小時(shí)被平均一次。為了進(jìn)一步消除數(shù)據(jù)差異，分析人員每七天集中并制定壁厚應(yīng)力與壓力參考應(yīng)力的比率及其變化趨勢(shì)。為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)表達(dá)，平均每個(gè)月計(jì)算一次數(shù)據(jù)。
　　壓力參考傳感器和壁厚傳感器受機(jī)械和熱應(yīng)力的支配。DMAT內(nèi)置調(diào)制解調(diào)器可以分離包含與壓力/溫度相關(guān)的原始應(yīng)力信號(hào)，只有那些暗示壁厚變化的信號(hào)才可以被繪制出來(lái)。圖7顯示了從一個(gè)

傳感器處得到的典型數(shù)據(jù)。

            
　　當(dāng)DMAT被用于消除整體應(yīng)力、壓力和溫度之間的耦合時(shí)，F(xiàn)OX-TEK分析人員獲得了一份如圖8所示的曲線圖，圖中通過(guò)對(duì)其中一個(gè)壁厚傳感器的分析，顯示出目前的壁厚趨勢(shì)。

　　在圖9中示出了從三個(gè)位置點(diǎn)的FT傳感器處獲得的逐月數(shù)據(jù)。表1顯示了短期（過(guò)去兩個(gè)月）、三個(gè)月、長(zhǎng)期（從監(jiān)控開始）的趨勢(shì)。用“xxx”表示的值在統(tǒng)計(jì)上并不重要。

          
　　通過(guò)四個(gè)月收集到的數(shù)據(jù)與目前通過(guò)傳感器的平均管壁損耗速率最匹配的約為0.0012英寸每年。由于系統(tǒng)的敏感度為0.002英寸，這個(gè)腐蝕速度低于系統(tǒng)可測(cè)的靈敏度。
　　應(yīng)用和益處
　　除了技術(shù)方面的好處，利用FOX-TEK FT傳感器系統(tǒng)監(jiān)控腐蝕具有可回收成本的好處，包括：
　　從難于接近的地方更快獲得腐蝕數(shù)據(jù)；
　　通過(guò)直接測(cè)量管道上受關(guān)注區(qū)域，獲得更可靠的數(shù)據(jù)；
　　通過(guò)維持可靠的即時(shí)數(shù)據(jù)更好地進(jìn)行檢查記錄；
　　減少與檢查相關(guān)的人力成本；
　　通過(guò)壽命終期評(píng)估獲得更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間；
　　更可靠，更低風(fēng)險(xiǎn)。
　　FOX-TEK系統(tǒng)在監(jiān)控腐蝕方面有著廣泛的應(yīng)用，可以監(jiān)控多種類型管道的腐蝕情況，尤其適用于追蹤通
常的管壁損耗。利用FT傳感監(jiān)控器的“細(xì)胞”能力以及遠(yuǎn)程供電，F(xiàn)OX-TEK可以遠(yuǎn)程監(jiān)視管道。這減少了裝配成本同時(shí)保證了管道相關(guān)信息的一致性。