刘涛

（中国石油锦州石化公司机动设备处，辽宁 锦州，121001）

基于工业物联网的在线测厚技术应用

刘涛

（中国石油锦州石化公司机动设备处，辽宁 锦州，121001）

腐蚀监测是企业防腐管理的重要手段，连续的实时数据监测使企业资产管理更加完整，为安全运行和收益提高提供可靠的决策依据。永感™超声波测厚监测技术将先进的超声技术与无线技术结合，可以在-180～600℃的环境中永久安装使用，无需维护，实现腐蚀数据准确的远程监测，是工业物联网的真正应用场景。其采用AXC计算方法与温度补偿技术，最大限度的消除局部腐蚀和温度对测厚数据的影响，使测量数据更加准确可靠，数据精度可达微米级，为监测高风险管线的安全运行提供可靠、高精度的数据支撑，其应用能收到良好的经济和社会效益。

超声波测厚；无线；AXC；温度补偿

腐蚀监测系统为设备完整性管理及风险评估提供可靠、实时的数据依据，这些信息可以有效指导设备维修，并协助腐蚀管理者优化防腐策略，但任何行之有效的设备完整性管理及风险评估系统都离不开真实、可靠、及时、精准的数据作为基础和支撑。然而一些传统的监测手段，往往达不到这样的数据要求，例如传统人工测厚由于受检测人员的技术水平、检测位置的相对不固定等因素影响，难以获取准确连续的管线壁厚变化数据，因此无法准确判断高风险、高腐蚀部位的厚度变化情况，也就无法准确预知运行管线安全风险情况。在线超声测厚监测系统不仅可以有效解决上述问题，提供大量精准的数据，而且大大降低检测人员安全风险。

Permasense永感™超声波测厚监测技术通过AXC（自适应交叉相关）计算方法以及温度补偿技术，最大限度的消除管道内部局部腐蚀以及温度变化对测厚数据的影响，突破了传统超声测厚技术的局限性，使测量数据精度高达微米级，这些高精度的数据既充分满足了设备安全管理、风险控制的需要，又为工艺防腐的评定和监控提供了依据。

1 监测原理及特点

1.1 波导杆设计

Permasense永感™在线测厚系统采用波导杆专利设计，将超声波传感器与被测管线隔离，因此可在高、低温（介质温度范围-180～600℃）、高压、临氢等危险环境下使用。

如图1所示，在高温管线外壁，波导杆通过固定螺柱压紧，超声波的激发和接收装置都设置在波导杆末端，与管道外壁通过管线外保温材料以及隔热片进行隔离，保证仪表可以在常温区域工作，超声波可以通过波导杆的传输到达管道并经过另一个波导杆传输回仪表。

图1 波导杆设计

波导杆与被测设备采用硬耦合方式，通过被紧固在设备表面的螺柱将波导杆压紧到被测设备表面即可，无需耦合剂，从而解决了高温测厚耦合剂失效问题，见图2。

图2 探头通过螺柱或卡箍固定在管道

1.2 无线传输设计

Permasense永感™在线测厚系统采用无线传输技术，IEEE802.15.4标准协议，操作频率为2.4GHz全球免许可证频段,是真正的工业物联网的应用场景。网关和探头之间以及探头和探头之间均采用无线自组网通讯技术，同时探头作为数据采集终端，也作为数据传输的中继，一体化设计。无线传输方式避免了现场大量的电缆敷设工作，在减少了检修期的工作量的同时也节约了布线成本。

采集频率为每12小时一个数据，与人工测厚相比，测量频率大大提升，可以极大的提高在线测厚数据对设备的监控效果，降低了安全风险。

探头采用电池供电，按照12小时/组数据的采集频率下，BP10电池可支持3～4年的使用，BP20电池可支持7～8年的使用（采集频率可调），因此实现了装置运行周期内的免维护。

图3 局部腐蚀对波形的影响

2 永感™在线测厚系统数据处理技术

2.1 AXC®处理技术

在传统的超声波测厚技术中（包括手持式超声波测厚仪），厚度的测量都是使用EP包络算法，通过对超声波形进行包络，以表面波和一次回波包络线峰值之间的时间作为超声波在被测物体内部传播的时间，因此被测物体的厚度=超声波在被测物体中的传播速度×时间/2。

根据超声波测厚原理，如果测量位置存在局部腐蚀、点蚀、不平整等形态，会对超声波的信号反射带来较大影响，进而影响设备厚度值的计算，而在常减压装置高温部位的管线，由于环烷酸的存在，局部腐蚀成为广泛存在的腐蚀形态，这是一个影响常减压装置高温区域超声波测厚结果的重要因素。

一般的可采集波形的在线测厚系统，可通过人工对波形的分析，定性的指出局部腐蚀的存在，但是无法定量的计算出局部腐蚀的程度以及当前真实的厚度值。

如图3所示，由于局部腐蚀的存在，超声波一次回波出现不规则的双波峰变化，同时经过时间的推移，双波峰的形态也在不断变化，说明局部腐蚀的情况也在不断地变化中。

为了消除局部腐蚀对厚度值的影响，永感™在线测厚系统采用了最新的AXC®（Adaptive cross correlation自适应交叉相关）技术，利用一次反射波对测量波形进行交叉相关分析,从而找到相关度峰值之间的时间差来计算壁厚，与EP包络算法最大的不同就是由对波形数据进行包络寻峰改变为先进行交叉相关再进行寻峰，解决了内壁粗糙造成的包络寻峰不准确的难题。

AXC®算法能在去除内壁粗糙干扰的同时完整地保留这些有价值的变化信息,让数据更加精准、真实，不仅极大地提高了数据的准确性和分辨率，还可以自动识别管道或设备内壁的腐蚀形态,并直接用色带进行标示。当出现由于点蚀、坑蚀等内表面不平整的形态时，PSI®内壁形态指示即用颜色来表示内壁形态。颜色越深，内壁越粗糙；颜色越浅，内壁越平滑。

如图4所示，图3中的数据经过AXC®计算之后，最大限度的消除了局部腐蚀对数据造成的影响，使数据更加准确，同时，图谱下方的PSI®色带显示为深红色，表明该点局部腐蚀情况严重。

图4 AXC处理后的数据

该监测点所在管线为减渣抽出线，检修时对该线所做的腐蚀调查表明该管线腐蚀严重。管线中工艺介质温度较高（360℃），处在环烷酸腐蚀严重的高温区（环烷酸平均含量0.54mgKOH/g），另外，高温硫腐蚀也加剧管线的腐蚀(硫含量平均3.2%wt)。因此，该监测点壁厚减薄趋势与实际腐蚀工况吻合较好，印证了探针监测数据的准确性。

2.2 温度补偿技术

由于超声波在金属中传播的速度与温度相关，因此所有基于超声波测量原理的监测方法都会受到介质工艺温度变化的影响。如图5所示，如果工艺温度波动为20℃，壁厚变化程度为0.05mm（2密耳）。这种变化程度很小，不适于用来确定腐蚀率的短期变化。

因此Permasense永感™传感器利用自身集成热电偶PT1000测量金属表面温度，自动地补偿工艺温度变化时的壁厚数据，如图6所示，数据样本与图5中数据相同。

图5 温度变化对温度的影响

图6 经温度补偿处理的壁厚测量数据

经过温度补偿处理的数据（粉色数据点）的波动低于10μm（0.2密耳）。这样的精度足以探测到更小、更短期的腐蚀情况，且可信度更高。需要注意的是，经温度补偿后的数据表明腐蚀在该位置发生过程中有两处与温度毫无关联的腐蚀事件，造成了粉色曲线有两次短时间的腐蚀减薄情况，而两者都被原数据的温度变化掩盖。使用永感™智能传感器和先进的数据处理及算法技术所能够达到的精度可与高灵敏度侵入式电感探针相对比，而且不存在后者潜在的安全问题和安装成本维护高的问题。

3 永感™系统的发展历程

超声波测厚技术的发展可以定义为四代技术。第一至四代技术的发展演进、各自特点及技术局限性见表1。

表1 超声波测厚技术的发展

4 结语

Permasense永感™系统微米级的数据精度，为制定防腐策略、快速发现腐蚀变化和问题提供了精准的数据基础。其数据测量迅速、灵敏，可以和工艺变化快速地建立联系，从而评估工艺调整、处理方案优化、原油板岩变化、助剂品种和剂量调整等对于装置设备的影响。永感™系统高质量数据，使腐蚀管理人员获得了第一手详实的设备信息，为实现从被动腐蚀防护到主动腐蚀控制提供了决策和评估依据。其基于工业物理网场景的应用，为企业提升经济效益，实现智能工厂、智慧决策、智慧生产提供了大数据的基础。

[1]Peter Collins. Continuous Corrosion Monitoring[J]. Hydro Carbon Asia, 2011, 7-9: 48～51.

TP206+.1

A

1671-0711（2017）07（上）-0100-03