第八章 壓力容器腐蝕監(jiān)檢測(cè)技術(shù)及腐蝕壽命預(yù)測(cè)

Vol.8.1 壓力容器腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)

8.1.3 壓力容器腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

8.1.3.6 場(chǎng)指紋法監(jiān)測(cè)技術(shù)（Field Signature Method, FSM）

1 原理

非破壞腐蝕監(jiān)測(cè)法是一種新型的壓力容器監(jiān)測(cè)技術(shù)，它既能監(jiān)測(cè)壓力容器內(nèi)腐蝕狀況又不破壞壓力容器本體完整性。目前，已經(jīng)商用的該種設(shè)備是FSM原理進(jìn)行研制的，其原理如圖8-13所示。被監(jiān)測(cè)設(shè)備上安裝電極矩陣，并通入恒定電流，當(dāng)管壁厚度發(fā)生變化時(shí)，必然引起設(shè)備電場(chǎng)分布的變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)電極間這種微小電位差的變化，來(lái)判斷壓力容器內(nèi)壁腐蝕缺陷的類型及程度，以達(dá)到監(jiān)測(cè)壓力容器內(nèi)腐蝕的目的。

圖8-13  FSM原理示意圖

a. 便攜式電阻系統(tǒng)（Portable Electrical Resistance system），其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電極和電纜安裝好之后，設(shè)備控制電極陣列的多路復(fù)用系統(tǒng)和電源是便攜式的，可以移動(dòng)到不同的監(jiān)測(cè)位置。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-14所示，該設(shè)備的監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)部位的外壁上。電極陣列的水平、垂直或?qū)蔷€方向上的4個(gè)相鄰電極同時(shí)用于輸入10 A～70 A強(qiáng)度的直流電流，并測(cè)量電阻，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有相鄰電極進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，在監(jiān)測(cè)部位的臨近區(qū)域焊接一對(duì)電極對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以排除溫度對(duì)電阻的影響。這種設(shè)備已經(jīng)成功應(yīng)用于電廠電站鍋爐腐蝕以及圓周裂紋生長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)中。

圖8-14  監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

另一種美國(guó)商業(yè)用的FSM便攜系統(tǒng)使用等間隔的電極陣列通過(guò)測(cè)量電壓來(lái)達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的，但是該系統(tǒng)電流的輸入點(diǎn)在監(jiān)測(cè)區(qū)域之外，如圖8-15所示。

圖8-15  FSM監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)與前者的區(qū)別是：只監(jiān)測(cè)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(gè)參考板，以測(cè)得參考電壓，用參考電壓對(duì)電極陣列測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)一般測(cè)量的極間電壓降應(yīng)不小于100微伏，這就要求輸入電流使足夠大得電壓降達(dá)到采樣精度的要求，因此，輸入電流強(qiáng)度有時(shí)可以達(dá)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(cè)得電壓的精度，因此提出了參考電壓來(lái)解決該問(wèn)題。通過(guò)將同時(shí)讀取的電極間的電壓值與參考電壓進(jìn)行比較，可以有效消除輸入電流的不確定性。同時(shí)，參考電壓也可以有效補(bǔ)償由于溫度引起的電導(dǎo)率的變化。

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

壓力容器內(nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)技術(shù)有著諸多優(yōu)點(diǎn)，既能保證壓力容器的本體完整性又能達(dá)到在線監(jiān)測(cè)的目的。但是，由于技術(shù)保密的限制，F(xiàn)SM技術(shù)見(jiàn)諸的文獻(xiàn)很少，該技術(shù)被國(guó)外公司所壟斷，儀器購(gòu)置安裝費(fèi)用不菲，且一些復(fù)雜的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需傳到國(guó)外公司進(jìn)行分析，仍要花費(fèi)高額的服務(wù)費(fèi)用。

2 總體架構(gòu)

內(nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體功能是通過(guò)數(shù)據(jù)的采集、處理、分析，對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控、測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力容器壁厚腐蝕情況的監(jiān)視測(cè)量，達(dá)到對(duì)腐蝕狀態(tài)預(yù)警并及時(shí)采取防護(hù)措施的目的。圖8-16為內(nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖8-16 內(nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

將內(nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)終端監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在在線運(yùn)行的壓力容器外表面，采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)由以太網(wǎng)或其他通信設(shè)備上傳到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)壓力容器的危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，并上傳存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)。

在這一過(guò)程中，可以將內(nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自下向上需分為四層結(jié)構(gòu)，即感知層、采集層、管理層、應(yīng)用層。被測(cè)對(duì)象為實(shí)際應(yīng)用中需要監(jiān)測(cè)的壓力容器位置；感知層對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，獲取被測(cè)對(duì)象的傳感器模擬信號(hào)，并負(fù)責(zé)把模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。采集層利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備提供的通信協(xié)議，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集并把數(shù)據(jù)上傳給管理層，同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行控制；管理層負(fù)責(zé)管理從采集層接收的數(shù)據(jù)，包括對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，內(nèi)存與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的調(diào)度，以及應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)請(qǐng)求和訪問(wèn)等；應(yīng)用層負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)控制、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，腐蝕狀況評(píng)級(jí)等功能。具體結(jié)構(gòu)如圖8-17所示。

圖 8-17 內(nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 監(jiān)測(cè)終端硬件

壓力容器內(nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是壓力容器內(nèi)腐蝕狀況的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，這一任務(wù)由終端監(jiān)測(cè)設(shè)備完成。終端監(jiān)測(cè)設(shè)備由電源模塊、測(cè)量模塊、微控制器模塊、存儲(chǔ)模塊和通訊模塊組成，其硬件設(shè)計(jì)的總體框圖如圖8-18所示。該系統(tǒng)中，測(cè)量模塊用于待測(cè)信號(hào)的調(diào)理，并完成模數(shù)轉(zhuǎn)換等；存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)系統(tǒng)正常工作所必須的控制數(shù)據(jù)；通訊模塊完成應(yīng)用系統(tǒng)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換；微控制器是系統(tǒng)的控制中心，一方面控制測(cè)量模塊完成對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和校準(zhǔn)，另一面控制存儲(chǔ)模塊、通訊模塊的動(dòng)作；電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供合適的激勵(lì)電壓。

圖8-18系統(tǒng)監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)框圖

 a.直流電壓測(cè)量模塊。由于內(nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(dǎo)體上，利用電壓的變化來(lái)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(jí)，因此，高精度的直流電壓測(cè)量模塊是本系統(tǒng)的重點(diǎn)，所有的分析數(shù)據(jù)皆基于此；

b.電源模塊。電源模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)字以及模擬部分的供電以及提供一個(gè)高精度的電流源。但是，由于負(fù)載是電阻率極低的金屬導(dǎo)體，為了保證極間電壓的精確采集，輸入電流不能過(guò)小，同時(shí)在極低負(fù)載下的持續(xù)大電流會(huì)使電源內(nèi)阻以及被測(cè)對(duì)象發(fā)熱，從而使電阻率發(fā)生變化，影響測(cè)量的精度，因此，電源設(shè)備應(yīng)該具有較高的輸出精度以及輸出穩(wěn)定性；

c.模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊完成模擬量的數(shù)字化，負(fù)責(zé)連接模擬部分和數(shù)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(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后再進(jìn)行數(shù)字處理。這個(gè)過(guò)程稱為模擬－數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換過(guò)程。在內(nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換的性能往往決定著直流測(cè)量的精度。所以，直流電壓（DCV）的模擬量－數(shù)字量（A/D）的變換，是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分和核心。本部分是低噪聲、高分辨率的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，具有更高的動(dòng)態(tài)范圍、更低的非線性度、更小的轉(zhuǎn)化誤差；

d.處理器模塊。作為測(cè)量系統(tǒng)的核心部件，處理器負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)硬件的控制，處理器的選擇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。

e.存儲(chǔ)、通信模塊。該模塊可利用現(xiàn)有已成熟的存儲(chǔ)、通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效的采集運(yùn)行。

4 系統(tǒng)軟件

監(jiān)測(cè)軟件通常包含數(shù)據(jù)采集功能和數(shù)據(jù)管理分析功能。數(shù)據(jù)采集軟件負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)采集設(shè)備通信，獲取采集數(shù)據(jù)；管理軟件主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理、可視化等功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要組成部分，必須實(shí)時(shí)、穩(wěn)定地為測(cè)試管理軟件提供數(shù)據(jù)，主要包括初始化設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)4大部分。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還要實(shí)現(xiàn)與管理系統(tǒng)的通信，方便對(duì)數(shù)據(jù)采集開(kāi)始及結(jié)束的控制。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實(shí)時(shí)采集到數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之后，還需實(shí)時(shí)向管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，供管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)繪制曲線以及以數(shù)據(jù)列表的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。管理軟件通過(guò)軟件界面，滿足用戶對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理、可視化、查詢、打印等需求，并輔助用戶對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。壓力容器內(nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的總體流程邏輯圖如圖8-19所示。

圖8-19 內(nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程邏輯圖

壓力容器內(nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊、監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)管理模塊以及腐蝕狀態(tài)評(píng)估模塊幾個(gè)部分模塊如圖8-20所示。

圖8-20壓力容器內(nèi)腐蝕外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能模塊示意圖

每個(gè)模塊的研究具體分析為：

a.數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊擬實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，包括在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和離線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，以及數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)的讀取。即實(shí)現(xiàn)前端采集數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)之間的通信，將安裝在設(shè)備的電極矩陣和采集到的環(huán)境腐蝕信息經(jīng)由相應(yīng)的設(shè)備轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)；

b.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊。該模塊首先需要實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備相關(guān)信息參數(shù)的設(shè)定，例如外徑、壁厚，材料的密度、各向異性系數(shù)、溫度膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比等信息，以及系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。并將采集模塊上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析處理，為后續(xù)的腐蝕狀態(tài)評(píng)估做準(zhǔn)備；

c.數(shù)據(jù)管理模塊。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及大量的配置信息，包括系統(tǒng)信息、監(jiān)測(cè)單元信息、終端電極陣列信息、軟件界面顯示參數(shù)、功能模塊信息等，而且還涉及到監(jiān)測(cè)信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這些信息都是決策評(píng)估的重要基礎(chǔ)。因此，需要對(duì)信息數(shù)據(jù)加以存儲(chǔ)。同時(shí)，在運(yùn)行過(guò)程中，軟件需要進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)庫(kù)讀取、更新等操作。因此，需要建立強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和調(diào)用顯示；

d.腐蝕狀態(tài)評(píng)估模塊。監(jiān)測(cè)的結(jié)果應(yīng)用于決策，指導(dǎo)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)防患于未然的目的。該模塊實(shí)現(xiàn)輸送介質(zhì)腐蝕能力的計(jì)算，為企業(yè)例如添加緩蝕劑等決策作出參考。并對(duì)腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，作出危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估并顯示，為企業(yè)的檢維修作出參考依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)安全評(píng)價(jià)有不同的評(píng)價(jià)模式和相應(yīng)的準(zhǔn)則，例如，合于使用評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)和可靠性評(píng)價(jià)等模式。上述評(píng)價(jià)方法的原理不盡相同，既相互聯(lián)系、交叉和重疊，又自成體系；既有各自的評(píng)價(jià)內(nèi)容、指標(biāo)，又有各自的評(píng)價(jià)程序、方法和準(zhǔn)則。安全評(píng)價(jià)工作還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這勢(shì)必影響到評(píng)價(jià)結(jié)果的一致性、有效性和準(zhǔn)確性。