利用光纤传感器监控腐蚀状态

摘要：通过使用光纤传感器测量管壁厚度，气体管道工作人员可以追踪并监控管道腐蚀的速度。将传感器与网络控制仪表相连，可使工作人员远程完成工作。

　　通过使用光纤传感器测量管壁厚度，气体管道工作人员可以追踪并监控管道腐蚀的速度。将传感器与网络控制仪表相连，可使工作人员远程完成工作。
　　正确追踪腐蚀速率的变化对于天然气管道操作员来说是个严峻的挑战。如果被测的腐蚀速率超过2密尔/年，操作工人就会被要求采取措施以减轻腐蚀或进行修复。尽管许多经过验证的技术（如腐蚀取样管和电阻探针）可以用于测量腐蚀，但绝大多数技术测量的是气体的腐蚀，而不是管道壁的变化。由于这些方法只能间接地推算出管道线路的腐蚀速率，固此测量的精度受到多种因素的影响。
　　针对这个问题。Fiber Optic systems Technology公司（FOX-TEK）开发出的一个解决方案，是将非常灵敏的FT光纤壁厚传感器和网络监控仪器以及一个卫星或者电池调制解调器结台起来。这个系统可以从任何地方精确地远距离追踪管道腐蚀情况。
　　该系统利用FT传感器以及相连的监控器表来测由腐蚀导致的每分钟的壁厚变化。这个系统是非侵入式的，可以在管道外表面进行测量。位于管道或者压力容器的外表面应力在不变的压力和温度下，其变化量与管壁厚度的变化成反比。通过比较所测应力变化与FT传感器监控
器记录的数据，以及设备的几何信息，公司可以将来自传感器的原始数据转化成包含温度，压力弯曲应变和管壁变薄程度的有用参数。
　　操作原理
　　传感器的实用原则是低相干光干涉。传感器是利用传统的单模光纤制成的；光纤的小直径和灵活性使传感器能够被封装到那些适于监控多种问题（包括腐蚀和管道弯曲问题）的外形结构中。
　　尽管其它定制仪器和仪表长度被用于特殊项目FT线圈传感器可以被用于大多数应用中，并能够测量超过±15mm的传感器总位移。这个动态范围结合了传感器测量长度，限定了应力范围，一个10m测试长度传感器的应力范围为±1500με。在项目计划阶段就需要通过选择计量长度和传感器结构来满足特定的项目目标。
　　根据管道腐蚀情况来计算管道壁损耗，通常需要来自3个FT传感器的应力信息。一个是位于受关注位置的传感器，根据内部压力、管道壁厚度表面温度得出相应的应力信息。另两个传感器提供补偿信号，使系统能够根据操作温度和压力的差异分离信号成分。一旦完成补偿，在关注区域测得的应力就与残存的壁厚成反比（公式1）:

                                               
　　此处ε=应力；P=内部压力；
　　D=管道直径；v=Poisson比率；
　　E=Young系数； t="壁厚"。
　　由于内部腐蚀是一个极慢的过程，所以有时需要收集超过30天的数据，以便把与壁厚损耗有关的信号及背景信号分离。
　　利用日前可用的两个FT传感器之一来解调传感器的光学信号。FT 3405主要用于连续监控应用（图1A），并且通过交流电源供电，FT 3410由电池供电，并且外形更加紧凑，适用于室外阶段性监控应用（图1B）。

                    
　　FT 3405的可编程特性使公司能够对所有连接的FT传感器制定一个自动扫描的时间表。所有从传感器收集的数据都被储存到永久性存储器中。这些特征有助于减少工作时间、保证持续获得稳定的数据流，并且可以捕获更多的数据。
　　可以使多个3405相互连接，并将它们连接到一个数据传输系统中，使公司可以每天直接将数据传输到异地办公室，减少所需的访问数量。
　　运行的传感器
　　由于腐蚀扩大的可能性不断增长，在美国东南部，某天然气管道运营商计划利用腐蚀取样管来追踪两条穿越低地地区的管道变化。尽管一个腐蚀取样管暗示壁损耗速率在可接受限度内，但操作者希望能够通过直接测量确定真正的管壁损耗速率。
　　两条管线没有被覆盖（图2），因此所有的过程都是公开进行的，FOX-TEK在一些地点通过超声波扫描（图3）来快速了解管道壁的当前情况。

              
　　操作人员安装了额外的腐蚀取样管端口，FOX-TEK人员则在两个管道上的三处安装了24个FT传感器（图4）。15个线圈FT传感器被安装在底部或者时钟6点处，4个FT传感器被安装在时钟12点处作为压力参考，还安装了5个专用FT温度传感器。经过环氧处理后，引导光缆通过PVC管道迂回到一个外壳中（图5）。   

                
　　所有从管道线路上的FT传感器系统中收集的信息（图6）都通过公司的数据管理和分析工具（DMAT）程序进行分析。DMAT被设计成与FOX-TEK设备协同工作，可模拟真实过程并生成报告。

               
　　由于系统的特性，管道内的压力波动并不一致。为了调节这些压力波动，原始数据每2小时被平均一次。为了进一步消除数据差异，分析人员每七天集中并制定壁厚应力与压力参考应力的比率及其变化趋势。为了简化数据表达，平均每个月计算一次数据。
　　压力参考传感器和壁厚传感器受机械和热应力的支配。DMAT内置调制解调器可以分离包含与压力/温度相关的原始应力信号，只有那些暗示壁厚变化的信号才可以被绘制出来。图7显示了从一个

传感器处得到的典型数据。

            
　　当DMAT被用于消除整体应力、压力和温度之间的耦合时，FOX-TEK分析人员获得了一份如图8所示的曲线图，图中通过对其中一个壁厚传感器的分析，显示出目前的壁厚趋势。

　　在图9中示出了从三个位置点的FT传感器处获得的逐月数据。表1显示了短期（过去两个月）、三个月、长期（从监控开始）的趋势。用“xxx”表示的值在统计上并不重要。

          
　　通过四个月收集到的数据与目前通过传感器的平均管壁损耗速率最匹配的约为0.0012英寸每年。由于系统的敏感度为0.002英寸，这个腐蚀速度低于系统可测的灵敏度。
　　应用和益处
　　除了技术方面的好处，利用FOX-TEK FT传感器系统监控腐蚀具有可回收成本的好处，包括：
　　从难于接近的地方更快获得腐蚀数据；
　　通过直接测量管道上受关注区域，获得更可靠的数据；
　　通过维持可靠的即时数据更好地进行检查记录；
　　减少与检查相关的人力成本；
　　通过寿命终期评估获得更长的运行时间；
　　更可靠，更低风险。
　　FOX-TEK系统在监控腐蚀方面有着广泛的应用，可以监控多种类型管道的腐蚀情况，尤其适用于追踪通
常的管壁损耗。利用FT传感监控器的“细胞”能力以及远程供电，FOX-TEK可以远程监视管道。这减少了装配成本同时保证了管道相关信息的一致性。