第八章 压力容器腐蚀监检测技术及腐蚀寿命预测

Vol.8.1 压力容器腐蚀监测技术

8.1.3 压力容器腐蚀监测技术简介

8.1.3.6 场指纹法监测技术（Field Signature Method, FSM）

1 原理

非破坏腐蚀监测法是一种新型的压力容器监测技术，它既能监测压力容器内腐蚀状况又不破坏压力容器本体完整性。目前，已经商用的该种设备是FSM原理进行研制的，其原理如图8-13所示。被监测设备上安装电极矩阵，并通入恒定电流，当管壁厚度发生变化时，必然引起设备电场分布的变化，通过监测电极间这种微小电位差的变化，来判断压力容器内壁腐蚀缺陷的类型及程度，以达到监测压力容器内腐蚀的目的。

图8-13  FSM原理示意图

a. 便携式电阻系统（Portable Electrical Resistance system），其优点是当电极和电缆安装好之后，设备控制电极阵列的多路复用系统和电源是便携式的，可以移动到不同的监测位置。其结构示意图如图8-14所示，该设备的监测探头由等距离的镍合金电极阵列组成，电极阵列被焊接在压力容器被监测部位的外壁上。电极阵列的水平、垂直或对角线方向上的4个相邻电极同时用于输入10 A～70 A强度的直流电流，并测量电阻，从而可以实现对所有相邻电极进行测量。同时，在监测部位的临近区域焊接一对电极对温度进行监测，以排除温度对电阻的影响。这种设备已经成功应用于电厂电站锅炉腐蚀以及圆周裂纹生长的监测中。

图8-14  监测系统结构示意图

另一种美国商业用的FSM便携系统使用等间隔的电极阵列通过测量电压来达到监测的目的，但是该系统电流的输入点在监测区域之外，如图8-15所示。

图8-15  FSM监测结构示意图

该系统与前者的区别是：只监测水平方向相邻电极电压的变化，并在压力容器外壁焊接一个参考板，以测得参考电压，用参考电压对电极阵列测得数据进行分类。这是因为该系统一般测量的极间电压降应不小于100微伏，这就要求输入电流使足够大得电压降达到采样精度的要求，因此，输入电流强度有时可以达到350 A，但这也造成了输入电流的有效精度很难控制，从而影响到测得电压的精度，因此提出了参考电压来解决该问题。通过将同时读取的电极间的电压值与参考电压进行比较，可以有效消除输入电流的不确定性。同时，参考电压也可以有效补偿由于温度引起的电导率的变化。

虽然，英国的系统和美国的系统的电流馈电、电池组和记录系统都是便携的，但是当大电流输入时，需要电缆的直径要足够粗，因此，仍然很笨重。

压力容器内腐蚀外监测技术有着诸多优点，既能保证压力容器的本体完整性又能达到在线监测的目的。但是，由于技术保密的限制，FSM技术见诸的文献很少，该技术被国外公司所垄断，仪器购置安装费用不菲，且一些复杂的监测数据需传到国外公司进行分析，仍要花费高额的服务费用。

2 总体架构

内腐蚀外监测系统的总体功能是通过数据的采集、处理、分析，对被监测对象进行监控、测试，从而实现对压力容器壁厚腐蚀情况的监视测量，达到对腐蚀状态预警并及时采取防护措施的目的。图8-16为内腐蚀外监测系统硬件的拓扑结构。

图8-16 内腐蚀外监测系统硬件拓扑结构

将内腐蚀外监测终端监测设备安装在在线运行的压力容器外表面，采集到的监测数据经由以太网或其他通信设备上传到数据采集系统，由监测管理系统将数据进行分析处理，并对结果进行评价，对压力容器的危险等级进行评估，并上传存储至数据库。

在这一过程中，可以将内腐蚀外监测系统自下向上需分为四层结构，即感知层、采集层、管理层、应用层。被测对象为实际应用中需要监测的压力容器位置；感知层对应数据采集设备，获取被测对象的传感器模拟信号，并负责把模拟信号量转换为数字量。采集层利用数据采集设备提供的通信协议，进行实时数据采集并把数据上传给管理层，同时负责对数据采集设备进行控制；管理层负责管理从采集层接收的数据，包括对数据的存储，内存与数据库之间的调度，以及应用层对数据请求和访问等；应用层负责监测控制、监测数据分析，腐蚀状况评级等功能。具体结构如图8-17所示。

图 8-17 内腐蚀外监测系统结构

3 监测终端硬件

压力容器内腐蚀外监测系统的关键环节之一是压力容器内腐蚀状况的检测和监测，这一任务由终端监测设备完成。终端监测设备由电源模块、测量模块、微控制器模块、存储模块和通讯模块组成，其硬件设计的总体框图如图8-18所示。该系统中，测量模块用于待测信号的调理，并完成模数转换等；存储模块用于存储系统正常工作所必须的控制数据；通讯模块完成应用系统与上位机的数据交换；微控制器是系统的控制中心，一方面控制测量模块完成对测量数据进行转换和校准，另一面控制存储模块、通讯模块的动作；电源模块为整个系统提供合适的激励电压。

图8-18系统监测终端硬件设计框图

 a.直流电压测量模块。由于内腐蚀外监测系统是安装在压力容器外壁上，即将电流加载在电阻率极低的金属导体上，利用电压的变化来判断压力容器的腐蚀缺陷，电压的变化及其微弱，一般在微伏级，因此，高精度的直流电压测量模块是本系统的重点，所有的分析数据皆基于此；

b.电源模块。电源模块主要负责对数字以及模拟部分的供电以及提供一个高精度的电流源。但是，由于负载是电阻率极低的金属导体，为了保证极间电压的精确采集，输入电流不能过小，同时在极低负载下的持续大电流会使电源内阻以及被测对象发热，从而使电阻率发生变化，影响测量的精度，因此，电源设备应该具有较高的输出精度以及输出稳定性；

c.模数转换模块。模数转换模块完成模拟量的数字化，负责连接模拟部分和数字部分。由于采集到的直流电压为模拟量，需要将再将所得到的直流电压量转换成数字量，然后再进行数字处理。这个过程称为模拟－数字（A/D）转换过程。在内腐蚀外监测系统中，模数转换的性能往往决定着直流测量的精度。所以，直流电压（DCV）的模拟量－数字量（A/D）的变换，是监测系统的重要组成部分和核心。本部分是低噪声、高分辨率的数字模拟转换器，具有更高的动态范围、更低的非线性度、更小的转化误差；

d.处理器模块。作为测量系统的核心部件，处理器负责对整个硬件的控制，处理器的选择对整个系统功能的优化起着至关重要的作用。

e.存储、通信模块。该模块可利用现有已成熟的存储、通信技术实现高效的采集运行。

4 系统软件

监测软件通常包含数据采集功能和数据管理分析功能。数据采集软件负责与数据采集设备通信，获取采集数据；管理软件主要负责数据的管理、可视化等功能。数据采集系统作为监测系统的主要组成部分，必须实时、稳定地为测试管理软件提供数据，主要包括初始化设置、数据采集、数据处理、数据写入数据库4大部分。

数据采集系统还要实现与管理系统的通信，方便对数据采集开始及结束的控制。该数据采集系统在实时采集到数据、进行数据处理之后，还需实时向管理系统进行数据的传输，供管理系统实时绘制曲线以及以数据列表的形式进行数据的实时显示。管理软件通过软件界面，满足用户对监测数据的处理、可视化、查询、打印等需求，并辅助用户对监测数据进行分析。压力容器内腐蚀外监测系统数据的总体流程逻辑图如图8-19所示。

图8-19 内腐蚀外监测系统数据流程逻辑图

压力容器内腐蚀外监测软件系统数据采集模块、监测模块、数据管理模块以及腐蚀状态评估模块几个部分模块如图8-20所示。

图8-20压力容器内腐蚀外监测系统功能模块示意图

每个模块的研究具体分析为：

a.数据采集模块。该模块拟实现数据的采集，包括在线监测数据采集和离线监测数据采集，以及数据的传输和数据的读取。即实现前端采集数据与计算机之间的通信，将安装在设备的电极矩阵和采集到的环境腐蚀信息经由相应的设备转换为数字信号后传输到计算机软件系统；

b.实时监测模块。该模块首先需要实现对设备相关信息参数的设定，例如外径、壁厚，材料的密度、各向异性系数、温度膨胀系数、弹性模量、泊松比等信息，以及系统相关参数的设置。并将采集模块上传的数据进行实时的分析处理，为后续的腐蚀状态评估做准备；

c.数据管理模块。监测系统涉及大量的配置信息，包括系统信息、监测单元信息、终端电极阵列信息、软件界面显示参数、功能模块信息等，而且还涉及到监测信息和监测数据，这些信息都是决策评估的重要基础。因此，需要对信息数据加以存储。同时，在运行过程中，软件需要进行频繁的数据库读取、更新等操作。因此，需要建立强大的数据管理模块，对数据进行存储、管理和调用显示；

d.腐蚀状态评估模块。监测的结果应用于决策，指导生产，实现防患于未然的目的。该模块实现输送介质腐蚀能力的计算，为企业例如添加缓蚀剂等决策作出参考。并对腐蚀数据进行分析，作出危险等级评估并显示，为企业的检维修作出参考依据。

目前，国内外对安全评价有不同的评价模式和相应的准则，例如，合于使用评价、风险性评价、完整性评价和可靠性评价等模式。上述评价方法的原理不尽相同，既相互联系、交叉和重叠，又自成体系；既有各自的评价内容、指标，又有各自的评价程序、方法和准则。安全评价工作还没有一个统一的标准，这势必影响到评价结果的一致性、有效性和准确性。