管道腐蝕及振動無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

肖艷平，劉 方，付佳豪，李書航，詹良斌

（1.蘇州道森鉆采設(shè)備股份有限公司，江蘇蘇州 215000；2.長江大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動研究所，湖北荊州 434023）

0 引言

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，截至2022 年底，我國長輸油氣管網(wǎng)總里程約18 萬公里，其中原油管道2.8 萬公里、成品油管道3.2 萬公里、天然氣管道12 萬公里。管道運(yùn)輸在油氣田開采中發(fā)揮著重要作用[1-2]，但是在實(shí)際工作中不可避免地存在一些破壞性因素，例如腐蝕性物質(zhì)、電化學(xué)反應(yīng)、管材應(yīng)力等，導(dǎo)致管壁的腐蝕[3-6]。管道腐蝕會造成直接或間接損失，嚴(yán)重時可能造成重大事故，危及人身安全。因此，對于管道腐蝕情況的監(jiān)測尤為重要。

目前，國外知名管道檢測公司已經(jīng)研發(fā)了成熟的壓電超聲管道腐蝕監(jiān)測技術(shù)，并已廣泛應(yīng)用于各種在役管道的腐蝕檢測[7-11]。我國石油天然氣管道工業(yè)自20世紀(jì)70 年代以來有很大發(fā)展，管道安全問題也越來越引起有關(guān)部門的重視[11]。20 世紀(jì)80 年代以來，我國也開始管道監(jiān)測儀器的研制開發(fā)工作，取得了一些成果，但與國外先進(jìn)的檢測設(shè)備仍存在較大差距，在油氣管道使用過程中亟需可以穩(wěn)定、及時地獲取管道溫度、厚度、腐蝕速率以及腐蝕趨勢等參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，提高管匯系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性[12-14]。

針對上述需求，本文設(shè)計了一種管道腐蝕及振動無線監(jiān)測系統(tǒng)，通過安裝在管壁上的腐蝕檢測儀來檢測管道腐蝕狀況，然后將數(shù)據(jù)上傳到無線中繼器和無線網(wǎng)關(guān)，最后上傳到云平臺。相比傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，該監(jiān)測系統(tǒng)更加便捷，無需維護(hù)人員現(xiàn)場檢查，通過手機(jī)、電腦等終端就能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時監(jiān)控，具有較高的實(shí)用價值。

1 監(jiān)測原理

監(jiān)測系統(tǒng)使用的無線傳感器是安裝在待測管壁上的非侵入式超聲波傳感器，該傳感器使用了先進(jìn)的信號處理技術(shù)，從而達(dá)到實(shí)時、高效的監(jiān)測效果。監(jiān)測原理為：超聲波傳感器發(fā)射端通過壓電晶片產(chǎn)生超聲波，并向管道內(nèi)發(fā)射，接收端通過壓電晶片接收反射回來的超聲波，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，并通過計算轉(zhuǎn)換為管壁厚度，可以快速、準(zhǔn)確地判定管壁的腐蝕狀態(tài)（圖1）。

圖1 監(jiān)測原理

2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

為滿足現(xiàn)場對于管道腐蝕監(jiān)測的需求，利用由無線傳感器、無線路由器、無線網(wǎng)關(guān)組成的Theta WSN（Wireless Sensor Network，無線傳感網(wǎng)絡(luò)），設(shè)計出無線監(jiān)測系統(tǒng)，解決了監(jiān)測精度低、參數(shù)不全、現(xiàn)場監(jiān)測不便捷等問題。

2.1 總體方案

針對管道監(jiān)測技術(shù)的需求，提出包含基礎(chǔ)管道全面監(jiān)測的完整解決方案?？傮w方案主要由無線傳感器、無線路由器、無線網(wǎng)關(guān)組成的Theta WSN 和云平臺組成。無線傳感器通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將傳輸數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)通過4G 通信或以太網(wǎng)將腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至云平臺監(jiān)測系統(tǒng)?？傮w方案設(shè)計如圖2 所示。

圖2 總體方案設(shè)計

2.2 電子系統(tǒng)

電子系統(tǒng)由無線傳感器、無線中繼器、無線網(wǎng)關(guān)、云平臺4 個部分組成（圖3）。

圖3 電子系統(tǒng)設(shè)計

其中，無線傳感器包括無線螺栓預(yù)緊力傳感器、無線螺栓松動傳感器、無線腐蝕傳感器、無線振動溫度傳感器、無線壓力溫度傳感器、無線傾角傳感器等，主要由外殼、超聲波傳感器以及信號發(fā)射裝置組成。無線傳感器在安裝方面無連線，監(jiān)測儀通過粘接、夾具、焊接等方式固定。不需破壞管道原有結(jié)構(gòu)性能，也不需停工安裝維護(hù)。在數(shù)據(jù)傳輸方面，采用2.4 GHz 無線傳感網(wǎng)絡(luò)，支持遠(yuǎn)程喚醒。在功耗方面，功耗低至微瓦級。內(nèi)置電池，可支持10 年以上正常使用。在耐久方面，堅固耐用，防水、防塵、防振、耐腐蝕、本安型防爆，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，隨時隨地獲取信息，自動報警，免維護(hù)，支持藍(lán)牙連接，可以通過手機(jī)直連進(jìn)行點(diǎn)檢。

無線中繼器是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)，可以較大地擴(kuò)展無線傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。無線中繼器提供63 個無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號中繼和路由連接，支持2.4 GHz 無線傳感網(wǎng)絡(luò)，超低功耗，使用鋰亞電池，防水防塵等級為IP67，使用溫度范圍為-40～85 ℃，安裝方式為螺栓/綁帶，具體尺寸如圖4 所示。

圖4 無線中繼器尺寸

無線網(wǎng)關(guān)是Theta WSN 的核心設(shè)備，用于協(xié)調(diào)并管理Theta WSN中的各個設(shè)備，連接并管理無線傳感器。網(wǎng)關(guān)接收傳感數(shù)據(jù)并傳送至云端，接收云端用戶指令并傳送到相應(yīng)的傳感器，同時實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。無線網(wǎng)關(guān)支持以太網(wǎng)、WiFi、RS485、4G、LoRa 等多種網(wǎng)絡(luò)接口連接互聯(lián)網(wǎng)。外觀方面采用工業(yè)化設(shè)計，防水、防塵、耐腐蝕、抗沖擊，適用于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中長時間運(yùn)行。無線網(wǎng)關(guān)可以連接、管理63 個無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，支持2.4 GHz 無線傳感網(wǎng)絡(luò)和4G 通信，電源電壓DC 12～24 V，功耗5 W，防水防塵等級為IP67，使用溫度范圍-40～85 ℃，安裝方式為螺栓，具體尺寸如圖5 所示。

圖5 無線網(wǎng)關(guān)尺寸

云監(jiān)控平臺使用了物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)，能夠遠(yuǎn)程管理傳感器設(shè)備和資產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析、預(yù)警、云端存儲及可視化等功能。用戶可以通過手機(jī)、平板、電腦等終端，實(shí)時了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時獲取預(yù)警信息，并能夠遠(yuǎn)程操控設(shè)備。平臺利用了云端的計算能力，能夠?qū)Ａ康膫鞲袛?shù)據(jù)進(jìn)行AI 智能分析，為實(shí)現(xiàn)長期監(jiān)控提供了技術(shù)支持。

2.3 監(jiān)測方案結(jié)構(gòu)

無線腐蝕傳感器主要選用DC110/DC210 兩種型號（圖6）。DC110 型無線腐蝕傳感器體積小、重量輕，可通過粘接的方式直接安裝在管道的外壁，適用于常溫管道。DC210 型無線腐蝕傳感器采用獨(dú)特的雙導(dǎo)波桿隔離被測管道高（低）溫區(qū)，導(dǎo)波桿長度40 cm 時可用于監(jiān)測超高（600 °C）或超低（-200 °C）溫度的管道。

圖6 無線腐蝕傳感器DC110/DC210

管道上的無線腐蝕傳感器連接到安裝在現(xiàn)場的無線路由器，無線路由器傳輸數(shù)據(jù)到安裝于監(jiān)測區(qū)域的無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)再通過4G 通信將數(shù)據(jù)上傳至云平臺。

3 監(jiān)測性能測試

為驗(yàn)證無線監(jiān)測系統(tǒng)的可行性和合理性，對管道主要指標(biāo)進(jìn)行性能測試，指標(biāo)包括管道厚度、振動、承載數(shù)據(jù)以及溫度等。

3.1 現(xiàn)場試驗(yàn)安裝

將無線傳感器DC110 通過粘接的方式安裝在管道的外壁進(jìn)行現(xiàn)場測試（圖7）。

圖7 無線傳感器DC110 現(xiàn)場安裝

3.2 管道厚度數(shù)據(jù)測試

管道腐蝕及振動無線監(jiān)測系統(tǒng)可對不同規(guī)格管道的外徑、內(nèi)徑、壁厚等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，且采用了專業(yè)的溫度補(bǔ)償算法，保證其在溫度變化較大工況下的測量精度。常溫和高溫環(huán)境下的測厚精度在±0.02 mm 以內(nèi)，超高低溫環(huán)境下的測厚精度在±0.1 mm 以內(nèi)。檢測結(jié)果表明，其測量精度可以滿足現(xiàn)場使用需求。

3.3 管道承載數(shù)據(jù)測試

管道腐蝕及振動無線監(jiān)測系統(tǒng)可通過監(jiān)測管內(nèi)的壓力及流速來判斷管道的腐蝕情況，精度達(dá)到了0.001 mm（表1）。表1 為同一時刻1～4 號井管道的承載數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示1～4 號井工作在安全范圍內(nèi)。基于現(xiàn)場測試，證明該系統(tǒng)滿足對管道承載監(jiān)測的要求。

表1 管道承載數(shù)據(jù)

3.4 管道振動和溫度數(shù)據(jù)測試

本文使用的溫度傳感器為SVT 系列無線振動溫度傳感器，該傳感器是專為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷設(shè)計的溫振一體的工業(yè)級傳感器。用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的振動和溫度參數(shù)，實(shí)時監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，保障設(shè)備的安全運(yùn)行，避免非計劃停機(jī)，降低運(yùn)維成本。1～4 號井管道的振動和溫度數(shù)據(jù)見表2，振動曲線見圖8，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實(shí)際測量情況相符合，證明該無線監(jiān)測系統(tǒng)滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

表2 管道振動和溫度數(shù)據(jù)

圖8 管道振動曲線

4 結(jié)束語

現(xiàn)場測試證明，管道腐蝕及振動無線監(jiān)測系統(tǒng)總體方案、電子系統(tǒng)方案、監(jiān)控結(jié)構(gòu)方案，均滿足設(shè)計要求，具有傳輸信號快、傳輸范圍廣、數(shù)據(jù)精度高等特點(diǎn)，解決了管道人工測量難度大的難題。云平臺監(jiān)測系統(tǒng)提供基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的API 接口，支持二次開發(fā)，可以與第三方系統(tǒng)進(jìn)行對接。用戶可通過手機(jī)、平板、計算機(jī)等終端，實(shí)時掌握管道腐蝕的狀態(tài)，及時獲取預(yù)警信息，并可以對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，功能豐富。使用管道腐蝕及振動無線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對管道腐蝕和振動的實(shí)時監(jiān)測，經(jīng)現(xiàn)場測試，監(jiān)測數(shù)據(jù)精度符合現(xiàn)場的需求，具有較高實(shí)用價值。