0 引言

海管具有幾乎不受環(huán)境影響、可連續(xù)輸送、輸油效率高、運輸能力強(qiáng)等優(yōu)點。但是管道敷設(shè)于海底，部分管道還有一定的埋深，這對管道腐蝕的監(jiān)檢測和維修帶來困難。海管輸送介質(zhì)非常復(fù)雜，從輸送介質(zhì)角度可以分為：干氣管道、濕氣管道、回注水管道、原油管道和混輸管道。輸送介質(zhì)中的酸、堿、鹽、酸性氣體、砂質(zhì)和細(xì)菌等都會對管道造成內(nèi)腐蝕。雖然管道在設(shè)計階段已經(jīng)留出了腐蝕裕量，且在生產(chǎn)過程中一般會采取脫水、脫鹽、脫酸性氣和加注化學(xué)藥劑等防腐方法，但是受材質(zhì)缺陷、施工損傷、藥劑使用不當(dāng)和介質(zhì)腐蝕的綜合作用，海管仍然面臨著嚴(yán)峻的內(nèi)腐蝕失效風(fēng)險。對海管的內(nèi)腐蝕情況進(jìn)行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在的失效風(fēng)險，避免管道泄漏造成的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，具有重要意義。

1 監(jiān)測技術(shù)分類

海管為封閉結(jié)構(gòu)，跨度長，且處于水下，部分海管服役海水深度超過100 m，導(dǎo)致對其進(jìn)行內(nèi)腐蝕監(jiān)測的難度相比陸地埋地管道大很多。對管線進(jìn)行全覆蓋監(jiān)測技術(shù)手段很匱乏，主要包括：超聲內(nèi)檢測技術(shù)、渦流內(nèi)檢測技術(shù)、漏磁內(nèi)檢測技術(shù)和遠(yuǎn)場應(yīng)力檢測技術(shù)（MTM檢測）等。此類監(jiān)測方法雖然實施成本較高，但監(jiān)測數(shù)據(jù)可以覆蓋整個海管，直觀可靠，更具有參考價值。全覆蓋監(jiān)測技術(shù)成本較高，為了解決腐蝕監(jiān)測成本和監(jiān)測頻率的矛盾，局部腐蝕監(jiān)測成為海管腐蝕監(jiān)測重要組成部分。主要包括：場指紋內(nèi)腐蝕監(jiān)測（FSM）、定點測厚監(jiān)測、電感探針法、掛片法、線性極化法、電化學(xué)噪聲法、電化學(xué)阻抗法和電阻探針法等。該類監(jiān)測方法可以在維持較低成本基礎(chǔ)上提高監(jiān)測頻率，部分監(jiān)測方法可以做到連續(xù)監(jiān)測。多種局部監(jiān)測方法通常聯(lián)合使用，所能獲取的監(jiān)測信息也更加豐富。如：均勻腐蝕速率、點腐蝕速率、發(fā)生腐蝕類型、腐蝕產(chǎn)物情況等信息。

2 監(jiān)測技術(shù)原理及特點

2.1 超聲法

海管所用管線鋼具有聲發(fā)射特性，超聲法所使用的聲發(fā)射監(jiān)測裝置由3部分組成：聲發(fā)射單元、靈敏的接收單元和信號處理單元。按照聲波發(fā)射信號的處理方式可分為兩類：

1、使用多個簡化波形特征參數(shù)代表超聲發(fā)射信號特征，對波形特征參數(shù)進(jìn)行分析和處理；

2、存儲和記錄超聲發(fā)射信號的波形，對波形進(jìn)行頻譜分析。

20世紀(jì)50年代以來，簡化波形特征參數(shù)分析方法逐漸成為主流超聲發(fā)射信號分析方法，至今在超聲發(fā)射檢測中仍在廣泛應(yīng)用。通過對聲發(fā)射特征參數(shù)的解讀分析，推測結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷尺寸、位置和發(fā)展趨勢。目前超聲檢測技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，基于該技術(shù)的檢測設(shè)備也非常豐富，是無損檢測技術(shù)的重要組成部分。

2.2 渦流法

渦流檢測方法是在探頭線圈中施加高頻交變電流激勵，從而產(chǎn)生高頻交變電場，探頭附近的待測導(dǎo)體受交變電場的影響產(chǎn)生電渦流，探頭中的接收線圈獲取反饋信號。通過對反饋信號進(jìn)行處理可以分析得出待測導(dǎo)體的厚度。海管中常用的渦流內(nèi)檢測是將激勵線圈和接收線圈集成在通管球上，通管球在壓差作用下沿管道內(nèi)壁移動，根據(jù)期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)即可測出海管存在的腐蝕缺陷。陳益飛采用渦流法檢測包覆涂層條件下金屬的腐蝕情況,通過一系列不同檢測頻率的檢出效果對比，確定了最佳的檢測頻率。結(jié)合實驗結(jié)果提出了一種判定腐蝕的方法：將固有頻率下線圈的提離效應(yīng)曲線近似為直線,通過斜率數(shù)值可以判斷腐蝕程度。

渦流內(nèi)檢測技術(shù)雖然具有一定的檢測效果，但受檢測原理的影響，在使用時有著許多局限性。目前渦流內(nèi)檢測主要應(yīng)用于陸地埋地管檢測，海管內(nèi)檢測應(yīng)用的很少，僅在惠州油田某海管得到過現(xiàn)場應(yīng)用。渦流內(nèi)檢測局限性主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集過程中，缺陷信號的分辨率差，不能區(qū)分內(nèi)壁和外壁缺陷，需要對相關(guān)的檢測工藝流程規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一。渦流內(nèi)檢測適用管道規(guī)格范圍狹小，不能覆蓋所有常見管道規(guī)格。綜合來講，渦流內(nèi)檢測技術(shù)在海管內(nèi)檢測方面還不是很成熟，雖然現(xiàn)場還有一些應(yīng)用案例，但是占比很低。布局渦流內(nèi)檢測技術(shù)公司較少，頭部公司包括英國的i2ipipelines公司等。

2.3 漏磁法

漏磁檢測技術(shù)原理是采用勵磁裝置磁化待測鐵磁性管道，根據(jù)鐵磁性材質(zhì)高磁導(dǎo)率特性，當(dāng)待測管道存在腐蝕缺陷，腐蝕造成部分壁厚缺失時，磁力線會在壁厚缺失附近的空間內(nèi)發(fā)生扭曲并且穿出待測管道表面，放在缺陷附近的漏磁信號拾取探頭，可以有效拾取漏磁信號，通過對漏磁信號的分析處理，可獲取缺陷位置和尺寸信息，從而達(dá)到檢測目的。

漏磁檢測技術(shù)常用于管道的內(nèi)腐蝕檢測，將勵磁裝置和信號拾取裝置集成于管道檢測智能機(jī)器人。受到清管器的啟發(fā)，現(xiàn)代管道檢測機(jī)器人的雛形——PIG于19世紀(jì)50年代提出。20世紀(jì)60年代，美國Tuboscope公司首次實現(xiàn)了PIG技術(shù)在管道內(nèi)檢測的實際應(yīng)用。隨著計算機(jī)軟件技術(shù)和數(shù)學(xué)分析方法的進(jìn)步，漏磁內(nèi)檢測技術(shù)也越發(fā)成熟。目前漏磁內(nèi)檢測技術(shù)頭部公司主要有：美國Tuboscope公司、英國GA公司和德國ROSEN公司等。漏磁檢測技術(shù)在內(nèi)檢測方面技術(shù)相對成熟，設(shè)備檢出效果也相對穩(wěn)定。國內(nèi)相關(guān)行業(yè)公司也對漏磁檢測技術(shù)開展過檢測效果驗證，使用漏磁檢測技術(shù)檢測在陸地模擬的腐蝕減薄海管，檢測數(shù)據(jù)與已知的管道腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)檢測結(jié)果與真實數(shù)據(jù)基本吻合，證明了該技術(shù)檢測結(jié)果的可靠性。

2.4 遠(yuǎn)場應(yīng)力檢測法

遠(yuǎn)場應(yīng)力檢測技術(shù)（MTM）是一種被動的檢測方法，其檢測原理為：管道材質(zhì)具有鐵磁性，管道自身的磁場信號與所受應(yīng)力密切相關(guān)。腐蝕缺陷會導(dǎo)致管道形成應(yīng)力異常區(qū)域，而在正常服役環(huán)境中，管道的應(yīng)力異常區(qū)域周圍的磁場分布也會表現(xiàn)出異常。通過磁力計拾取磁場分布信息，分辨篩選磁場異常信號，再通過管道磁場異常信號的反向解算，即可得到管道沿程的應(yīng)力狀態(tài)，用成像診斷軟件進(jìn)行分析，評估每個缺陷的危害等級。

MTM技術(shù)檢測對象必須具有鐵磁性，能夠檢測提供制造缺陷、施工缺陷、在役缺陷信息及相應(yīng)的位置信息。MTM檢測作為一種非接觸式在線連續(xù)的管道外部檢測技術(shù)，優(yōu)點主要包括：①檢測作業(yè)無需管道停產(chǎn)，且無需任何準(zhǔn)備工作；②能檢測出的缺陷類型豐富，包括腐蝕、變形、裂紋、焊縫缺陷和應(yīng)力集中；③對于需要立即維修的高危缺陷檢測準(zhǔn)確率在85%以上；④檢測作業(yè)不受管道規(guī)格限制，適用于具有鐵磁性的任意管道。MTM技術(shù)也具有一定的局限性：①當(dāng)檢測對象為海管水平管段時，信號拾取儀器與管道間隔距離不能超過管道直徑的15倍，所以往往需要借助潛水設(shè)備進(jìn)行作業(yè)；②MTM技術(shù)也不適用于不在5%~95%區(qū)間的管道壁厚檢測；③其他對管道的作用應(yīng)力會影響到檢測結(jié)果。綜上所述，MTM技術(shù)屬于管道外部無干涉檢測技術(shù)，既不影響管道正常運行，也不需要改變管道結(jié)構(gòu)，但是檢測結(jié)果可靠性較差，所以適合與其他內(nèi)檢測技術(shù)互補(bǔ)，根據(jù)MTM檢測結(jié)果判定是否有需要開展其他內(nèi)檢測作業(yè)。

2.5 場指紋法

場指紋監(jiān)測技術(shù)（FSM）原理是使用恒電流儀動態(tài)調(diào)節(jié)流經(jīng)待監(jiān)測對象兩端饋入點的電流，恒定電流在待監(jiān)測對象中形成電場，通過待測對象表面布設(shè)陣列電極，定期監(jiān)測陣列電極各點電位值。當(dāng)電流恒定時，電場分布僅受回路電阻控制，當(dāng)管壁出現(xiàn)腐蝕缺損或產(chǎn)出裂縫時，均會導(dǎo)致陣列電極電位發(fā)生變化，根據(jù)前后電位變化和電極點位置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理即可判斷缺陷類型、位置和深度信息 。

相比傳統(tǒng)管道監(jiān)測技術(shù)，作為非侵入式的FSM技術(shù)具有更長的服役壽命、更高的缺陷檢出靈敏度、更快的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集速度等優(yōu)勢。尤其適用于管道異形部位的腐蝕監(jiān)測，包括彎頭、三通和變徑等。這類異形部位往往是沖刷腐蝕高風(fēng)險區(qū)，更能代表整個管道最高腐蝕風(fēng)險點。這些優(yōu)點使 FSM 檢測技術(shù)成為一個熱門的研究和應(yīng)用方向，而這種高效高精度高壽命的檢測技術(shù)在工業(yè)中的大量應(yīng)用可以彌補(bǔ)國內(nèi)其他檢測技術(shù)的缺點，滿足我國未來管道檢測技術(shù)的應(yīng)用要求。

2.6 電感探針法

電感探針監(jiān)控法通過持續(xù)監(jiān)測暴露在腐蝕環(huán)境中且與管材相同材質(zhì)試片的電感和感抗信號來監(jiān)測管道內(nèi)的腐蝕情況，當(dāng)試片厚度發(fā)生變化，對測試線圈施加一個恒定的交變電流，在線圈的周圍就會產(chǎn)生磁場，而線圈電感對金屬試片的厚度變化非常敏感，當(dāng)金屬試片因腐蝕而有極小的減薄時，測試線圈的電感就會受到影響。通過測量通過線圈的電感變化量，就可以推算出電感探針金屬試片的腐蝕減薄量，計算腐蝕速率。

電感探針監(jiān)測方法的優(yōu)點包括：適用范圍廣，在任何腐蝕環(huán)境中都應(yīng)用，監(jiān)測精度高；靈敏度高，響應(yīng)時間短，在0.0254 mm/a的腐蝕環(huán)境中的響應(yīng)時間僅為1 h；性能穩(wěn)定。密封性好、耐高壓、耐腐蝕能力強(qiáng)，在5 mpy的腐蝕環(huán)境中可連續(xù)使用2 a。基于以上優(yōu)點，電感探針常用于直接評價防腐措施實際效果，在工業(yè)管道腐蝕管控方面可通過電感探針監(jiān)測來調(diào)整工藝參數(shù)。

2.7 掛片法

將已知尺寸和質(zhì)量的掛片置于管道內(nèi)腐蝕環(huán)境中，掛片材質(zhì)與管道材質(zhì)一致。暴露一定時間周期后，將掛片取出，經(jīng)過除油、除銹和干燥后稱質(zhì)量，根據(jù)試片前后的質(zhì)量和形貌變化判斷管道的腐蝕程度和類型。在海管內(nèi)腐蝕監(jiān)測中，掛片通常設(shè)置3層，分別置于水層、油層和氣層，分別反映水、油和氣的腐蝕性。當(dāng)管道存在沉積腐蝕時，可選用水平安裝的盤狀掛片，模擬海管6點鐘方向管壁所受沉積腐蝕；當(dāng)管道流速較高、可能存在沖蝕時，通常選擇豎狀長條掛片，模擬高壁剪切應(yīng)力部位所受沖刷腐蝕。經(jīng)過測試的掛片除了需要肉眼觀察和質(zhì)量分析外，往往還需要輔以點蝕深度分析、腐蝕產(chǎn)物分析和結(jié)垢產(chǎn)物分析等。掛片法所得數(shù)據(jù)能綜合反應(yīng)腐蝕因素造成的影響，且反應(yīng)信息豐富，是直觀最可靠的監(jiān)測手段。但是掛片法所需試驗周期較長（一般3個月才能更換一次掛片），且反映的腐蝕信息是試驗周期內(nèi)的綜合結(jié)果，不能反映瞬時腐蝕信息。

2.8 線性極化探針法

線性極化探針的基本原理是斯特恩關(guān)系式。當(dāng)極化電位ΔE很小時，極化曲線可以近似成一條直線。在該區(qū)域進(jìn)行的極化測量就是線性極化測量（Linear-polarization Measurement）,通過對獲取的一系列極化電位和電流值計算斜率可得到極化曲線極化電阻的近似值，稱為“線性極化電阻”，用Rp來表示。腐蝕電流密度計算公式如式（1）所示。

        式（1）

式中:βa、βc分別為陽極和陰極反應(yīng)的塔菲爾斜率，可以通過極化曲線測試獲取。

線性極化技術(shù)是一種基于電化學(xué)原理的腐蝕監(jiān)測方法，具有反應(yīng)靈敏、實時監(jiān)測的優(yōu)點，可以用于持續(xù)跟蹤管道腐蝕速率，用于快速評價加注藥劑或工藝調(diào)整后的實際效果。線性極化技術(shù)還可以與絲束陣列電極結(jié)合使用，陣列電極在相同極化條件下進(jìn)行線性掃描，獲取的Rp和Icorr在陣列的電極分布，可用于判斷腐蝕環(huán)境點蝕或其他局部腐蝕傾向。線性極化技術(shù)是目前最成熟的腐蝕電化學(xué)監(jiān)測技術(shù)，但是不能用于電導(dǎo)率較低的腐蝕環(huán)境，而多數(shù)海管為油水混輸或天然氣管道，注水管道僅占很小的比例，這極大限制了線性極化技術(shù)在海管腐蝕監(jiān)測方面的應(yīng)用。

2.9 電阻探針法

電阻探針技術(shù)是將與管材相同材質(zhì)特定長度的金屬絲作為電阻探針暴露于管道內(nèi)腐蝕環(huán)境中，當(dāng)金屬絲發(fā)生腐蝕，恒壓回路中電流下降。假設(shè)金屬絲表面發(fā)生均勻腐蝕，通過計算電阻變化可以計算金屬絲橫截面積減薄量，即可獲取均勻腐蝕速率。溫度變化也會造成金屬絲電阻發(fā)生變化，在溫度變化較大的腐蝕環(huán)境中，溫度變化帶來的電阻誤差影響較大，不可忽略，這種腐蝕環(huán)境中，電阻探針常需要配合溫度傳感器使用，補(bǔ)償溫度誤差。

電阻探針技術(shù)對應(yīng)用環(huán)境沒有嚴(yán)苛的要求，幾乎適用所有腐蝕環(huán)境的腐蝕監(jiān)測。裝置組件制作簡單，成本低廉，是一種歷史悠久且廣泛應(yīng)用的腐蝕監(jiān)測技術(shù)。電阻探針技術(shù)也有局限性：①對腐蝕速率監(jiān)測不靈敏，因為腐蝕環(huán)境中溫度始終在小范圍變化，致使回路電阻也在浮動變化（一般稱為溫度效應(yīng)），通常需要金屬絲腐蝕量累計到一定程度，引起的回路電阻增量才會被數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)認(rèn)定為發(fā)生腐蝕；②無論局部腐蝕或均勻腐蝕均會造成回路電阻增大，無法通過電阻變化判斷是否發(fā)生局部腐蝕；③無法量化監(jiān)測局部腐蝕。

2.10 電化學(xué)噪聲法

在電化學(xué)動力系統(tǒng)的演化過程中，系統(tǒng)的電學(xué)狀態(tài)參量在時間維度上發(fā)生隨機(jī)非平衡波動現(xiàn)象即稱為電化學(xué)噪聲，簡稱EN。通過對這種電極外表面的電壓或電流的波動現(xiàn)象進(jìn)行解讀，可以獲取豐富的電化學(xué)動力系統(tǒng)演化信息，是一種原位無損可遠(yuǎn)程監(jiān)測的電極測量技術(shù)。由于EN監(jiān)測技術(shù)方法簡單,對儀器性能要求低,其在腐蝕監(jiān)測和研究方面的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)用場景包括：應(yīng)力腐蝕監(jiān)測、工業(yè)現(xiàn)場全面腐蝕監(jiān)測和涂層下金屬腐蝕監(jiān)測等。EN監(jiān)測裝置電解池一般由兩個同材質(zhì)工作電極和一個參比電極組成,其中一個工作電極接地,另一個工作電極接入運算放大器反相端,組成零歐姆計。

電化學(xué)噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差σx定義式：             

  式（2）

噪聲均方根RMS1定義式：

式（3）

Chen J.F等將點蝕指數(shù)（PI）用于電化學(xué)噪聲法表征是否發(fā)生點蝕，定義式：

        式（4）   

當(dāng)電極表面發(fā)生局部腐蝕，電極表面只有一小部分處于活化狀態(tài)，大部分表面提供了較低的鈍態(tài)電流背景，平均電流很小，PI值接近于1。所以當(dāng)0.1＜PI＜1時，認(rèn)為發(fā)生局部腐蝕；當(dāng)0＜PI＜0.1時，認(rèn)為發(fā)生均勻腐蝕或處于鈍化狀態(tài)。可以在電極發(fā)生局部腐蝕初期進(jìn)行腐蝕預(yù)警，并跟蹤分析局部腐蝕趨勢。

EN技術(shù)也有局限性：由于金屬腐蝕過程中電極表面的電學(xué)狀態(tài)是隨機(jī)波動的,化學(xué)信號和腐蝕金屬電極之間的關(guān)系尚未建立完整的測試體系,因此不利于對金屬腐蝕的監(jiān)護(hù)和研究,限制了EN技術(shù)的應(yīng)用場景。

2.11 氫通量監(jiān)測技術(shù)

氫通量監(jiān)測技術(shù)是一種通過監(jiān)測設(shè)備設(shè)施外壁氫滲透量分布，確定活躍腐蝕區(qū)域的監(jiān)測方法，是一種免開孔介入的監(jiān)測技術(shù)，特別適用于高溫高壓設(shè)備設(shè)施的腐蝕監(jiān)測。劉向錄等采用失質(zhì)量法和陽極極化法研究了Q235鋼在不同溫度、pH和H2S分壓下氫滲透電流密度與腐蝕速率的相關(guān)性，建立了氫通量與設(shè)備設(shè)施內(nèi)壁腐蝕速率之間的函數(shù)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在含H2S的酸性介質(zhì)中，當(dāng)H2S≤200mg/L時，腐蝕速率與氫滲透電流密度呈現(xiàn)二階多項式特性。氫通量監(jiān)測技術(shù)成熟產(chǎn)品比較少，市場上應(yīng)用比較多的是德國Ion Science的Hydrosteel系列產(chǎn)品。

3 監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

需要重點腐蝕監(jiān)測的海底管道輸送從介質(zhì)角度分類包括：油氣水混輸管道、油水混輸管道和濕天然氣管道，均屬于多相混輸。隨著油氣田開發(fā)時間的延長，管道輸量、含水率和酸性氣體一直在變化；海管內(nèi)腐蝕還受微生物腐蝕、采出水中無機(jī)物結(jié)垢、原油析蠟、砂礫沉積、腐蝕產(chǎn)物沉積附著和管道高程的影響，腐蝕誘因十分復(fù)雜，所以現(xiàn)有內(nèi)腐蝕監(jiān)測技術(shù)的可靠性和檢測精度與客戶需求之間矛盾尖銳。大多數(shù)腐蝕監(jiān)測技術(shù)對于局部腐蝕監(jiān)測仍然十分粗略，難以對局部腐蝕速率和發(fā)生位置進(jìn)行可靠的預(yù)測，而這卻是客戶最需要解決的問題。腐蝕監(jiān)測的發(fā)展方向是將無損檢測技術(shù)與腐蝕在線監(jiān)測技術(shù)融合應(yīng)用，結(jié)合多種檢測技術(shù)的優(yōu)點，綜合評價海管的腐蝕狀態(tài)。

海洋大氣環(huán)境濕潤含鹽量高，現(xiàn)役腐蝕監(jiān)檢測裝置電器元件設(shè)計應(yīng)用環(huán)境以陸地油田為主，難以在惡劣環(huán)境中持續(xù)工作，故障頻發(fā)，海管內(nèi)腐蝕監(jiān)測裝置海洋環(huán)境適用性亟需提升。

隨著管理升級和政策導(dǎo)向，海上平臺數(shù)字化和無人化是未來的發(fā)展方向，內(nèi)腐蝕監(jiān)測技術(shù)也應(yīng)貼合市場需求，融合通訊技術(shù)，將輸出數(shù)據(jù)由平臺實時傳輸至陸地分析解讀，實現(xiàn)內(nèi)腐蝕數(shù)字化遠(yuǎn)程管理。

4 結(jié)語

海管內(nèi)腐蝕環(huán)境復(fù)雜多樣，且海管內(nèi)腐蝕類型還存在交互影響，腐蝕速率普遍高于陸地油氣管道。海管失效事故一旦發(fā)生,不但會造成設(shè)備設(shè)施非計劃停工、生產(chǎn)停滯帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失,而且還會對社會和環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。相比陸地油氣管道，海管跨度長，水下施工成本昂貴，更需要合理的腐蝕監(jiān)測體系來正確地掌握海管的腐蝕狀態(tài)、確保油氣管道的安全運行。

參考文獻(xiàn)(略)