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- 利用光纖傳感器監(jiān)控腐蝕狀態(tài)
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2011/4/6
通過使用光纖傳感器測量管壁厚度，氣體管道工作人員可以追蹤并監(jiān)控管道腐蝕的速度。將傳感器與網(wǎng)絡(luò)控制儀表相連，可使工作人員遠(yuǎn)程完成工作。
正確追蹤腐蝕速率的變化對于天然氣管道操作員來說是個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如果被測的腐蝕速率超過2密爾/年，操作工人就會被要求采取措施以減輕腐蝕或進(jìn)行修復(fù)。盡管許多經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)（如腐蝕取樣管和電阻探針）可以用于測量腐蝕，但絕大多數(shù)技術(shù)測量的是氣體的腐蝕，而不是管道壁的變化。由于這些方法只能間接地推算出管道線路的腐蝕速率，固此測量的精度受到多種因素的影響。
針對這個問題。Fiber Optic systems Technology公司（FOX-TEK）開發(fā)出的一個解決方案，是將非常靈敏的FT光纖壁厚傳感器和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀器以及一個衛(wèi)星或者電池調(diào)制解調(diào)器結(jié)臺起來。這個系統(tǒng)可以從任何地方精確地遠(yuǎn)距離追蹤管道腐蝕情況。
該系統(tǒng)利用FT傳感器以及相連的監(jiān)控器表來測由腐蝕導(dǎo)致的每分鐘的壁厚變化。這個系統(tǒng)是非侵入式的，可以在管道外表面進(jìn)行測量。位于管道或者壓力容器的外表面應(yīng)力在不變的壓力和溫度下，其變化量與管壁厚度的變化成反比。通過比較所測應(yīng)力變化與FT傳感器監(jiān)控器記錄的數(shù)據(jù)，以及設(shè)備的幾何信息，公司可以將來自傳感器的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成包含溫度，壓力彎曲應(yīng)變和管壁變薄程度的有用參數(shù)。
操作原理
傳感器的實(shí)用原則是低相干光干涉。傳感器是利用傳統(tǒng)的單模光纖制成的；光纖的小直徑和靈活性使傳感器能夠被封裝到那些適于監(jiān)控多種問題（包括腐蝕和管道彎曲問題）的外形結(jié)構(gòu)中。
盡管其它定制儀器和儀表長度被用于特殊項(xiàng)目FT線圈傳感器可以被用于大多數(shù)應(yīng)用中，并能夠測量超過±15mm的傳感器總位移。這個動態(tài)范圍結(jié)合了傳感器測量長度，限定了應(yīng)力范圍，一個10m測試長度傳感器的應(yīng)力范圍為±1500με。在項(xiàng)目計劃階段就需要通過選擇計量長度和傳感器結(jié)構(gòu)來滿足特定的項(xiàng)目目標(biāo)。
根據(jù)管道腐蝕情況來計算管道壁損耗，通常需要來自3個FT傳感器的應(yīng)力信息。一個是位于受關(guān)注位置的傳感器，根據(jù)內(nèi)部壓力、管道壁厚度表面溫度得出相應(yīng)的應(yīng)力信息。另兩個傳感器提供補(bǔ)償信號，使系統(tǒng)能夠根據(jù)操作溫度和壓力的差異分離信號成分。一旦完成補(bǔ)償，在關(guān)注區(qū)域測得的應(yīng)力就與殘存的壁厚成反比（公式1）:
此處ε=應(yīng)力；P=內(nèi)部壓力；
D=管道直徑；v=Poisson比率；
E=Young系數(shù)； t=壁厚。
由于內(nèi)部腐蝕是一個極慢的過程，所以有時需要收集超過30天的數(shù)據(jù)，以便把與壁厚損耗有關(guān)的信號及背景信號分離。
利用日前可用的兩個FT傳感器之一來解調(diào)傳感器的光學(xué)信號。FT 3405主要用于連續(xù)監(jiān)控應(yīng)用（圖1A），并且通過交流電源供電，F(xiàn)T 3410由電池供電，并且外形更加緊湊，適用于室外階段性監(jiān)控應(yīng)用（圖1B）。
FT 3405的可編程特性使公司能夠?qū)λ羞B接的FT傳感器制定一個自動掃描的時間表。所有從傳感器收集的數(shù)據(jù)都被儲存到永久性存儲器中。這些特征有助于減少工作時間、保證持續(xù)獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流，并且可以捕獲更多的數(shù)據(jù)。
可以使多個3405相互連接，并將它們連接到一個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，使公司可以每天直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)疆惖剞k公室，減少所需的訪問數(shù)量。
運(yùn)行的傳感器
由于腐蝕擴(kuò)大的可能性不斷增長，在美國東南部，某天然氣管道運(yùn)營商計劃利用腐蝕取樣管來追蹤兩條穿越低地地區(qū)的管道變化。盡管一個腐蝕取樣管暗示壁損耗速率在可接受限度內(nèi)，但操作者希望能夠通過直接測量確定真正的管壁損耗速率。
兩條管線沒有被覆蓋（圖2），因此所有的過程都是公開進(jìn)行的，F(xiàn)OX-TEK在一些地點(diǎn)通過超聲波掃描（圖3）來快速了解管道壁的當(dāng)前情況。
操作人員安裝了額外的腐蝕取樣管端口，F(xiàn)OX-TEK人員則在兩個管道上的三處安裝了24個FT傳感器（圖4）。15個線圈FT傳感器被安裝在底部或者時鐘6點(diǎn)處，4個FT傳感器被安裝在時鐘12點(diǎn)處作為壓力參考，還安裝了5個專用FT溫度傳感器。經(jīng)過環(huán)氧處理后，引導(dǎo)光纜通過PVC管道迂回到一個外殼中（圖5）。
所有從管道線路上的FT傳感器系統(tǒng)中收集的信息（圖6）都通過公司的數(shù)據(jù)管理和分析工具（DMAT）程序進(jìn)行分析。DMAT被設(shè)計成與FOX-TEK設(shè)備協(xié)同工作，可模擬真實(shí)過程并生成報告。
由于系統(tǒng)的特性，管道內(nèi)的壓力波動并不一致。為了調(diào)節(jié)這些壓力波動，原始數(shù)據(jù)每2小時被平均一次。為了進(jìn)一步消除數(shù)據(jù)差異，分析人員每七天集中并制定壁厚應(yīng)力與壓力參考應(yīng)力的比率及其變化趨勢。為了簡化數(shù)據(jù)表達(dá)，平均每個月計算一次數(shù)據(jù)。
壓力參考傳感器和壁厚傳感器受機(jī)械和熱應(yīng)力的支配。DMAT內(nèi)置調(diào)制解調(diào)器可以分離包含與壓力/溫度相關(guān)的原始應(yīng)力信號，只有那些暗示壁厚變化的信號才可以被繪制出來。圖7顯示了從一個傳感器處得到的典型數(shù)據(jù)。
當(dāng)DMAT被用于消除整體應(yīng)力、壓力和溫度之間的耦合時，F(xiàn)OX-TEK分析人員獲得了一份如圖8所示的曲線圖，圖中通過對其中一個壁厚傳感器的分析，顯示出目前的壁厚趨勢。
在圖9中示出了從三個位置點(diǎn)的FT傳感器處獲得的逐月數(shù)據(jù)。表1顯示了短期（過去兩個月）、三個月、長期（從監(jiān)控開始）的趨勢。用“xxx”表示的值在統(tǒng)計上并不重要。
通過四個月收集到的數(shù)據(jù)與目前通過傳感器的平均管壁損耗速率最匹配的約為0.0012英寸每年。由于系統(tǒng)的敏感度為0.002英寸，這個腐蝕速度低于系統(tǒng)可測的靈敏度。
應(yīng)用和益處
除了技術(shù)方面的好處，利用FOX-TEK FT傳感器系統(tǒng)監(jiān)控腐蝕具有可回收成本的好處，包括：
•從難于接近的地方更快獲得腐蝕數(shù)據(jù)；
•通過直接測量管道上受關(guān)注區(qū)域，獲得更可靠的數(shù)據(jù)；
•通過維持可靠的即時數(shù)據(jù)更好地進(jìn)行檢查記錄；
•減少與檢查相關(guān)的人力成本；
•通過壽命終期評估獲得更長的運(yùn)行時間；
•更可靠，更低風(fēng)險。
FOX-TEK系統(tǒng)在監(jiān)控腐蝕方面有著廣泛的應(yīng)用，可以監(jiān)控多種類型管道的腐蝕情況，尤其適用于追蹤通常的管壁損耗。利用FT傳感監(jiān)控器的“細(xì)胞”能力以及遠(yuǎn)程供電，F(xiàn)OX-TEK可以遠(yuǎn)程監(jiān)視管道。這減少了裝配成本同時保證了管道相關(guān)信息的一致性。
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