CN100504368C - 监控结构中缺陷的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于监控结构中缺陷的系统和方法。系统(110)包括：电源(112)，用于向结构(114)的监控区(118)和参考(116)提供电流；测量电路，用于测量监控区(118)的至少两个触点(126，128)之间以及参考(116)的至少两个触点(122，124)之间的电位降；以及处理器(112)，适于确定监控区电位降对参考电位降之比，以表示结构(114)厚度的百分比变化。该方法包括以下步骤：向监控区(118)和参考(116)提供电流；测量监控区(118)和参考(116)上的第一电位降；以及确定表示结构(114)厚度百分比变化的比率。

Description

监控结构中缺陷的系统和方法

技术领域

本公开一般涉及监控结构的系统和方法，更具体地说，涉及连续监控诸如管道和容器等结构中例如由腐蚀引起的壁变薄等缺陷的系统和方法。

背景技术

石油和化学工业一直在寻找监控各种生产流程和产品加工所用的设施中管道和容器状况的方法。在这些设施的正常工作期间，各种产品流过管道和容器结果发生腐蚀和侵蚀，导致管道和容器壁变薄。这种壁变薄的后果范围可从因管道泄露而使生产受损，到造成安全和财产损坏的毁灭性故障。管道和容器的工作条件范围从(-40F到120F)的环境温度到非常高的温度(1000F)。在这样的工作条件范围下，工业界一直在积极寻找能对部件情况进行在线监控的技术，以便通过化学处理减轻腐蚀，或警告设备操作人员需要立即注意的严重情况。

当前解决管道和容器壁材料腐蚀问题的技术包括超声壁厚测量、管道或容器的X射线成像、管道或容器的目测检查以及电位降测量。超声、X射线和目测检查技术常要求系统停止服务，或者是停机一段时间以便完成检查过程。目前市售的电位降测量系统允许在线测量，但它们在检测管道或容器壁材料中的腐蚀影响方面却能力有限。例如，常规的电位降测量系统没有足够的灵敏度来检测由于因顺序地复用各测试点所产生的噪声而导致的低腐蚀速率。

还采用了其它的在线测量系统，例如对管道或容器中流动材料中的腐蚀产品进行产品采样。由于管道和容器中和所需液体一起流动的腐蚀副产品容量很低，因此这些采样技术的价值有限。这些技术，在管道和容器内的液体流中腐蚀副产品的浓度较大时，用于检测一般的腐蚀情况尚可满足要求，但是这些技术不适用于检测在容器管道内的液体流中只会引入少量腐蚀副产品的局部点蚀。

因此，需要有一种技术来监控如管道和容器等结构中的缺陷，但又很少或不破坏包含这些结构的设施的运行。

发明内容

提供了一种监控结构中缺陷的系统和方法。这项发明利用了流经结构材料如管道或薄壁容器的电流，以及一组连接到管道或容器外侧和适当参考的电极或导线，以测量所连接电极之间的电位(电压)降。由于腐蚀，所测量的连接电极之间的电位降会增大。随着管道或容器壁的厚度因腐蚀而减小，电阻会增加，导致更大的电位降。使用合适的参考采样将使这种测量更加精确，没有因热电偶效应、电源线噪声干扰、电子部件的偏移和增益漂移或在测量小电位差时通常会引起噪声的其它效应而引起的偏差。

根据本发明的一个方面，提供了用于监控结构中缺陷的系统。该系统包括：电源，用于向结构的监控区和参考提供电流；测量电路，用于测量监控区的至少两个触点之间和参考的至少两个触点之间的电位降；以及处理器，适于确定监控区电位降与参考电位降之比，以表示结构厚度的百分比变化。

根据本发明的另一方面，提供了监控结构中缺陷的方法。该方法包括以下步骤：向结构的监控区和参考提供电流；测量监控区的至少两个触点之间的第一电位降和参考的至少两个触点之间的第一电位降；以及确定监控区电位降与参考电位降之比，以表示结构厚度的百分比变化。

附图说明

根据结合附图所作的以下详细说明，本发明的以上和其它方面、特征和优势将会更加显而易见，附图包括：

图1示出用于监控结构中缺陷的系统实施例；

图2示出用于监控管道中缺陷的监控装置框图；

图3示出用于监控结构中缺陷的方法流程图。

具体实施方式

以下将参阅附图对本发明的优选实施例加以说明。在以下说明中，对众所周知的功能或构造不再作详细说明，以免在不必要的细节上模糊本发明。

提供了一种监控如管道或容器等结构中缺陷并直接确定和量化结构其余壁厚的量的系统和方法。本发明将监控采样的预定区域，例如监控区，并确定该区域中采样的其余厚度。然后基于对其余壁厚与通过工程方法确定的采样设计极限进行比较，该数据可用于确定设备运行的安全性。本发明适于监控在-40F到1000F之间工作的管道或容器，但并不限于此范围。通过注入大驱动电流，例如高达1000安培，并对信号平均，本发明的实施例对0.1％壁厚的壁厚改变都很敏感。

本发明的实施例采用电位降测量方法。该电位降方法要求电流以容易理解的形式在管壁或容器壁中流动，以便在管道或容器上的不同位置测量电位降或电压。在不同位置测得的电位降由如下公式决定：

V＝IR(1)

其中V是电位降(电压)，I是电流且R是电阻。如果管道或容器的电阻非常低(～毫欧姆)，测量的电位降就非常小(～毫伏特)。假定已知电流正流过管道或容器壁材料，则测量的电位降是壁厚的函数。由于要测量的是非常小的电压，故采用与结构材料相同的参考部件，对材料电阻率的温度效应提供校正。此外，本发明的实施例将补偿并消除热偶效应，以及由于电源和电子部件引起的偏移和增益变化。

电位降的测量是在电流从一个电连接点例如导线或电极流到另一连接点时完成的。去除电流，并再次测量电位降。将两个电位降值在数字上相减，然后除以监控系统的内部参考电位降，得出没有由各种效应引起的偏移和增益变化的校正电位降值。在参考部件上进行相同的测量。在如管道或容器等采样上测量的校正电位降然后除以参考部件的校正电位降，得出一个比率，其代表结构壁和参考之间的电流差。该比率与采样中的材料厚度和参考部件之间的差成正比。

参阅图1，示出用于监控结构中缺陷的系统110。通常，监控系统110包括多通道监控装置112，它连接到待监控的结构114。为了说明起见，图1所示的结构是管道的一部分。应理解，系统110的实施例可用于任何易受诸如腐蚀、点蚀和裂缝等缺陷影响的导电结构。示范结构可包括管道、容器、桶罐，以及具有诸如焊接区、接合点、阀门和热交换器等复杂几何形状的结构。

结构114包括参考部件116和监控区118。参考部件116包括：至少一个电流注入端口120，用于加电源功率；和至少一对触点122、124，用于测量参考部件116的电位降。监控区118也包括至少一对触点126、128。结构114还包括电流注入端口130，它在和电流注入端口120一起使用时就使电流流过结构114。

可选的是，结构中可包括至少一个附加参考部件140，部件140包括至少一个电流注入端口132和至少一对触点142、144。电流注入端口132可与电流注入端口134一起使用，以便在多通路中注入电流。

应理解，监控区118可以包括排列在传感矩阵中的多对触点，用于在结构114中进行电位降测量。

参考部件116例如通过焊接电连接到结构114，这样，当监控装置112的导线136、138分别连接到电流注入端口130、120时，电流将从一个电流注入端口流到另一电流注入端口，视连接到导线136、138的电源极性而定。参考部件116具有与结构114相同的材料，并在焊接线146处与结构114接触。可选的是，参考部件116和结构114之间的间隙将用导热化合物填充，这样参考部件116和结构114将处于相同的温度。要指出，该化合物是不导电化合物，如散热器化合物。

参考图2，示出监控装置112的框图。监控装置112包括电源202，例如直流(DC)电池，用于向结构114提供电流。导线136、138从电源202经电流开关机构204连接到电流注入端口120、130，电流开关机构例如有水银位移继电器、功率半导体器件如功率MOSFET或IGBT、或双刀双掷(DPDT)闩锁继电器。电流开关机构204有两个状态，在第一状态，将正电位施加到电流注入端口120，而负电位施加到电流注入端口130，使电流能够从电流注入端口120流到电流注入端口130。在第二状态，电流开关机构204在电源202和电流注入端口120、130之间形成开路，实现断开状态读出，例如没有电流流动。电流开关机构204受控于第一微控制器203或处理器，它们将确定电流开关机构204的状态，并启动电位降的读出，这将在下面描述。

监控装置112还包括测量开关机构206。测量开关机构206可包括DPDT闩锁继电器的并联阵列。双刀双掷(DPDT)闩锁继电器用于路由电位降信号，以利于有效的能量转换及电位降的低噪声差分测量。

在第一状态，测量开关机构206从参考部件116的至少两个触点122、124读出电位，而在第二状态，从监控区118的至少两个触点126、128读出电位。应理解，如果在结构中使用了多对触点，则所有对触点将被同时读出。

在每对触点之间测得的电位降将经测量开关机构206发送到放大器208。应理解到，放大器的数量将等于监控区118中触点的对数。在测量开关机构206的第一状态，从参考部件116的触点122、124读出的电位降将发送到多个放大器208中的每一个，以便校准放大器。在测量开关机构206的第二状态，监控区118的每对触点之间的电位降将发送到它们各自的放大器。

从监控区118读出的放大的电位降值随后发送到多个模数(A/D)转换器210。应理解，A/D转换器210的数量应等于放大器208的数量。在接收到来自第一微控制器203的读出信号后，A/D转换器210从放大器208读出值。转换的值将发送到第二微控制器212作处理，以确定对结构的影响，并作数据记录。第二微控制器212还可包括存储器，如非易失性EEPROM存储器，用于短期或长期的数据存储。

监控装置还可包括显示器216，用于显示监控位置的值。此外，监控装置可包括通信模块218，用于将数据传送到中央系统。通信模块218将配有硬连线连接端口，用于将数据下载到中央系统，和/或配有无线模块，用于将数据无线传送到中央系统。

第二微控制器212具有多通道接口，用于同时接收各对触点的电位降值。通过同时读出电位降，监控装置112有效降低了通常与读出顺序复用数据的常规监控系统相关联的测量噪声。多通道微控制器212也能使监控装置112省电，因为与复用测量系统相比，驱动电流只需接通相当短的时间间隔，而复用测量系统需要电流一直接通，直到所有测量值都记录下来为止。这又意味着，与复用系统相比，监控装置112能用更小的电池工作更长的时间间隔来进行信号平均，从而获得更可靠的数据。

一般来说，本发明在各测量间使用非常小的功率。这就延长了电池的寿命，并能收集更长期的数据。可将统计工具应用于长期数据，以进一步改进测量的精度和漂移性能。本发明采用同步且并联工作的多个A/D转换器，来减少在测量期间需要激活驱动电流的时间量。这降低了功耗，并利于长期工作。这也有利于对数据使用统计信号处理，以减小在所有测量通道上存在的共模噪声，如果不同时对数据通道采样，这将是不可能的。

下面将结合图3说明用于监控结构中缺陷的方法。

开始，电源202将通过电流注入端口120、130向参考部件116和采样提供电流(步骤302)。电流开关机构204和测量开关机构206将均处于其第一状态。如上所述设置放大器208的增益后，测量开关机构206将切换到其第二状态，以读出结构中监控区118的电位降值。

然后，将通过触点122、124读出参考上的电位降V^EXT_ref_ON(步骤304)，并通过触点126、128读出采样上的电位降V_n ^signal_ON(步骤306)，其中n是与该对触点相关联的通道。电流开关机构204然后将进入其第二状态，停止电流流过参考和采样(步骤308)。在电流停止的情况下，例如断开状态，将读出参考上的电位降V^EXT_ref_OFF(步骤310)，并还将读出采样上的电位降V_n ^signal_OFF(步骤312)。

用于参考的校正电位降的确定方法是：将第一电位降值减去断开状态的电位降值，并将得到的差除以监控装置112的内部参考电压(步骤314)，如下：

$V_{\mathrm{EXT}\_\mathrm{ref}}^{\mathrm{corrected}}=\frac{V^{\mathrm{EXT}\_\mathrm{ref}\_\mathrm{ON}}-V^{\mathrm{EXT}\_\mathrm{ref}\_\mathrm{OFF}}}{V_n^{\mathrm{INT}\_\mathrm{ref}\_\mathrm{ON}}-V_n^{\mathrm{INT}\_\mathrm{ref}\_\mathrm{OFF}}}---\left(2\right)$

式中V_n ^INT_ref_ON是加电流时第n通道的内部参考电压读数，V_n ^INT_ref_OFF是不加电流时第n通道的内部参考电压。对采样进行相同的计算(步骤316)，如下：

$V_n^{\mathrm{corrected}}=\frac{V_n^{\mathrm{signal}\_\mathrm{ON}}-V_n^{\mathrm{signal}\_\mathrm{OFF}}}{V_n^{\mathrm{INT}\_\mathrm{ref}\_\mathrm{ON}}-V_n^{\mathrm{INT}\_\mathrm{ref}\_\mathrm{OFF}}}---\left(3\right)$

两个状态的电压测量(V_n ^signal_ON-V_n ^signal_OFF)相减，以消除寄生热偶电压，并采用内部参考电压读数(V_n ^INT_ref_ON-V_n ^INT_ref_OFF)来补偿通道增益和DC偏移。

然后采样的校正电位降除以参考的校正电位降，得到一个比率(步骤318)，该比率代表参考和采样之间电流之差，如下：

$V_n^{\mathrm{normolized}}=\frac{V_n^{\mathrm{corrected}}}{V_{\mathrm{EXT}\_\mathrm{ref}}^{\mathrm{corrected}}}---\left(4\right)$

该比率与采样中材料厚度和参考之间的差直接有关。

可在一段时间内对每对触点取几个读数，并进行平均，以减少随机噪声。然后可将每对触点或通道的值映射到矩阵中，以使这些值与触点的物理位置相关联。然后可将值矩阵显示给用户，以便快速识别结构的变薄区域。

而且，可在不同方向施加注入电流，例如沿从电流注入端口132到电流注入端口134的通路，来获取电位降读数(V_n ^normalized)。与单端口电流注入相比，多通路电流注入改进了奇怪形状腐蚀区的特性。通过沿多通路注入电流，监控系统110能更精确地重建腐蚀区域的形状，因为电位降是沿两个正交方向测量的，而不是只在一个方向测量。本发明还采用多个电流注入通路来改进监控系统对管道中裂缝形缺陷的灵敏度。例如，如果裂缝是轴向定向的，则它将严重影响周围的电流流动型式，但对轴向电流流动却影响很小。

从不同方向的注入电流通路所获得的读数可以逐个进行分析，作为单独的电位降分布图，或组合成矢量形式，以获得电位降读数的幅度和方向分量，它们可显示在与触点物理位置有关的矩阵中。

虽然已在典型实施例中对本公开作了图示和说明，但本公开不应局限于所示细节，因为在不以任何方式偏离本公开精神的前提下可作各种修改和替换。因此，本领域技术人员仅采用常规的实验方法就可想出对本文公开内容的进一步修改和等效物，并且所有这些修改和等效物都被认为在以下权利要求书所定义的本公开的精神和范围之内。

Claims (10)

1.一种用于监控结构(114)中缺陷的系统(110)，所述系统(110)包括：

电源(202)，用于向所述结构(114)的监控区(118)和参考(116)提供电流；

测量电路(206)，用于同时地测量所述监控区(118)的至少两个触点(126，128)之间以及所述参考(116)的至少两个触点(122，124)之间的电位降；以及

处理器(212)，用于同时接收电位降，其中所述处理器(212)适于通过确定表示所述结构(114)厚度百分比变化的所述监控区电位降对所述参考电位降之比，而测量所述结构(114)中缺陷的影响。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述参考(116)电连接到所述结构(114)。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述参考(116)包括第一电流注入端口(120)，用于将所述电源(202)连接到所述参考(116)，并且所述结构(114)包括第二电流注入端口(130)，用于将所述电源(202)连接到所述结构(114)，其中电流会从第一电流注入端口(120)流到第二电流注入端口(130)。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述参考(116)包括多个电流注入端口(120)，用于将所述电源(202)连接到所述参考(116)，并且所述结构(114)包括多个电流注入端口(130)，用于将所述电源(202)连接到所述结构(114)，其中可将多个电流以不同方向施加到所述参考(116)和结构(114)上。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述监控区(118)包括排列成矩阵的多个触点，用于测量任一对触点之间的电位降，并且所述测量电路(206)同时测量所述多个触点。

6.一种用于监控结构中缺陷的方法，所述方法包括以下步骤：

向所述结构的监控区和参考提供电流(302)；

测量所述监控区的至少两个触点之间的第一电位降(306)，同时测量所述参考的至少两个触点之间的第一电位降(304)；以及

通过确定表示所述结构厚度的百分比变化的所述监控区电位降对所述参考电位降之比，而测量所述结构(114)中缺陷的影响(318)；及

同时地将各所述第一电位降传递到处理器(212)，以允许所述处理器(212)同时读取各电位降。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述测量步骤包括在不提供电流的情况下测量所述监控区的所述至少两个触点之间的第二电位降(312)以及所述参考的所述至少两个触点之间的第二电位降(310)。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述测量步骤包括以下步骤：

通过第一监控区电位降与第二监控区电位降相减来计算所述监控区电位降(316)；以及

通过第一参考电位降与第二参考电位降相减来计算所述参考电位降(314)。

9.如权利要求6所述的方法，其中所述结构的所述监控区包括多个触点，且所述测量步骤包括同时测量所述多个触点之间的电位降。

10.如权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：

在多个通路中顺序提供所述电流；以及

对所提供的每个电流通路，测量所述监控区的所述至少两个触点之间的电位降。

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