高純璽

（中國石化勝利油田勝利采油廠，東營257000）

勝利油田污水站腐蝕監(jiān)測與緩蝕劑智能加注系統(tǒng)及其應(yīng)用

高純璽

（中國石化勝利油田勝利采油廠，東營257000）

針對勝利油田污水回注系統(tǒng)，采用電化學(xué)阻抗腐蝕監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)了油田污水集輸管線腐蝕速率的快速測量?；诰徫g劑加注前、后和外輸管線等多點腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)和模糊控制算法，提出了一套腐蝕監(jiān)測與緩蝕劑智能加注無線解決方案，用于集輸管線的在線腐蝕監(jiān)測與緩蝕劑自適應(yīng)加注的遠(yuǎn)程管理。該方案中，由服務(wù)器軟件根據(jù)現(xiàn)場腐蝕速率變化趨勢和模糊控制模型，適時發(fā)送指令給變頻器，進行調(diào)整現(xiàn)場緩蝕劑隔膜泵的加注速率。該自動加藥系統(tǒng)不僅能有效控制集輸管線的腐蝕速率，同時也避免了緩蝕劑的過量加入，降低了污水處理成本。

腐蝕監(jiān)測；電化學(xué)阻抗；緩蝕劑；模糊控制

0 引言

我國東部各油田逐步進入開采后期，采出液的含水率逐年升高［1］。當(dāng)前勝利油田的綜合含水率已經(jīng)超過了90%，由于回注污水的高礦化度（＞10 000 mg/L）、高Cl-含量以及高溫（＞50℃）等特性，再加上H2S、CO2、SRB（硫酸鹽還原菌）等的協(xié)同作用，地面管線以及井下管柱的腐蝕問題嚴(yán)重［2］。腐蝕不僅帶來經(jīng)濟損失，同時還造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。以勝利油田孤島六污水站為例，日注水量達3萬m3左右，為了控制集輸管網(wǎng)的腐蝕，需要在回注污水中連續(xù)注入緩蝕劑，但由于缺乏快速在線腐蝕監(jiān)測手段，緩蝕劑的加注往往是根據(jù)先期室內(nèi)失重試驗來確定，采用人工定時或連續(xù)加注工藝。由于回注水隨地層來水和季節(jié)變化的影響，其腐蝕性差別很大，因此依據(jù)實驗室數(shù)據(jù)的加注方案，顯然無法及時根據(jù)來水水質(zhì)的變化改變緩蝕劑加注量，結(jié)果導(dǎo)致管網(wǎng)腐蝕速率大幅度波動，或者發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，或者緩蝕劑過量消耗，增加了生產(chǎn)成本。

緩蝕劑的真實效果與現(xiàn)場工況條件關(guān)系極大，如水質(zhì)化學(xué)、流速、溫度、壓力和管道內(nèi)壁表面狀態(tài)等，生產(chǎn)中室內(nèi)評價結(jié)果與現(xiàn)場實際表現(xiàn)有相當(dāng)大的差距，只有通過現(xiàn)場實測才能確認(rèn)緩蝕劑的真實表現(xiàn)。然而，當(dāng)前油氣田大都采用孤立的腐蝕監(jiān)測儀表，很少實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，而油田監(jiān)測區(qū)域范圍廣、監(jiān)測點離散、依靠人工現(xiàn)場下載數(shù)據(jù)將耗費大量的人力物力，且測量結(jié)果也無法快速反饋到緩蝕劑的加注方案中，導(dǎo)致緩蝕劑加注工藝無法得到及時優(yōu)化，也無法實現(xiàn)緩蝕劑加注的自動化。

腐蝕速率是評價集輸系統(tǒng)管路腐蝕嚴(yán)重性的重要指標(biāo)，也是評價各種緩蝕劑現(xiàn)場表現(xiàn)和實現(xiàn)緩蝕劑自動加藥控制的關(guān)鍵參數(shù)。目前，主要腐蝕監(jiān)測方法有：電阻探針，線性極化，電化學(xué)阻抗等，各種技術(shù)既有各自優(yōu)勢又存在其不足。

電阻探針（Electric resistance probe，ER）［3］是基于腐蝕作用使敏感金屬元件截面積減小，導(dǎo)致其電阻增大的原理實現(xiàn)對腐蝕量的連續(xù)監(jiān)測，主要反映全面腐蝕信息。由于測量過程是基于歐姆定律，因此能適應(yīng)油、水、氣等任何腐蝕環(huán)境。不過由于溫差電勢和接觸電勢的影響，其測量結(jié)果易受環(huán)境溫度變化影響［4］。

線性極化（Linear polarization resistance，LPR）是一種電化學(xué)方法，它通過對工作電極施加小幅度的線性變化或者恒定的極化電位，來計算極化電阻，最后按照Stern-Geary方程計算出電極材料的腐蝕速率。LPR能快速地反映材料的全面腐蝕信息，但不能提供局部腐蝕的信息。油污或腐蝕產(chǎn)物堆積所形成的接觸電阻或假電容可能會導(dǎo)致較大的測量誤差。LPR也不適于氣相和導(dǎo)電性差的液相介質(zhì)，無法監(jiān)測氣相或油相腐蝕速率。

電化學(xué)阻抗譜（Electrochemical impedance spectroscopy，EIS）是將一個小幅正弦波疊加在一個直流電位上，通過恒電位電路施加到工作電極，同步測量極化電位以及響應(yīng)電流的波形，通過相關(guān)積分算法即可計算出被測電極的阻抗譜Z［5］。由于施加的擾動信號小，信號頻率穩(wěn)定，加上相關(guān)積分算法具有極高的抗諧波干擾和脈沖干擾能力，因而EIS的抗干擾能力和測量穩(wěn)定性要遠(yuǎn)高于LPR，且測量過程中陰陽極化交替進行不易在金屬界面造成明顯的擴散控制［6-8］，因而能更真實地反映實腐蝕狀態(tài)。

由于EIS采用弱極化技術(shù)，克服了由強極化帶來的電極表面狀態(tài)的改變，因此腐蝕速率測量結(jié)果更接近真實值，可用于集輸管線瞬時腐蝕速率的在線監(jiān)測。EIS還可通過高頻阻抗補償?shù)綦姌O表面由油泥或腐蝕產(chǎn)物覆蓋引起的介質(zhì)電阻，從而得到電極真實的極化電阻。相反，LPR無法實施高、低頻雙頻測量，因而無法補償油污偶然覆蓋造成的極化電阻大幅跳變，即EIS腐蝕監(jiān)測方法比LPR更適合于含油污水體系的腐蝕監(jiān)測。

1 污水管網(wǎng)腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 腐蝕監(jiān)測原理與裝置

電化學(xué)交流阻抗測量是用一個小幅正弦波信號疊加到一個直流電位上，通過恒電位儀施加到被測體系，同步測量極化電位以及響應(yīng)電流，再利用相關(guān)積分算法即可計算出被測電極體系的復(fù)數(shù)阻抗。交流阻抗測量的關(guān)鍵是必須保證極化電位與極化電流信號的無相差同步采樣。

通過改變激勵正弦波的頻率f（ω=2πf），分別測量高、低兩個頻點fH和fL的阻抗值，然后根據(jù)Randel等效電路［15］，即可以分別計算出介質(zhì)阻抗Rs和極化電阻Rp。由于交流阻抗可通過高頻信號直接測量出電極表面由腐蝕產(chǎn)物覆蓋引起的介質(zhì)電阻Rs，因而可以補償腐蝕產(chǎn)物覆蓋造成的Rp跳變，更適合于污水體系的腐蝕監(jiān)測。一般地，工程上僅需測量高、低兩個頻點的阻抗值，進而根據(jù)Stern-Geary公式（1）計算出腐蝕電流密度Jcorr。

式中：Jcorr為腐蝕電流密度，mA/cm2，Rp為極化電阻，Ω·cm2，B為Stern系數(shù)，mV，ba，bc分別為工作電極極化曲線的陽極與陰極Tafel斜率，其值可由室內(nèi)試驗確定，單位為mV/dec。

得益于當(dāng)代微電子技術(shù)的發(fā)展，我們利用高速STM 32位ARM單片機、高速D/A和A/D轉(zhuǎn)換器和高輸入阻抗模擬電路，設(shè)計了一套基于太陽能電池供電的、適于現(xiàn)場應(yīng)用的電化學(xué)阻抗腐蝕監(jiān)測裝置，圖1為其原理圖。該腐蝕監(jiān)測裝置采用16bit D/A產(chǎn)生一定頻率的正弦波信號，并通過運算放大器加載到腐蝕監(jiān)測探頭。信號輸入端則采用高阻儀表放大器作電壓跟隨和前置電流放大器，最后由雙通道高速16bit A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字化。電位、電流通道分別集成有二階LPF低通濾波器。該LPF的滾降頻率fc（roll-off）是數(shù)字化配置的，可以根據(jù)系統(tǒng)輸出正弦波頻率fo來隨動設(shè)置，一般設(shè)fc=（2～5）fo，就可以有效濾除高頻噪聲和EMI電磁干擾。通過在信號鏈路中插入工頻抑制器UAF42還可以消除工頻干擾。該監(jiān)測裝置采用自動電流量程和直流偏置補償電路，具有較高的信噪比。儀器固件內(nèi)置相關(guān)積分算法，可計算出電極在任意頻率下的阻抗［9］。

圖1 適用于集輸管線的電化學(xué)阻抗腐蝕監(jiān)測裝置電路原理圖Fig.1 Schematic circuit of in-situ devices for the corrosion monitoring of gathering pipelines

1.2 遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

出于環(huán)境保護的考慮，各油田均十分關(guān)注集輸管網(wǎng)以及井下管柱的腐蝕狀態(tài)以及緩蝕劑的緩蝕效率，希望腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)能提供準(zhǔn)確、連續(xù)和實時的腐蝕數(shù)據(jù)，為管網(wǎng)安全運行提供及時預(yù)警。得益于GPRS、WIFI、Zigbee等無線技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前可將各個分散的腐蝕監(jiān)測裝置實現(xiàn)無線組網(wǎng)，使測量數(shù)據(jù)同步上傳到SCADA監(jiān)控中心［10］。服務(wù)器軟件一般采用B/S架構(gòu)，授權(quán)用戶足不出戶即可通過局域網(wǎng)或Internet實時查看集輸管線、井口或井下管柱的實時和歷史腐蝕數(shù)據(jù)。

圖2 集輸管線遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 Schematic remote corrosion monitoring system for gathering pipelines

圖2 為一套基于GPRS的遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)示意圖，考慮到野外監(jiān)測一般沒有交流電，該監(jiān)測系統(tǒng)采用了太陽能電池供電，為避免冬季低溫或夏季高溫對蓄電池的影響，將蓄電池深埋于地下1 m處。服務(wù)器軟件內(nèi)置報警模塊，在腐蝕速率出現(xiàn)異常時，通過短信或Email給管理人員報警，提示業(yè)主采取保護措施。

1.3 緩蝕劑自動加注方案

目前，基于水質(zhì)參數(shù)調(diào)控的自動加藥技術(shù)已經(jīng)在循環(huán)冷卻水處理系統(tǒng)中得到應(yīng)用，這使得整個循環(huán)冷卻水處理系統(tǒng)的運行完全受計算機控制，實現(xiàn)了無人值守控制，大大降低了操作人員的勞動強度，減少了人工誤操作造成的設(shè)備損壞，避免了人工加藥造成的過量、欠量加藥，水質(zhì)性能不穩(wěn)定等情況［11-12］。

作為緩蝕劑智能加注的輸入端，腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)首先導(dǎo)入到遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，然后由服務(wù)器軟件依據(jù)各監(jiān)測點的位置、腐蝕速率、流速、溫度和管徑等關(guān)鍵參數(shù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制或者PID控制算法，將反饋量依次通過PLC控制器、變頻器來驅(qū)動緩蝕劑加藥泵，從而控制緩蝕劑的加注量，使污水管網(wǎng)的腐蝕速率保持在一定安全范圍內(nèi)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者系統(tǒng)辨識法對腐蝕速率與緩蝕劑加藥量之間的關(guān)系曲線進行數(shù)學(xué)建模，得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)）［13］。通過MATLAB/Simulink軟件對腐蝕速率變化趨勢與緩蝕劑加藥量之間的函數(shù)關(guān)系進行仿真。在仿真環(huán)境下，根據(jù)穩(wěn)定邊界法公式對系統(tǒng)PID控制參數(shù)進行整定，并將得到的PID控制參數(shù)運用于緩蝕劑加藥單元，通過仿真獲得的傳遞函數(shù)還需要經(jīng)過加藥試驗進行修正，最終得到了理想的PID參數(shù)［14］。

PID控制器參數(shù)整定：根據(jù)已確定的傳遞函數(shù)類型，利用Matlab/Simulink仿真軟件對腐蝕速率與緩蝕劑加注量之間的函數(shù)關(guān)系進行仿真，最后將仿真得到的PID控制參數(shù)寫入PLC控制器或服務(wù)器軟件中。緩蝕劑加注的PID過程控制可采用自平衡系統(tǒng)（無積分環(huán)節(jié)），其二階環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)（數(shù)學(xué)模型）的結(jié)構(gòu)如式（2）：

式中：τ為隨時間變化的時滯量，T1、T2為時間系數(shù)，h。

根據(jù)污水管線中腐蝕速率與緩蝕劑加注量之間的試驗曲線，確定傳遞函數(shù)G（s）中的時間常數(shù)T1和T2。考慮到緩蝕劑注入到儀器監(jiān)測到腐蝕速率變化有一定的滯后時間，即腐蝕速率響應(yīng)曲線是“過阻尼”的，因此常設(shè)置τ為=2～6。仿真過程中還考慮到腐蝕速率的變化趨勢，避免大滯后環(huán)節(jié)所帶來的振蕩現(xiàn)象，避免了變頻器和加藥泵參數(shù)的頻繁改變，提高了緩蝕劑加注設(shè)備運行的可靠性。

2 某污水站腐蝕監(jiān)測工程實例

勝利油田某污水處理站安裝了一套遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測與緩蝕劑加藥自動控制裝置，該裝置主要由監(jiān)控服務(wù)器、GPRS無線數(shù)據(jù)收發(fā)器、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備、現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備以及輔助設(shè)備組成，如圖3。其中現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括CST1810交流阻抗腐蝕監(jiān)測儀和AD3800超聲波液位計，現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備由變頻器、隔膜計量泵、電動閥門和控制箱組成；輔助設(shè)備有電動攪拌器、緩蝕劑儲罐、殺菌劑儲罐、繼電器以及報警器等。CST1810腐蝕監(jiān)測儀分別安裝在集輸管線加藥點前、后以及外輸管等三個位置，為方便電化學(xué)測量結(jié)果與腐蝕失重對比，在同一監(jiān)測點還同時安裝有失重掛片試樣。腐蝕速率數(shù)據(jù)通過GPRS收發(fā)器傳送到腐蝕監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)腐蝕速率、PID控制器參數(shù)計算出加藥流量，并轉(zhuǎn)換為變頻器控制指令后發(fā)送給現(xiàn)場的GPRS收發(fā)器，再由變頻器控制加藥泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)加藥量。這樣當(dāng)井下或地面水質(zhì)惡化導(dǎo)致管線腐蝕速率上升時，該反饋控制系統(tǒng)可自動加大緩蝕劑注入量；當(dāng)腐蝕速率較低時，可以減少緩蝕劑的加注量或停止加注。

圖3 污水站緩蝕劑智能加藥裝置布局圖Fig.3 The layout diagram of corrosioninhibitor intelligent dosing system at sewage station

圖4 帶有太陽能供電的遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測裝置Fig.4 The remote corrosion meter powered by solar supply

集輸管線腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是確保緩蝕劑科學(xué)加注的關(guān)鍵，本項目采用的CST1810交流阻抗腐蝕監(jiān)測裝置，得益于EIS固有的高抗干擾和油污電阻補償能力，其測量結(jié)果比LPR方法具有更高的可靠性和穩(wěn)定性?，F(xiàn)場安裝的自動加藥和腐蝕監(jiān)測裝置如圖4。其中腐蝕監(jiān)測裝置供電部分采用了30 W單晶硅太陽能電池板，測量數(shù)據(jù)則通過頂端的GPRS收發(fā)器上傳到服務(wù)器，方便用戶查看實時及歷史腐蝕速率曲線，以及緩蝕劑的當(dāng)日和當(dāng)月的加注量統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖5顯示了某污水站集輸管線外輸口監(jiān)測的腐蝕速率隨時間以及緩蝕劑加藥量的變化曲線，其中加注的緩蝕劑為油酸咪唑啉，加藥采用遠(yuǎn)程控制的計量泵，泵的流速從10 L/h到200 L/h連續(xù)可調(diào)，站內(nèi)污水平均流量為300 m3/h。從腐蝕速率監(jiān)測結(jié)果來看，當(dāng)緩蝕劑加藥量維持在人工確定的10 L/h時，腐蝕速率到達到0.22 mm/a，超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。隨著自動控制系統(tǒng)的介入，緩蝕劑加注量逐步增加至22 L/h（2015-1-20開始），一段時間后腐蝕速率即開始下降。雖然腐蝕速率隨后又有所上升，但遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在一段遲滯時間后又自動加大了緩蝕劑流量，使腐蝕速率再次下降，直到達到規(guī)定值0.076 mm/a附近，此時緩蝕劑的加注流量基本維持在20～24 L/h。表明基于反饋控制的自動加藥控制系統(tǒng)，可以使集輸管網(wǎng)的腐蝕速率得到較好的控制。

圖5 某污水站集輸管線外輸口腐蝕速率與加藥量隨時間的變化曲線Fig.5 Time dependence of corrosion rate and dosage curves at the gathering pipelines at a sewage station in Shengli oilfield

3 結(jié)論

采用電化學(xué)交流阻抗腐蝕監(jiān)測方法，設(shè)計了一套適用于油田集輸管線的快速腐蝕監(jiān)測裝置。實例表明，該裝置具有較高的抗電磁干擾能力和較好的可靠性，其測量值作為反饋量，可用于緩蝕劑加注量的自動控制。

根據(jù)集輸管線腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)和優(yōu)化的PID控制策略，所建立的腐蝕速率監(jiān)測與緩蝕劑智能加藥系統(tǒng)，不僅可有效控制注水管線的腐蝕速率，還可避免緩蝕劑的過量加入，從而降低水處理成本，提高了緩蝕劑加注的科學(xué)性和經(jīng)濟性。

致謝：感謝華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院董澤華教授有益的討論與理論指導(dǎo)。

［1］ 湯天遴，鄭立群.腐蝕監(jiān)測技術(shù)在中原油田的應(yīng)用［J］.腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2003，15（1）：47-49.

［2］ 劉晶姝，李強，龍媛媛.勝利油田強腐蝕區(qū)塊管線腐蝕影響因素研究［J］.腐蝕與防護，2006，27（6）：299-302.

［3］ 楊曉惠，饒霽陽，王燕楠.在線腐蝕監(jiān)測技術(shù)在石化行業(yè)中的應(yīng)用［J］.石油化工腐蝕與防護，2011，28（3）：40-42.

［4］ 柏任流，董澤華，郭興蓬，等.基于溫度補償?shù)碾娮杼结樃g監(jiān)測原理的研究［J］.腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2007，19（5）：338-341.

［5］ 楊尊壹，孔德杰，董澤華.涂層、鋼筋混凝土電化學(xué)阻抗測試儀的研制［J］.材料保護，2011，44（8）：63-66.

［6］ 謝德明，胡吉明，童少平.多道環(huán)氧涂層在NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜［J］.材料研究學(xué)報，2004，18（1）：96-101.

［7］ AKBARINEZHAD E，REZAEI F，NESHATI J.Evaluation of a high resistance paint coating with EIS measurements：Effect of high AC perturbations［J］. Progress in Organic Coatings，2008，61（1）：45-52.

［8］ SCANTLEBURY J，GALIC K.The application of AC impedance to study the performance of lacquered aluminium specimens in acetic acid solution［J］.Progress in Organic Coatings，1997，31（3）：201-207.

［9］ 張咸進，賀誠，劉世海，等.基于fpga高速數(shù)據(jù)采集的電化學(xué)阻抗分析儀的研制［J］.計算機與應(yīng)用化學(xué)，2008，25（5）：579-582.

［10］ 于彥偉，段世紅，王沁，等.基于無線傳感網(wǎng)的管道腐蝕遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.小型微型計算機系統(tǒng)，2011，32（6）：1064-1070.

［11］ 平亦超，薄翠梅，何平.石油化工循環(huán)水自動加藥與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2014，4：23.

［12］ 張玉艷，鄧瑋，韓希昌，等.模糊預(yù)測控制在循環(huán)水加藥控制中的應(yīng)用［J］.工業(yè)水處理，2008，28（11）：83-85.

［13］ 曹生現(xiàn)，陳巖飛，李思博，等.新型循環(huán)冷卻水自動加藥控制裝置的研制［J］.化工自動化及儀表，2013，40（10）：1255-1258.

［14］ 田微，戴長虹，玉維友，等.循環(huán)冷卻水綜合在線監(jiān)控記錄系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（4）：111-112.

Online Monitoring System of Sewage Corrosion Based on Smart Injection of Inhibitor in Shengli Oilfield

GAO Chun-Xi
（Shengli Oil Production Plant，Shengli Oilfield Company，Sinopec，Dongying 257000，China）

An online corrosion monitoring system based on electrochemical impedance principle and oil-proof electrochemical probe was established for the oil bearing-sewage gathering pipelines in Shengli oilfield.Thanks to the fuzzy control method and the corrosion data from the monitoring sites ahead and behind the inlet of corrosion inhibitor and the outlet of sewage，we propose a solution to the corrosion surveillance and smart injection of corrosion inhibitor for the gathering pipelines.According to the solution，a surveillance server will give instruction to adjust the injection rate of inhibitor based on the trend of field corrosion rate and the fuzzy control model.This smart inhibitor injection system not only reduces the corrosion rate of gathering pipelines to the recommended standard，but also avoids the over dosage of inhibitor and reduces the cost of sewage treatment.

corrosion monitoring；electrochemical impedance；corrosion inhibitor；fuzzy control

TG174.4

A

1005-748X（2015）09-0883-05

10.11973/fsyfh-201509019

2015-01-10

高純璽（1965-），高級工程師，從事計量、標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量監(jiān)督等技術(shù)管理工作，13905469219，ccf1997106＠163.com