腐蚀监测技术创新

发布时间：2006-09-25 作者：Pepperl+Fuchs 公司

　　腐蚀监测产品的历史
　　过程工业行业的腐蚀监测一直是摆在专业腐蚀工程师面前的一块硬骨头，腐蚀现象也是经过训练的专家们重点研究并且在金属合金材料和化学反应过程当中有大量体验的一个问题。这些专家和工程师们过去常常采用的腐蚀评估方法包括对放置在管道中的挂片进行分析。在被暴露在过程介质之前，这些挂片都经过了精确的称重测量，然后专家们对挂片进行分析，研究金属材料的流失程度和挂片的其它缺损。这是确定整个过程的均匀腐蚀率和局部腐蚀率的基础。在更多的地方放置更多的挂片可以获得大量的数据用于腐蚀评估，这样可以取得更加精确的设备腐蚀图像。经过多年的发展，腐蚀评估工具已经能够帮助腐蚀工程师使他的或她的工作具有更高的效率。这些工具还可以为腐蚀专家提供高水平的数据用来判断腐蚀程度。不过到目前为止这种数据只对腐蚀专家有用，设备操作人员或是控制系统工程师还无法利用这些数据。将来，一种可以方便的在标准控制室建筑中运行的腐蚀监测系统一定会出现。

　　腐蚀监测的未来
　　Pepperl+Fuchs 公司的CorrTran™ 是第一种既可以评估均匀腐蚀情况，也可以评估局部腐蚀情况的两线制4～20mA变送器，它们都采用同样的工业级变送器外壳。CorrTran™ 是一种革命性的腐蚀监测手段，它使腐蚀评估走出了实验室， 进入了每天的过程控制当中。C o r r T r a n ™ 的核心设计基于来自休斯顿的InterCorr International公司高度成功的SmartCET®技术。经过多年的发展，SmartCET的用户已经能够实时监测腐蚀现象的进行，并且在其造成明显的损伤之前对其作出反应。CorrTran™ 通过一种以工业标准4～20mA 控制信号为基础进行操作的、简单的、便于使用的两线制变送器将这一成功提升到了一个新的水平，CorrTran™ 变送器还可以方便的集成HART 协议。
　　腐蚀监测技术
　　腐蚀过程是基于这样一种现象，当一块金属/合金被浸入一种导电液体当中的时候，金属/合金将会通过一种电化学过程被腐蚀。下面的例子说明了金属（铁）溶解于一种酸性溶液时的一个简单反应：
　　Fe—>Fe²⁺+2^e-
　　2H⁺+2e^-—>H_{2
　　由于铁离子的作用，当正在被腐蚀的管道或储罐表面的金属进入邻近的溶液（这种液体正在造成腐蚀）中时会产生一个阳极。这个过程会导致金属表面的电子出现过剩。这些过剩的电子流向邻近的阳极点，这样就形成了腐蚀电流Icorr。然后这些过剩的电子会被腐蚀性溶液中的氧化物消耗掉。在金属的整个被腐蚀表面，阳极点和阴极点不断的变换位置并且保持存在。这种随机的状况使得人们没有办法直接测量腐蚀电流Icorr。为了克服这种限制，人们把一种由三个电极构成的探头放入腐蚀性溶液当中，这三个探头由相同的金属材料制作而成。使用这种探头，人们可以利用电极之间很小的电位差来测量产生的电流。这个电流会受到腐蚀电流Icorr的影响。如果电极以很快的速度被腐蚀，那么金属离子（在这个例子当中是Fe2+）就会很容易进入溶液当中，并且只需很小的电势差作用于电极上就能够产生与Icorr 成比例的很大的电流。与此种情况相类似，如果电极以比较低的速度被腐蚀，那么离子进入溶液的速度就会比较缓慢，作用于电极上的微小电势差所产生的电流也比较小。通过复杂的算法和数据分析，CorrTran™可以将这种关于腐蚀的信息转变成工厂工程师可以利用的4～20mA 形式的标准信号。
　　CorrTran™ 变送器的操作
　　CorrTran™变送器的核心是代表了当代技术发展水平的、获得专利保护的算法和数据分析技术，可以精确测量腐蚀速度和局部腐蚀程度（点蚀）。谐波畸变分析(HDA)技术被用于提高工业界普遍接受的线性极化电阻法（LPR）腐蚀速度测量技术的性能。为了进一步提高性能，还可以针对特定的应用将Stern Geary 值（B-value）存储在变送器里。事实上B-value 还可以由用户自己进行调整以便更加精确地表现用于过程的管道和材料。在一个测量周期当中，CorrTran™变送器会执行一种独特的电化学噪声（ECN）测量技术，这种测量技术与腐蚀率数据结合后能够为用户提供点蚀率的测量值。在每一个完整的测量周期当中，CorrTran™变送器都会计算相应的腐蚀率或点蚀率，并且以4～20mA 标准信号的形式呈现给工厂当中的有关人员。}
　　线性极化电阻法（LPR）腐蚀率测量技术成为工业界关于总体腐蚀程度监测的标准方法已经有很长时间了，这种方法的理论基础是Stern-Geary关系式。这种B-value关系将产生出来的电位差和被测的腐蚀电流关联起来，从而产生一个极化电阻的测量途径。人们就利用这个极化电阻来确定均匀腐蚀率。由于采用这种方法的时候选择正确的B-value是非常关键的，因此人们通常认为仅仅使用这一种方法来测量均匀腐蚀速度是不可靠的。HDA分析实际上是基于LPR技术的一种发展。通过在测量电流上叠加一种低频正弦波，人们就可以通过对获得的信号进行一种谐波分析来计算出腐蚀性溶液的电阻。同时采用极化电阻和溶液电阻人们就可以更加精确的确定均匀腐蚀率。最后是ECN方法，通过ECN方法可以计算获得局部的腐蚀率。ECN方法测量正在被腐蚀的金属和溶液界面上产生的一种自然波动。这种测量方法必须使用具有3个电极的探头才能进行，通常被用于判断是否存在局部腐蚀。
　　实时腐蚀监测
　　采用4～20mA 标准控制信号的实时监测信息使得工厂的操作员能够了解腐蚀状态。操作员可以对腐蚀率的历史数据和当前的腐蚀率进行评估，从而迅速确定是否需要改变水质、改变化学品以及缓蚀剂的性能。就像预期的那样，所有这些情况都会影响管道的腐蚀状况，在CorrTran™变送器的帮助下，每一根管道都能得到更加有效的监测和控制。另一方面，作为预知保养计划的一部分，工厂的操作员还可以使用CorrTran™变送器以及它的实时数据对怀疑将会出现问题的设备制定出更换计划。这种仪表的高超性能还允许用户监测均匀腐蚀或者局部腐蚀。实际上如果局部腐蚀现象没有在早期被监测出来，它将会带来更大的危险。这种类型的腐蚀会使管道迅速出现穿孔，但是如果早期介入采取措施，这种腐蚀可以被有效的压制住。CorrTran™变送器第一次使得均匀腐蚀和局部腐蚀都能够在线、实时的被监测到，而不是采用历史数据在事实发生之后才了解，这样将会错失过程和腐蚀状况。我们已经不需要采用过时的技术，在经过一段时间以后才能确定腐蚀现象的发生与否，腐蚀现象现在可以像任何其它过程变量（例如压力、流量、液位、温度、pH等）一样通过现有的人机接口设备（HMI）进行监测。CorrTran™变送器比任何其它监测设备都运行的更好，因为它既能够监测均匀腐蚀状况，也能够监测局部腐蚀状况。这种能力是非常重要的，因为在某些情况下均匀腐蚀率可能会很低，但是局部的点腐蚀同样会快速形成意外的、及其危险的管道穿孔。CorrTran™变送器提供的实时数据使得操作人员能够快速、明了的了解当前的腐蚀情况。

　　为什么说实时腐蚀状况数据是非常重要的呢？现代化工厂装置的工作强度之大以及连续运行周期之长是前所未有的，因此过程的可靠性对于工厂的基本收益率和雇员的安全具有非常关键的作用，而腐蚀同整个工厂系统的可靠性具有非常明确和直接的关系。在此之前，从来也没有一种在线工具能够像CorrTran™变送器一样有效。不难理解，任何一个工厂的操作员都不会满足于只能对温度、液位或者压力进行离线测量，对于腐蚀也同样如此。一个有效的腐蚀状况监测系统可以被当作一种对系统完整性和设备资产的受损程度进行评估的工具，就像温度、液位和压力被用于某些及其相似的用途一样。DCS系统和PLC系统收集的过程数据通常被实时的显示在控制室的显示屏上。如果这些数据被延迟了一个小时或一个月再显示，那么过程工程师该怎么办？
　　过程的实际状况有可能与图3 显示的离线信息完全不一样。通过这些图表（图3 和图4）我们可以清楚的看到，在线变量对于任何过程都是及其重要的。完全无法想象一个工厂的操作能够基于离线的基本变量（压力、液位、温度等）；因此，很容易理解工厂对实时的在线腐蚀状况测量的渴求程度是与其它基本过程变量一样的。失控的反应、超限的流量或者被腐蚀的管道都是对工厂生死攸关的事情，以离线的方式对它们进行测量和评估是绝对无法接受的。工厂对CorrTran™变送器的需求是非常明确的。
　　新的发展
　　Pepperl+Fuchs 公司和InterCorr 公司很清楚，过程工业需要一种可以使工厂操作员具备通过现有的控制系统监视腐蚀速度并且区分均匀腐蚀情况和局部腐蚀情况的产品。工业界需要一种能够利用现有的管理软件的产品，而不是那些采用非标准通讯协议进行操作的复杂的软件程序。正是这些需求催生了Pepperl+Fuchs公司和InterCorr公司的这个联合技术项目。两家公司组织了这个联合技术项目来解决过程工业界日益增长的对于在线腐蚀监测的担心。通过结合两家公司的力量，Pepperl+Fuchs公司能够发挥其接口和变送器的专业技术，而InterCorr公司的任务非常明确的集中在腐蚀监测以及他们的SmartCET软件工具上。
　　目标
　　研发CorrTran™变送器的目的是创造一种能够很方便的集成到标准4 ～20mA 控制系统中的产品，可以很方便的采用工厂标准HART 协议进行通讯；既能够安装在爆炸危险区域，也能够安装在非爆炸危险区域。为了实现这些目标，Pepperl+Fuchs 公司选择了该公司的成熟产品之一：用于Vibracon产品（音叉液位开关）的Type 4X，7，8 和9 变送器外壳作为CorrTran™的硬件平台基础，该变送器外壳也被用于Barcon（静压液位测量）系列产品。然后开始着手将SmartCET 的串行通讯转变成仪表的基于4～20mA 标准信号的HART 通讯。事实证明这是一个相当复杂的任务。
　　第一个并且是最重要的任务是大大降低能量消耗。不像其它腐蚀监测仪表，这种新型仪表需要运行在只有4mA（实际上是3.7mA）的电流。因此整个电子单元必须经过重新设计和优化。而且关键的测量参数通常都是通过SmartCET的串行通讯获得的，必须把这些参数连接到HART接口上。最后，必须缩小电子插件的总体尺寸以便装进空间相对窄小的变送器壳体内。经过将近18个月的研发，最终成功开发出了一台2线制回路供电的腐蚀监测仪表，它可以被安装到安全区，也可以被安装在1区和2区的爆炸危险场所。这种变送器可以被连接到任何DCS 或者PLC 系统的模拟输入接口。由于这种变送器具备HART功能，工厂中的现场人员也可以通过一种标准化的手持式通讯器监视来自于CorrTran™变送器的关键信息，或者通过DCS/PLC系统的一块“智能”模拟量输入卡件直接读取CorrTran™ 变送器的关键数据，也可以通过HART多路转接器（例如2700或者Pepperl+Fuchs 公司的KFD2-HMM）将数据直接发送到设备管理软件（例如Emerson Process Management 公司的AMS 软件或Cornerstone 软件）。
　　产品规格
　　CorrTran™变送器上用于腐蚀监测的标准探头由3 个电极组成，其中2 个电极用于测量，1 个电极用于参照。为了得到精确的测量结果，3 个电极必须用与被监测的管道或储罐相同的材料制作。探头被直接放置在腐蚀性流体当中并且感应出一个很小的信号。这些信号被变送器监测和分析以便得到精确的代表腐蚀程度的数据，其过程耗时约7分钟。下面是用于管道监测的电极材质的一个部分列表：
　　■ 1018 碳钢■ 304 不锈钢
　　■ 316 不锈钢■ 哈氏合金
　　■ 400 蒙乃尔■ 1100 铝
　　■ 2024 铝■ GR2 钛
　　还有各种类型用于直接安装或者远程安装的机械探头，既可以是固定长度，也可以是长度可调的。基本型探头带有标准的3/4”NPT连接配件，其压力等级高达1500psi（102巴）。过程媒介的温度最高可达250°F（125 ℃），变送器允许的环境温度范围从-20 华氏度一直到158°F（-28℃到+70 ℃）。除此以外，为了获得精确的腐蚀状况读数，CorrTran™ 变送器的唯一要求就是管道或者储罐内的介质必须有至少1% 的含水量。
　　由于具有坚固的设计和工业化的外壳，CorrTran™ 变送器可以安装在任何工业应用场合，从废水处理、化学过程到石油炼制。如果使用在非防爆区域，只需要简单的将CorrTran™变送器连接到一个DCS 或PLC 的模拟输入端口，然后根据当地、所在州或是国家的有关规范把探头安装好即可。对于Division2 的应用，由于CorrTran™ 变送器采用低功耗设计，用户可以直接把它安装在属于Division2的位置，只要管道内的腐蚀性液体是不可燃液体即可。在Division2的应用当中，4～20mA控制信号必须按照NEC 关于Division2 接线方法的规定进行连接。Division2 被定义为只有在非正常情况下才会出现爆炸危险性气体（例如阀门失效、意外泄露、密封材料老化等）。实际上过程工厂中的大部分区域都可以划分为Division2；因此CorrTran™变送器可以很方便的安装在这些区域。在1 区应用CorrTran™变送器需要采用特别设计的型号。本质安全型的CorrTran™ 变送器要求在I/O 卡件和变送器之间使用一个隔离式安全栅。这个安全栅（例如Pepperl+Fuchs 公司的KFD2-STC4-Ex1）能够限制输入到1区的能量，并且能够同CorrTran™变送器协同工作消除可能在爆炸危险区域引起火花的高能量。
　　CorrTran™变送器的组态
　　CorrTran™ 变送器可以被连接到任何支持HART的工具进行组态，只要这个工具的设备描述文件（DD）库中已经安装了CorrTran™变送器的设备描述文件（DD）即可。这样就可以对应用中的各种特定参数很方便的进行修改，例如量程、报警点、B-value 以及阻尼系数等。目前大部分的HART变送器实际上是通过手持式通讯器进行编程的。如果HART通讯无法实现或是不能得到保证，我们的变送器还可以使用Pepperl+Fuchs 公司自己的PACTware软件进行组态。这个组态和诊断程序可以非常方便的安装在任何一台PC机里，PACTware软件现在已经被Pepperl+Fuchs 公司用作该公司所有可编程产品的通用组态工具。目前有些DCS 系统也采用了一种基于PACTware架构外壳的组态模件。这种现场设备工具（FDT）外壳使用设备类型管理器（DTM）文件来实现对变送器特定参数的组态（例如CorrTran™数值）。在这个设置过程中，与变送器进行通讯所需要的唯一附件就是一个简单的HART 转换器，它可以直接插在PC 上可用的COM 口或USB 接口上。
　　结论
　　CorrTran™变送器将腐蚀监测水平提高到了一个全新的高度，这使得过程工程师可以随时获得腐蚀率，因而能够根据当前的过程条件实时的作出决定。
文章编号：060915
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