电场指纹法腐蚀监测系统
一、成果简介
（一）成果概述
本成果提出了一种精确监测管道内壁腐蚀的腐蚀监测方法，即电位降法无损检测方法。电位降法腐蚀监测技术，又叫电场指纹技术(Field Signature Method，简称FSM)，是20世纪90年代由挪威CorrOcean公司开发的一种新型无损检测技术。它于1991年开始第一次商业应用，并不断在工业领域得到应用，但该技术一直被国外垄断。FSM技术主要用于检测各种由于腐蚀造成的材料损失缺陷，可以检测包括均匀腐蚀、点蚀和冲蚀等油气管道腐蚀缺陷。
FSM的技术原理是将电极在待测区布置成阵列，给待测对象施加恒流源，通过测量各个阵点的电压值，计算电势差，由于金属材料的损失会导致电阻值的变化，从而根据不同的电势差值与初始值进行比较得到检测结果。如图1，给出的是FSM系统的技术原理图，通过外加恒流电源为待检测区输入恒定电流，在检测电极上完成电位信号采集，通过计算机对采集到的电位信息数据进行分析处理，从而实现对腐蚀情况的检测和实时监测。
图1 FSM系统的技术原理
为了描述材料腐蚀的程度，电场指纹技术引入了指纹系数（Fingerprint Coefficients）的概念，用FC值表示，FC值的单位是ppt。
就国内形势来说，FSM的设备、监测技术和数据解析技术仍被国外公司所垄断，国内油气田以及炼化厂使用时仍以从国外进口设备使用为主，不仅成本很高，而且后续的复杂数据解析还要依靠国外公司的技术服务，严重缺乏自主性。导致国内对FSM系统的应用一直存在很大问题。因此，深入研究FSM的现场监测技术和数据解析技术，自主研发匹配的FSM在线监测设备和软件系统，不仅对保障装置、设备和构件的安全可靠运行，减少经济损失和环境破坏具有重要价值，而且也能降低国内的使用成本，保证相关系统的持续运行，对推动我国腐蚀监测领域的发展具有深远意义。本成果研制了一套低激励、高精度、一体化电场指纹检测系统，并通过对电场指纹信号的研究，发展和完善电场指纹技术，主要包括温度补偿、坑蚀的检测精度、点蚀的识别预测以及对点蚀的发展进行安全评价等。
（二）技术特点及技术指标
近二十多年来，FSM技术在国外已经开展了广泛的应用并且获得了广泛好评，进入21世纪后我国也陆续引进了FSM技术，但是因设备的价格昂贵，售后服务较差且数据分析不及时等原因，而并没有得到广泛应用。基于此，本成果为打破技术壁垒、推广技术的国内应用、自主开发有我国自主知识产权的FSM系统而做了相应的工作。
基于FSM原理，本成果不仅完成了FSM系统的搭建和数据解析软件的设计，而且在理论和数据解析方法上发展和完善了电场指纹技术。技术特点和技术指标主要包含以下几点：
（1）调研当前国内外常用的无损检测技术，分析了电场指纹技术的原理和当前国内外的应用情况之后，基于PXIe平台和FSM原理搭建了一套非介入式在线腐蚀监测系统。针对微弱电压信号的采取，本文设计了低激励、高精度、一体化的硬件平台，并基于LabVIEW环境编写了软件程序，基于MATLAB和Python语言进行了数据解析工作。系统集成性、精确性和安全性好，并且可根据实际需求进行扩展和二次开发，符合无损检测设备的发展趋势。
（2）提出一种新的温度补偿方法，摒弃了原有方法上参考板的使用，通过数学方法和材料特性进行温度补偿。基于多物理场耦合的数值仿真和非线性回归算法分析建立了电场指纹技术的温度补偿方程，简化了电场指纹系数方程，该方法误差小，适用于各种材料，有较好的实用性和稳定性。
（4）对管道发生点蚀位置进行了准确的定位，通过对比点蚀坑附近FC值之间的比值，确定点蚀发生所在的象限，并利用双隐藏层神经网络对位置信息进行了修正，得到了修正后的FC值数据，提高了检测精度。
（5）针对点蚀形貌监测中的具体问题，本文建立点蚀的特征信号样本空间，并基于点蚀信号特点，提出了多元线性回归和基于GA-BP神经网络的两种点蚀尺寸反演算法。两种算法都能有效提高FSM技术中对点蚀的检测精度，减少点蚀信号分析误差，在理论上发展和完善了电场指纹技术。
（6）通过实验室条件下的腐蚀监测试验对其检测精度进行验证，结果表面本系统对均匀腐蚀检测精度在±1%以内，对点蚀的检测结果在±5%以内，与国外进口设备基本一致，表明本系统已达到国际先进水平。
二、技术成熟程度
已在产业中应用
三、推广合作方式
整体转让、技术许可、作价入股、合作开发、其他
四、团队简介
团队面向油气装备的腐蚀与防护问题，围绕油气工程装备的可靠性管理、金属结构和材料的损伤机制、表面处理技术、腐蚀监检测技术、电化学阻抗谱技术等重点领域和关键技术问题展开研究。依托海洋物探及勘探设备国家工程实验室、新能源物理与材料科学山东省教育厅重点实验室、山东省海洋油气装备焊接与表面处理工程实验室、青岛市焊接与表面技术工程研究中心、青岛市油气分离和转化新材料工程研究中心、青岛市能源与装备材料产学研合作联盟等研发平台，已发展成为国内油气装备腐蚀与防护领域具有重要影响的研究团队。团队先后主持/参与国家自然科学基金、国家863课题、工信部海洋装备科研项目、山东省重点研发计划、山东省自然科学基金等科研项目40余项，在研科研经费逾600万元；出版《热浸镀钢材在海洋环境中的腐蚀行为与失效机制》等专著/教材3部；授权国家发明专利30余项，发表论文200余篇（SCI收录60余篇），SCI他人引用2000余次；荣获山东省科技进步一等奖、中国科学院卢嘉锡青年人才奖、青岛市青年科技奖、青岛市青年科技创新奖，“李焰科研团队”得到青岛市“科技将才”专项计划支持；培养博士、硕士99名，多人次荣获国家奖学金。
五、专利授权及申请情况
1、国家发明专利：一种基于挂片的模块化电场指纹检测系统及检测方法（授权）
2、国家发明专利：基于挂片的分布式电场指纹检测系统及检测方法（授权）
3、国家发明专利：用于电压检测的温度补偿方法、电场指纹检测方法及系统（授权）
4、国家发明专利：一种管道中腐蚀点参数测量方法及其设备（实审）
5、国家发明专利：一种管道的腐蚀检测方法及其设备（实审）
6、实用新型专利：一种基于挂片的模块化电场指纹检测系统（授权）
7、实用新型专利：基于挂片的分布式电场指纹检测系统（授权）
六、受资助及获奖情况
国家自然科学基金面上项目，41676071，海底管线焊接接头电偶腐蚀过程的精确建模及跨尺度表征，2017-01至2020-12。
联系方式：0532-86983018。
