本發(fā)明涉及金屬管道或容器內(nèi)壁坑蝕的高精度檢測方法，具體地說，涉及一種基于場指紋法對石化行業(yè)油氣管道或容器小腐蝕坑更高精度的檢測方法，創(chuàng)新性地解決了傳統(tǒng)FSM法中小腐蝕坑不可解的問題，屬于測量技術領域。

背景技術：
目前石化行業(yè)普遍采用電阻探針法和極化探針法在線檢測管道的腐蝕狀況，但這些方法只能進行均勻腐蝕檢測，對危害性極大的坑蝕無檢測能力，高精度和高可靠性的坑蝕檢測方法和技術是石油化工行業(yè)安全運營迫切需要的技術之一。場指紋法(FieldSignatureMethod,FSM)由于可靠性好，耐高低溫，壽命長，國外已廣泛地應用于油氣管道、重要容器和結(jié)構的腐蝕檢測。為便于理解本發(fā)明的技術方案，先簡介FSM原理、發(fā)展歷程和現(xiàn)有腐蝕參數(shù)測量、計算方法：FSM是一種無干擾的管道腐蝕檢測技術，其測量用的電極和所有配套設備都安裝在被檢測對象(如儲罐、管道等)外部，與被檢測區(qū)域內(nèi)的流體無接觸。由于管道腐蝕之后，該腐蝕區(qū)(由一對電極覆蓋)變薄導致電阻增加，在恒流源I的作用下，測量和分析測量電極間的電壓變化得到管道內(nèi)腐蝕的狀況。為了消除溫度和電流變化的影響，須增加一對參比電極，通常放置一個緊貼在管道外部且和管道絕緣的同質(zhì)金屬板。圖1所示為管道外測量電極和參考電極示意圖，在管道上安裝完畢后，再包裹上一層絕緣層(如聚酯乙烯)與管道一起埋入地下或海底，測量時無需開挖掩埋層。FSM由挪威學者H.Hannestad1983年在一份專利中首次提出的。該方法和技術具有可靠性特別高，安全性好和溫度適應范圍特別大的優(yōu)點。FSM的本質(zhì)是矩陣化的電位法，即將一組測量電極矩陣安裝(通常是焊接)在被檢測金屬對象外部，用于檢測對象內(nèi)部的腐蝕狀況。它的基本原理是測試金屬體電阻的變化。由于電極間電阻極小一般為幾十uΩ，即使施加數(shù)十安電流，極間電壓也只有幾十uV，而腐蝕0.1mm時引起的電壓變化只有0.1uV數(shù)量級。受當時元器件和儀表工業(yè)水平的限制，這一技術沒有得到應用。1989年，挪威CorrOcean公司在購買以上專利的基礎上，開發(fā)了比較實用的FSM產(chǎn)品。很多學者對相關技術做出大量的研究和貢獻。最具代表性的有：1991年，挪威R.Strommen等人提出了改進的FSM的模型，通過增加一參考板，減少了溫度和激勵電流變化的影響，提出了場指紋系數(shù)FC概念和算法，使一對電極所全部覆蓋的區(qū)域腐蝕量檢測精度得到了提高，從而使FSM在海底管道和海底重要構件的腐蝕檢測上得到了較廣泛地應用。受當時計算技術的限制，F(xiàn)SM在原理上的局限性還沒有被認識到，坑蝕的計算還是以經(jīng)驗公式為主，例如當諸FC有變化時，采用3-5倍的安全系數(shù)來給出坑蝕量，使坑蝕量沒有精度確定性。2008年，英國學者D.MFarrell和A.Daaland等人在仿真計算的基礎上，認識到了當電流經(jīng)過坑蝕區(qū)域時，均勻電流將受到擾動，導致系統(tǒng)的精度下降。由于坑蝕大小、深度和位置的隨機性，使電流場的分布沒有確定性,檢測精度為10-15％WT(壁厚10mm時，誤差1-1.5mm)。2010年英國帝國理工ImperialCollege的G.Sposito、PeterCawley等人認識到了因腐蝕導致電流重新分配而導致電位變化不再呈線性的問題，并對電位探針布局進行了優(yōu)化。在坑蝕位置已有先驗知識的條件下，提出了用一對電極電壓對應一個腐蝕區(qū)域并輔以電位圖(PotentialDropMapping)來檢測腐蝕的變化發(fā)展情況，給出的電位探針間距最優(yōu)解沒有普適性。2009年美國IowaStateUniversity的N.Bowler對四點法(4點在一條線上，2外點施加電流，2內(nèi)點測電壓,是FSM特例)進行了理論分析，給出了一對電極電壓和厚度近似的計算方法，提出了測量金屬板時四點探針布局的原則。四點法可以測出坑蝕，但需要逐點移動檢測，不適合用在實時檢測的場合，例如海底和埋地管道。但截止目前，F(xiàn)SM方法對于小腐蝕坑的檢測存在不可解問題。小腐蝕坑的定義是：腐蝕坑的面積小于對應電極覆蓋的區(qū)域。由于坑蝕一定是由無到有，有淺到深的，故小腐蝕坑一定是存在的。當一對測量電極之間出現(xiàn)小腐蝕坑時，極間體電阻會增加，同時，電流的分布也會發(fā)生改變，從而導致極間電壓發(fā)生變化，但是一個小腐蝕坑有兩個因素影響著電壓的變化——坑的面積和深度，即：ΔVi,j；i,j+1＝f(S,D)S——面積，D——深度。由于對應測量電極只能輸出一個電壓變化值，從而上述關系式是多解的，即小腐蝕坑的面積和深度具有多種可能性，僅憑一個電壓變化值無法確定小腐蝕坑的面積和深度，即小腐蝕坑不可識別問題(圖3)。以往的處理方法是人為地消除一個變量，將面積S視為一個固定值，即將腐蝕坑的面積大小定義為一個測量電極對所對應的圓形區(qū)域或者矩形區(qū)域，該區(qū)域的直徑或邊長等于測量電極對的極間距離(圖4)，用電壓計測量所有測量電極對及參考電極對在無腐蝕坑時(t0時刻)和有腐蝕坑時(tx時刻)的電壓，根據(jù)圖2所示的電阻鏈模型，任一對測量電極所代表的局部腐蝕程度由指紋系數(shù)(FC值)判斷：式中：Vi,j；i,j+1(t0)，Vi,j；i,j+1(tx)—電極對(i,j；i,j+1)在t0和tx時刻的電壓；Vref(t0)，Vref(tx)—標準電極對在t0和tx時刻的電壓；根據(jù)FC值，可以得到壁厚WT(WallThickness)計算公式：式中：WTi,j；i,j+1(tx)為當前被測區(qū)域厚度，WTi,j；i,j+1(t0)為被測區(qū)域原始厚度。上述方法不能真實、準確地反映腐蝕坑的實際狀況，根據(jù)該公式求解出的小腐蝕坑的深度誤差將會達到±15～25％WT(WT為壁厚，當壁厚為10mm時，精度為±1.5～2.5mm，最小可測的腐蝕坑面積為1.5WT)。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對目前FSM方法對坑蝕檢測精度低等不足，提供一種能準確分辨坑蝕，特別是小腐蝕坑的測量方法，從而發(fā)展和完善FSM方法。本發(fā)明的技術方案是：一種金屬管道、容器坑狀腐蝕檢測方法，基于場指紋法原理，在金屬管道或容器的外壁布置測量電極矩陣，所述測量電極矩陣在管道或容器的圓周方向有i列電極，在軸線方向有j行電極，任意軸向上的兩個相鄰電極構成一個測量電極對；設置一個參考板，該參考板的材質(zhì)與被測管道或容器的材質(zhì)相同；所述參考板上設置有一對參考電極，作為參比標準電極；定義任意腐蝕坑所在區(qū)域的測量電極對作為主電極，相應的電壓作為主電壓；其它電極對作為輔電極，相應的電壓作為輔電壓；再按如下步驟測量求解腐蝕坑的面積及深度：(1)、將主電極對應的測量區(qū)域再細分為a×b個小區(qū)；以電極間距的1/5～1/3作為坑蝕直徑起始值，電極間距的最大值為坑蝕直徑終止值，步長為0.5～1mm,以1/20～1/15壁厚作為坑蝕深度起始值，7/10～8/10壁厚為坑蝕深度終止值，步長為0.5～1mm，利用穩(wěn)恒電流場法，逐一計算每個小區(qū)無腐蝕坑時即t0時刻和有腐蝕坑時即tx時刻的主電壓、輔電壓，求出主、輔電壓的變化值，建立主、輔電壓法的腐蝕數(shù)據(jù)庫；(2)、從參考板向金屬管道或容器輸入恒流激勵電流，使該激勵電流流過參考電極和測量電極矩陣，該激勵電流的強度與采用穩(wěn)恒電流場法計算時的電流強度相同；(3)、用電壓計測量所有測量電極對及參考電極對在t0時刻和tx時刻的電壓；(4)、按下式計算主電壓tx時刻的指紋系數(shù)式中：Vi,j；i,j+1(t0)，Vi,j；i,j+1(tx)—電極對(i,j；i,j+1)在t0和tx時刻的電壓；Vref(t0)，Vref(tx)—參考電極對在t0和tx時刻的電壓；輔電壓的指紋系數(shù)的求解公式與主電壓的指紋系數(shù)的求解公式相同；(5)、按下式求出修正后的主電壓：V’i,j；i,j+1(tx)＝(FCi,j；i,j+1(tx)/1000+1)×Vref(tx)×Vi,j；i,j+1(t0)/Vref(t0)(2)式中：Vi,j；i,j+1(t0)，Vi,j；i,j+1(tx)—主電極對(i,j；i,j+1)在t0和tx時刻的電壓；輔電壓求解公式與主電壓求解公式相同，并求解出輔電壓；(6)、按下式求出修正后的主電壓變化值：ΔV’i,j；i,j+1(tx)＝V’i,j；i,j+1(tx)-Vi,j；i,j+1(t0)(3)輔電壓變化值求解公式與主電壓變化值求解公式相同，并求解出輔電壓變化值；(7)、將修正后的主、輔電壓變化值與腐蝕數(shù)據(jù)庫匹配，即修正后的主、輔電壓變化值與數(shù)據(jù)庫中的主、輔電壓變化值相差最小時的腐蝕坑的面積和深度即為求解值。作為優(yōu)選的，所述測量區(qū)域細分為3×3共9個小區(qū)，即a＝b＝3。作為優(yōu)選的，所述電壓計采用高分辨率的精密電壓測量模塊。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明在不改變原有FSM法探針布局的情況下，通過主、輔電壓法可以快速求解小腐蝕坑的面積和深度，并且大幅度提高了測量精度，使測量結(jié)果更加真實、準確地反映坑腐蝕的實際狀況，為人們判斷事故隱患提供可靠依據(jù)。附圖說明圖1FSM法原理示意圖圖2FSM等效電阻網(wǎng)絡模型及主、輔電壓示意圖圖3小腐蝕坑不可解問題示意圖圖4傳統(tǒng)FSM法認為的坑蝕的輪廓形狀示意圖(該法認為坑蝕的面積S是固定的)圖5FSM細分后的等效電阻網(wǎng)絡模型圖具體實施方式為了能準確分辨小腐蝕坑的面積和深度，本發(fā)明提出一種主、輔電壓法，即定義任意腐蝕坑所在部位所對應的電極對作為主電極，相應的電壓作為主電壓Vi,j；i,j+1；將其余軸向電極對作為輔電極，相應的電壓作為輔電壓，即輔電壓Vi-1,j；i-1,j+1，Vi+1,j；i+1,j+1，…,Vi,j+n；i,j+n+1；同時利用穩(wěn)恒電流場法建立腐蝕數(shù)據(jù)庫，按照穩(wěn)恒電流場法的相關要求向被測管道或容器施加恒流激勵電流，測量并處理得到修正后的主、輔電壓變化值，通過匹配主、輔電壓變化值，從而高精度和有確定性地得到該主電極對應區(qū)域內(nèi)的小坑腐蝕的面積和深度。其原理如下：將圖2中的等效電阻鏈模型根據(jù)測量要求進行ab均勻細分，即細分成ai×bj個子電阻(圖5)，則一個電阻可以細分成ab個子電阻，計算出細分電阻網(wǎng)絡的FC比值陣列，由下列公式得出：其中I為沒腐蝕前每行電阻鏈上流過的電流，R為原始電阻值，R'為改變的電阻值，I(m-1)m為流過阻值發(fā)生改變的電阻的電流，In(n+1)為流過其它阻值未發(fā)生改變的電阻的電流，F(xiàn)Ci,j；i,j+1(tx)為阻值發(fā)生改變的電阻的FC值，F(xiàn)Ci,j；i,j+1(t0)為阻值未發(fā)生改變的電阻的FC值。根據(jù)FC比值陣列求出任意時刻極間電壓的表達式，由下列公式得到：ΔVFC為阻值發(fā)生改變的電阻兩端的電壓，Vi,j；i,j+1(tx)為tx時刻的主電壓，Vi,j；i,j+1(t0)為t0時刻的主電壓，ab表示原電阻網(wǎng)絡細分之后，一個電阻對應的子電阻個數(shù)。其它n個輔電壓的計算公式也相似。計算出一個子電阻單獨發(fā)生變化后的主電壓Vi,j；i,j+1(1)和n個輔電壓Vi-1,j；i-1,j+1(1)，Vi+1,j；i+1,j+1(1)，…,Vi,j+n；i,j+n+1(1)，再計算出幾個子電阻同時發(fā)生變化后的主電壓Vi,j；i,j+1(n)和n個輔電壓Vi-1,j；i-1,j+1(n)，Vi+1,j；i+1,j+1(n)，…,Vi,j+n；i,j+n+1(n)。根據(jù)計算結(jié)果表明:當兩種情況的主電壓相等時，輔電壓不相等，即：Vi,j；i,j+1(1)＝Vi,j；i,j+1(n)Vi-1,j；i-1,j+1(1)≠Vi-1,j；i-1,j+1(n)Vi+1,j；i+1,j+1(1)≠Vi+1,j；i+1,j+1(n)Vi,j+n；i,j+n+1(1)≠Vi,j+n；i,j+n+1(n)上式即從理論上說明了不同的坑對主電壓的影響可能一致，但對輔電壓的影響是不一致的。根據(jù)上述理論，即可利用主、輔電壓綜合判斷小腐蝕坑的面積S和深度D。具體方法是：根據(jù)被測管道的材料，管型，直徑，厚度，設計測量電極矩陣。在管道的圓周方向以i行，沿軸線方向以j列進行布置；添加一個參考板，并在其沿電流方向中線區(qū)域布置一對參考電極。所有電極橫向和縱向距離為3～5倍壁厚(WT)；從參考板施加恒流激勵電流，然后采集并保存測量電極組電壓矩陣和參考板電壓在無腐蝕坑(t0時刻)和有腐蝕坑時(tx時刻)的電壓，求出指紋系數(shù)FC值：式中：Vi,j；i,j+1(t0)，Vi,j；i,j+1(tx)—電極對(i,j；i,j+1)在t0和tx時刻的電壓；Vref(t0)，Vref(tx)—參考電極對在t0和tx時刻的電壓；根據(jù)FC值，按下式計算得到修正主電壓變化值：V’i,j；i,j+1(tx)＝(FCi,j；i,j+1(tx)/1000+1)×Vref(tx)×Vi,j；i,j+1(t0)/Vref(t0)式中：Vi,j；i,j+1(t0)，Vi,j；i,j+1(tx)—電極對(i,j；i,j+1)在t0和tx時刻的電壓；Vref(t0)，Vref(tx)—參考電極對在t0和tx時刻的電壓。修正輔電壓求公式與修正主電壓求解公式相似，并求解出修正輔電壓；按照下式計算得到主電壓變化值：ΔV’i,j；i,j+1(tx)＝V’i,j；i,j+1(tx)-Vi,j；i,j+1(t0)輔電壓變化值求解公式與主電壓變化值求解公式相同，并求解出輔電壓變化值；利用穩(wěn)恒電流場法計算、并通過實驗驗證建立腐蝕數(shù)據(jù)庫，計算的數(shù)據(jù)包括：Fori＝1toi(管道的圓周方向有i列電極)Forj＝1toj(在管道的軸線方向有j行)Forq＝1toab(主電壓對應區(qū)域有a×b共ab個小區(qū))ForΦ＝1/5～1/3dtod,step0.5～1mm(Φ-坑蝕直徑，d-電極間距。)ForD＝1/20～1/15WTto7/10-8/10WT,step0.5～1mm(D-坑蝕深度。石化行業(yè)管道需要檢測的最小坑蝕深度為1/20～1/15WT。)goto“計算Vi,j；1,j+1(tx)模塊”NextΦNextDNextqNextjNexti將實際測量并修正后的主、輔電壓與數(shù)據(jù)庫進行匹配，即可得出腐蝕坑的面積和深度。匹配采用模式匹配原則，設數(shù)據(jù)庫主、輔電壓變化值為ΔVi,j；i,j+1(m)，輔電壓變化值為ΔVi-1,j；i-1,j+1(m),ΔVi+1,j；i+1,j+1(m),…,ΔVi,j+n；i,j+n+1(m)，測量所得主電壓變化值為ΔVi,j；i,j+1和輔電壓變化值為ΔVi-1,j；i-1,j+1,ΔVi+1,j；i+1,j+1,…,ΔVi,j+n；i,j+n+1，則有：Δ1＝ΔVi,j；i,j+1(m)-ΔVi,j；i,j+1Δ2＝ΔVi-1,j；i-1,j+1(m)-ΔVi-1,j；i-1,j+1Δ3＝ΔVi+1,j；i+1,j+1(m)-ΔVi+1,j；i+1,j+1Δn＝ΔVi,j+n；i,j+n+1(m)-ΔVi,j+n；i,j+n+1在一系列的μm中，最小的μm對應的腐蝕坑即是求解結(jié)果。即修正后的主、輔電壓變化值與數(shù)據(jù)庫中的主、輔電壓變化值相差最小時的腐蝕坑的面積和深度即為求解值。下面以一個實例來具體說明本發(fā)明。在被測金屬管道外壁按一定方式布上測量電極陣列，電極的間距一般取壁厚的3～4倍。本實例中的壁厚WT＝10mm,測量電極的間距d＝30mm。對被測金屬管道施加直流恒流源，本實例施加的電流為2A，經(jīng)過多次精密電壓采樣，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后得到測量電極矩陣和參考電極對在無腐蝕坑時(t0時刻)的電壓值。根據(jù)測量電極及被測管道參數(shù)進行穩(wěn)恒電流場計算，建立腐蝕數(shù)據(jù)庫(部份)：D2＝1.8mm，Φ3＝30mm、D3＝0.8mm(Φ為直徑，D為深度)。再進行多次精密電壓采樣，然后數(shù)據(jù)處理得出測量電極矩陣和參考電極對在有腐蝕坑時(tx時刻)的電壓。利用測量電極組電壓矩陣和參考電極對的電壓計算出FC值：式中：Vi,j；i,j+1(t0)，Vi,j；i,j+1(tx)—電極對(i,j；i,j+1)在t0和tx時刻的電壓；Vref(t0)，Vref(tx)—參考電極對在t0和tx時刻的電壓；根據(jù)FC值還原，按下式計算得到修正電壓：V’i,j；i,j+1(tx)＝(FCi,j；i,j+1(tx)/1000+1)×Vref(tx)×Vi,j；i,j+1(t0)/Vref(t0)式中：Vi,j；i,j+1(t0)，Vi,j；i,j+1(tx)—電極對(i,j；i,j+1)在t0和tx時刻的電壓；Vref(t0)，Vref(tx)—參考電極對在t0和tx時刻的電壓。輔電壓求解公式與主電壓求解公式相似，并求解出輔電壓；再得到主電壓變化值：ΔV’i,j；i,j+1(tx)＝V’i,j；i,j+1(tx)-Vi,j；i,j+1(t0)輔電壓變化值求解公式與主電壓變化值求解公式相似，并求解出輔電壓變化值；從而得到三個坑的主、輔電壓變化值：將實際測量并修正后的主、輔電壓與數(shù)據(jù)庫進行匹配，即可得出腐蝕坑的面積和深度。匹配采用模式匹配原則，設數(shù)據(jù)庫主、輔電壓變化值為ΔVi,j；i,j+1(m)，輔電壓變化值為ΔVi-1,j；i-1,j+1(m),ΔVi+1,j；i+1,j+1(m),…,ΔVi,j+n；i,j+n+1(m)，測量所得主電壓變化值為ΔVi,j；i,j+1和輔電壓變化值為ΔVi-1,j；i-1,j+1,ΔVi+1,j；i+1,j+1,…,ΔVi,j+n；i,j+n+1，則有：Δ1＝ΔVi,j；i,j+1(m)-ΔVi,j；i,j+1Δ2＝ΔVi-1,j；i-1,j+1(m)-ΔVi-1,j；i-1,j+1Δ3＝ΔVi+1,j；i+1,j+1(m)-ΔVi+1,j；i+1,j+1Δn＝ΔVi,j+n；i,j+n+1(m)-ΔVi,j+n；i,j+n+1在一系列的μm中，最小的μm對應的腐蝕坑即是求解結(jié)果。即修正后的主、輔電壓變化值與數(shù)據(jù)庫中的主、輔電壓變化值相差最小時的腐蝕坑的面積和深度即為求解值。經(jīng)過匹配，三個坑的匹配結(jié)果如下：通過匹配得到坑的最大深度誤差σmax＝±1％WT(WT為壁厚)，遠低于常規(guī)場指紋法±15～25％WT的誤差。