成果简介：
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 ，其计算公式如(1)式所示：
Fci,j,i+1,j = [ ,,,,(()))) − 1] × 1000 (1)
式(1)中：vi,j,i+1,j (t0)和vi,j,i+1,j (tx )分别表示探针(i，j)和(i+1，j)在t0 和tx 时刻的电压；vref (t0)和vref (tx )分别为t0 和tx 时刻的电压。
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。
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。
应用领域：
当今世界，石油天然气仍然是最主要的能源，在石油天然气工业体系中，石油天然气管道运输的地位在全世界范围内逐步增长，近年来，为适应国家的发展需求，我国铺设了大量的油气运输管道，庞大的油气管网保障了国家的能源安全。管道运输普遍存在较为严重的腐蚀问题，每年因为腐蚀造成管道泄漏的财产损失不可估量。为了解管道的腐蚀情况，对腐蚀做出合理有效的修复，管道的腐蚀检测尤为重要。
本成果提出的电位降法腐蚀监测系统可以监测各种由于腐蚀造成的材料损失缺陷，由于其可靠性好、使用温度范围广、设备使用寿命长，可以较广泛地应用于油气管道、重要容器和结构的腐蚀监测，包括均匀腐蚀、点蚀和冲蚀等油气管道腐蚀缺陷，炼油厂分馏塔焊缝处点蚀等。
电位降法腐蚀监测系统可以解决现有无损检测方法对于异性结构腐蚀监测困难等问题。对于有此类研究需求的科研机构和企业，本成果具有行业领先的技术水平，与同类产品相比测试精度更高，产品灵活性、扩展性更好，同时，采用数值模拟仿真的方法，提高了对监测数据解析与反演的精度，具有良好的市场应用前景。该成果不仅应用于实验室研究，而且推广到现场的炼油厂、油气运输管道等腐蚀监测，产品市场将进一步扩大，存在进一步开发和发展的巨大潜力。
投入需求：
本成果主要基于 PXI 模块化仪器进行产品硬件上的装备，产品成本和价格均较高，前期主要投入成本在于场地租赁、配件采购以及腐蚀实验装置的定制购买，若采用先付款订货再销售的模式，可进一步减小投资成本。成果产业化预计投入资金 800 万元，需要场地 250 平方米，无需其他专业设施。
图 2 电场指纹腐蚀监测设备图
图 3 20~100℃平板模型表面电势变化图
图 4 点蚀半径反演数据对比图 图 5 点蚀深度反演数据对比图
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）
成果受资助及获奖情况：
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；
技术成熟程度： ☑形成样机、样品或软件
