集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置的制作方法

本发明涉及油气田腐蚀防护，更具体的是涉及集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置。用于油气田集输系统的设备和管道的腐蚀评价和防护。

背景技术：

1、随着油气田开发不断深入，我国多数油田进入中、高含水期，综合含水不断上升，油田注采系统和集输系统的流体日益复杂，油水井及集输管网腐蚀问题日趋严重，腐蚀问题成为影响管道系统可靠性和使用寿命的关键因素。高腐蚀性油田污水容易引起储罐、注水管线和井下管柱的腐蚀穿孔等诸多问题，给油田高效经济开发带来诸多隐患和不利影响。

2、目前油田管网的腐蚀结垢主要通过加注水处理剂（如缓蚀剂、阻垢剂、杀菌剂等）来控制，腐蚀速率监测多采用现场挂片通过失重法来测试。水处理剂评价基本都是通过离线的实验室进行评选，导致水处理剂评价结果与其在现场流程中的真实表现有所差异。此外，水处理剂加注通常采用计量泵人工调节实现，由于失重法腐蚀监测方式固有的耗时长（一般一个检测周期需要7天～30天）、反馈慢特点，造成了水处理剂加注浓度不能及时根据管网水质和腐蚀结垢状态变化进行相应的自动调整，出现水处理剂加量不足或过量现象，导致水处理剂的浪费或者腐蚀结垢风险的增高。

3、基于线性极化(lpr)、交流阻抗(eis)、电阻探针（er）等快速腐蚀监测技术，可对集输管网的腐蚀状态实施在线监测，其测量结果比现场失重挂片法具有更好的实时性。但由于油田采出水的组成极为复杂，不仅溶解有大量的盐类和溶解有腐蚀性气体（如h2s、co2），还含有原油、细菌、机械杂质和油田化学剂等，具有多组成、高矿化度和高腐蚀性特征，采用电化学方法进行在线腐蚀监测时，往往因探头电极被水中原油粘附污染，或者被导电性腐蚀产物覆盖而导致短路，使得测得的腐蚀速率与水体实际腐蚀速率出现重大偏差，从而影响到水处理剂加注的准确性和有效性。现有专利公开了如下技术：

4、公开号为cn203999516u，专利名称为“炼油工艺中缓蚀剂在线监测自动加注装置”的专利，采用电磁阀与配电箱，来实现炼油工艺中的缓蚀剂自动加药，计量泵由监测装置和plc控制器控制，但该方案装并没有实现腐蚀监测的自动化和反馈式加药控制，实际加药量仍然依赖于手工调节。

5、公开号为cn202560193u，专利名称为“一种气田用注剂智能加注装置”的专利，采用时间控制器与井下高压电潜泵通过有线或无线方式连接，控制高压电潜泵在预定时间的启动或停止；用于将水处理剂注入气田井内，但加药量控制缺乏有效的反馈机制。

6、公开号为cn105927195a，专利名称为“一种天然气井智能加药方法及实现该方法的系统”的专利，是通过测量天然气井油压、套压之间的压差变化量与加药量之间的对应关系，进而计算出相应的加药量，但离不开人工干预，并无法根据反馈量来自动调整水处理剂加注量。

7、现有技术和上述专利公开的油田管网腐蚀监测方法在油田污水恶劣的水质条件和腐蚀工况下，目前仍旧缺乏稳定准确的实时在线腐蚀监测技术手段，相应的，水处理剂的现场评价也缺乏可靠的试验方法，水处理剂加注的准确性和有效性也很难有所保障。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了解决现有油水井及集输管网腐蚀监测存在稳定性较差及准确性难以保证的技术问题，本发明提供集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置。可以在现场条件下实现水处理剂（杀菌剂、缓蚀剂和阻垢剂）的在线评测，并根据加水处理剂前后腐蚀速率差值和变化趋势，利用pid反馈控制原理，对水处理剂的加注进行实时控制，实现了腐蚀在线监测与水处理剂的智能加注。

2、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

3、本发明提供集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置，包括腐蚀监测仪、具有pid反馈控制的中央服务器以及现场执行机构，腐蚀监测仪包括抗油污干扰的双电极腐蚀监测探头，双电极腐蚀监测探头的测量结果通过无线或有线方式上传到中央服务器，然后由中央服务器根据pid反馈控制算法来计算水处理剂的加注量，并将水处理剂加注量指令发送到现场执行机构。

4、具体来说，本方案时针对页岩气开采中的污水回注系统，采用抗油污干扰的双电极腐蚀监测探头快速测量管道内腐蚀速率，并基于加药口前后腐蚀速率差值和变化趋势，实现水处理剂（缓蚀剂/杀菌剂）效率的现场评价；本方案还利用pid(比例、积分、微分)反馈控制原理，建立一套水处理剂的智能加注方案，对水处理剂的加注进行实时控制，实现了腐蚀在线监测与水处理剂的最优化加注。将管道内的腐蚀速率控制用户许可的范围内，达成水处理剂加注的最高性价比。

5、现场执行机构包括plc、变频器和计量泵。

6、双电极腐蚀监测探头采用对称两电极以及电化学方波极化原理设计，实现了双电极极化电阻的测量。

7、在一个实施方式中，双电极腐蚀监测探头包括探头支撑体、第一工作电极、第二工作电极、芯电连接器以及连接接头，芯电连接器安装在探头支撑体的顶部，第一工作电极和第二工作电极均套设在探头支撑体的外壁，第一工作电极和第二工作电极之间存在用于防止断路或者短路的间隙，第一工作电极和第二工作电极分别通过各自对应的单芯导线与芯电连接器连接，连接接头套设在芯电连接器的外壁上且与集输管网配合。

8、在一个实施方式中，第一工作电极和第二工作电极的材质与被监测的管道材质相同，第一工作电极和第二工作电极均为环状电极，二者的宽度均为3 mm~8mm，且二者之间的间距为20 mm~50 mm。

9、具体来说，双电极腐蚀监测探头的底端为两个环状金属电极，分别为第一工作电极和第二工作电极，两个环状工作电极均采用与被监测管道材质相同的金属材料，两个环状工作电极的形状和尺寸完全一致。两个环状工作电极均套接在探头支撑体上且二者之间的距离为 20 mm~50 mm，二者间距的设置是为了防止二者由于油污或者腐蚀产物(如fe9s8)覆盖导致断路或者短路。

10、另外，由于第一工作电极和第二工作电极的宽度较窄(3 mm~8mm)，并套在低粘附力的探头支撑体的外侧壁上，在水流剪切力冲击下，易将电极表面粘附油污带走。

11、在一个实施方式中，探头支撑体为柱状结构，探头支撑体的材质为聚四氟乙烯。

12、在一个实施方式中，连接接头为能够安装到带压管道上的npt锥螺纹头丝扣，npt锥螺纹头丝扣套设在芯电连接器外侧，且与集输管网连接。

13、具体来说，双电极腐蚀监测探头与集输管网的管道的连接采用npt锥螺纹头丝扣连接，npt锥螺纹头丝扣以不锈钢材质加工，可以安装到带压管道表面。

14、在一个实施方式中，位于连接接头下方的芯电连接器上安装有防护套，探头支撑体位于防护套内，防护套的材质为聚四氟乙烯，防护套上均布有若干小孔。

15、具体而言，探头支撑体外侧有一表面布孔的防护套，可进一步防止油田污水中的残余油污对电极的污染。

16、在一个实施方式中，腐蚀监测仪包括监测仪电路，监测仪电路包括数字部分和模拟部分，数字部分包括单片机、实时时钟、电源模块、数据存储器和通信端口，模拟部分包括a/d模数转换器，d/a数模转换器、模拟加法器、功率放大器以及电流电压转换器；

17、单片机由电源模块供电，单片机接收用户指令并发送给d/a数模转换器，由d/a数模转换器产生方波序号并加载到模拟加法器和功率放大器上，功率放大器将方波极化电位加载到双电极腐蚀监测探头的第二工作电极；

18、双电极腐蚀监测探头的第一工作电极在极化状态下的输出电流i，流入电流电压转换器，经过取样电阻rc转换为电压信号，再由单片机内置的a/d模数转换器对极化电流进行采样，后者所输出电压ei反馈到功率放大器的反相端，构成恒电流输出反馈电路，最后由单片机内置的a/d模数转换器对电流和电压信号进行采集。并将采样值送单片机进行积分，从而计算出两工作电极的串联极化电阻和腐蚀速率。

19、具体来说，通信端口为rs232/485接口，数据存储器为flash数据存储器，单片机由高性能8位或32位单片机构成，并由电源模块输出的3.3v稳压电源供电，单片机接收用户指令并发送给d/a数模转换器，由其内置的12 bit d/a数模转换器产生方波序号并加载到模拟加法器和功率放大器，功率放大器将方波极化电位加载到双电极腐蚀监测探头的第二工作电极（we2），同时极化电位信号也并联到单片机内置的12或16 bit a/d0模数转换器（为a/d模数转换器中的一个），双电极腐蚀监测探头的第一工作电极（we1）在极化状态下的输出电流i，流入电流电压转换器，经过取样电阻rc转换为电压信号，再由单片机内置的12或16 bit a/d1模数转换器（为a/d模数转换器的另一个）对极化电流进行采样，后者所输出电压ei反馈到功率放大器的反相端，构成恒电流输出反馈电路，最后由单片机内置的a/d0模数转换器、a/d1模数转换器对电流和电压信号进行采集。

20、在一个实施方式中，当激励电流从0增加到i时，穿过双电极腐蚀监测探头上的电位波形随着双电层的充电而逐步上升，双工作电极模式下，得到两个工作电极的等效串联电路，其中单个工作电极的极化电阻rp’实际上是该等效电路低频阻抗值rp的1/2，由于介质电阻rs的存在，初始电位上升端的介质电阻分压，随后充电曲线端上升值的极化电阻分压，

21、(1)

22、，(2)

23、根据公式(1)计算出腐蚀电流密度，式中，b为stern-geary系数，在实验室预先测定，为初始电位上升端的介质电阻分压，为极化电阻分压，为充电曲线端上升值的极化电阻分压，为激励电流幅值；

24、根据公式(2)将腐蚀电流密度(ma/cm2)转换为腐蚀速率y (mm/a), 式中，m和分别为金属的摩尔质量和密度，z为金属电化学溶解的失电子数，计算出的腐蚀速率y保存到数据存储器中，也可通过通信端口上传pc机，或者通过无线收发器上传到云服务器，实现远程监控。

25、在一个实施方式中，pid反馈控制的中央服务器包括pid反馈控制单元、网络计算机、计量泵、控制变频器，pid反馈控制单元输入来自网络计算机，其输出用于控制变频器，控制变频器驱动计量泵通过注入阀向污水管道中加注水处理剂，网络计算机通过无线网络和无线收发器接收来自注入阀前后端的腐蚀监测仪的腐蚀速率，利用加药口前后腐蚀速率的差值评价所注入缓蚀剂的缓蚀效率。

26、具体来说，本方案还可利用pid反馈原理的增量法来计算水处理剂的加注量，使管道内的腐蚀速率波动控制在限定范围内。用户通过终端发送指令，或者由服务器自适应调整变频器的频率，进而改变水处理剂计量泵的注液频率，实现了水处理剂加注速率的远程调控。

27、在一个实施方式中，pid反馈控制单元通过pid反馈函数自动调整水处理剂加注量，pid反馈函数如下式(3)、(4)和(5)所示：

28、比例控制器反馈函数(3)

29、比例+积分控制器反馈函数(4)

30、比例+积分+微分控制器反馈函数(5)

31、式中，u(t)为反馈控制函数，kp为比例放大系数，ti为积分时间，td为微分时间，e(t)为调节系统的基本偏差，为调节系统的累计偏差，为积分时间分量，t为微分时间分量。

32、本发明的有益效果如下：

33、1、本发明设计合理，基于方波电化学极化技术显著提高了腐蚀监测仪的抗电磁干扰和交流干扰能力，提高了腐蚀监测结果的重现性和及时性；

34、2、本发明双电极腐蚀监测探头采用环状对称双电极设计，中心支柱采用疏油疏水型聚四氟乙烯，防止了导电性腐蚀产物粘附导致的电极短路，以及油污粘附造成的腐蚀测量值的剧烈跳变；

35、3、本发明采用pid反馈原理设计的缓蚀剂和杀菌剂加注方案，通过对加药点前后腐蚀速率的差值来评价水处理剂的有效性，实现了水处理药剂的快速在线评价；

36、4、本发明通过腐蚀速率与水处理剂浓度之间相关性进行反复迭代，优化了pid的整定参数，实现了水处理剂浓度根据腐蚀速率变化的智能加注；

37、5、本发明基于云服务器记录腐蚀速率时间曲线，当腐蚀速率发生变化时，通过pid参数计算出水处理剂的加注浓度，并及时发送指令调节其加注量，将管道腐蚀速率经济有效地控制在安全范围内。