壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)在煤化工壓力管道中的應用研究

趙軍

（中煤陜西榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719000）

1 前言

中煤陜西榆林能源化工有限公司化工分公司的建設規(guī)模如下：4×60000Nm3/h制氧空分裝置、（6+2）×1500t/d投煤量氣化裝置、54Nm3/h（CO+H2）凈化裝置、180萬噸/年甲醇合成裝置、60萬噸/年甲醇制烯烴（MTO）裝置、30萬噸/年聚丙烯裝置、30萬噸/年聚乙烯裝置等主生產(chǎn)裝置，配套建設4臺480t/h循環(huán)流化床鍋爐、2臺100MW發(fā)電機組的自備熱電站以及凈水場、循環(huán)水場、污水處理裝置、回用水裝置、罐區(qū)、倉庫等公用工程、輔助設施、廠外工程等。項目于2011年8月開工建設，2014年7月竣工投產(chǎn)。主要采用；額美國GE公司水煤漿氣化技術、德國Linde公司低溫甲醇洗凈化技術、英國Davy公司甲醇合成技術，荷蘭荷豐的克勞斯工藝技術，中科院大連化物所甲醇制低碳烯烴技術（DMTO）、美國ABB Lummus公司烯烴分離技術、美國Univation 公司UNPIO PE技術、美國DOW化學公司UNIPOL TM PP工藝技術路線。

從2014年7月開車至今約7年，裝置始終保持安穩(wěn)長滿優(yōu)運行。

其間，各裝置的管道在運行過程中不同程度地出現(xiàn)了沖刷、沖蝕、腐蝕減薄、沙眼、穿孔等各類缺陷，給裝置的安穩(wěn)運行帶來了很大的隱患。近年來，對化工裝置的安全運行、安全管理、智能化管理等工作都提出了更高更嚴格的要求，因此有必要針對上述管道運行中存在缺陷進行智能化在線監(jiān)測。

2 監(jiān)測技術路線選擇

壁厚是壓力管道完整性評價重要參量之一，《壓力管道定期檢驗規(guī)則—工業(yè)管道》（TSG D7005-2018）中明確壁厚測定是定期檢驗項目之一?！冻袎涸O備合于使用評價》（GB/T 35013-2018）規(guī)定了含減薄缺陷承壓部件的壁厚測定、表征方法，以及含均勻減薄型缺陷的承壓部件合于使用評價方法。隨著傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展，壁厚實時監(jiān)測技術已經(jīng)廣泛使用于壓力管道安全保障領域。高酸氣田管道容易腐蝕，馬文明等在管道易腐蝕部位安裝超聲波壁厚監(jiān)測傳感器，并借助無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸上云端，實現(xiàn)壁厚實時監(jiān)測。賴海濤等通過壁厚監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了站場管道腐蝕監(jiān)測，并根據(jù)90組監(jiān)測數(shù)據(jù)計算出腐蝕速率為剩余壽命和風險評價計算提供依據(jù)。

中煤陜西公司在日常運行、定期檢驗（采用RBI檢驗）中發(fā)現(xiàn)壓力管道某些區(qū)域腐蝕減薄較快，為企業(yè)安全生產(chǎn)帶來較大危害。為了掌握壁厚減薄規(guī)律，根據(jù)日常檢驗記錄，并采用RBI檢驗手段進行篩選，結合當前國內普遍的監(jiān)測手段，如腐蝕掛片、在線探針、在線超聲壁厚監(jiān)測等技術手段，鑒于煤化工的物料為含固物料等因素，決定選用在線超聲的壁厚監(jiān)測系統(tǒng)，以實時掌握壓力管道壁厚變化情況。

3 RBI檢驗技術及管道測厚點選取

基于風險的檢測（RBI）是一種追求系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟性統(tǒng)一的理念與方法，它是在對系統(tǒng)中固有的或潛在的危險發(fā)生的可能性與后果進行科學分析的基礎上，給出風險排序，找出薄弱環(huán)節(jié)，以確保本質安全和減少運行費用為目標，優(yōu)化檢驗策略的一種管理方式。

RBI風險評價基本方法有定性分析、半定量分析、定量分析等。定性和半定量分析結果比較粗糙，定量分析可以給出精確地檢驗策略。

要實現(xiàn)良好的腐蝕控制，最重要的是在整個裝置合理的布置現(xiàn)場腐蝕測厚點，監(jiān)測整個裝置的腐蝕情況。中煤陜西公司對全廠的壓力管道臺賬進行了梳理，結合歷年運行中管道曾經(jīng)出現(xiàn)的泄漏、穿孔等情況，對曾經(jīng)出現(xiàn)過的泄漏的部位進行布置，對于部分監(jiān)測點根據(jù)RBI檢驗機理中設備失效模式的分析，也對其進行了適時布點監(jiān)測，涵蓋了渣水、水煤氣、冷凝液、合成氣、酸性氣、丙烯、粗甲醇、急冷水、碳四、鍋爐給水等介質，結合管道的材質、操作條件、介質等隱私，選取部分管道的彎頭、三通、大小頭等流蘇、流向發(fā)生突變的位置以及容器管線高溫部位，設置了監(jiān)測點。梳理后的監(jiān)測點情況見表1：

表1 化工分公司在線監(jiān)測點布置表

4 壓力管道壁厚監(jiān)測應用

系統(tǒng)主要由傳感器、無線網(wǎng)關和中心服務器組成，系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示，軟件采用B/S架構，通過瀏覽器可以遠程訪問中心服務器上壁厚數(shù)據(jù)。

圖1 在線測厚系統(tǒng)拓撲圖

針對高溫管道情況，采用耐高溫傳感器，通過導波桿提供彈性波收發(fā)方式以達到高溫環(huán)境適用性目的。傳感器配置可更換充電電池，以滿足長周期監(jiān)測需要。壁厚測量范圍：3～50mm，測量精度0.01mm，溫度范圍-180～600℃，防爆等級Ex ia II CT4 Ga，滿足煤化工現(xiàn)場防爆要求，采集頻率一般設置24小時/次，可以定制化設置。

安裝方式為卡箍式和螺柱式。螺柱式安裝通過在管道壁厚測試位置焊接螺柱，傳感器探頭固定牢固，超聲信號損失少，適合長周期監(jiān)測，缺點是測點位置布設不靈活；卡箍式安裝靈活，方便改變測點位置，但是對安裝工藝要求更高，只適用于溫度100℃以下的管道。圖2為2種安裝方式。

圖2 傳感器安裝方式

同時為了減小信號損失，監(jiān)測管道表面需要滿足一定光滑度要求，管道表面打磨處理，清理出管線探頭安裝區(qū)域，確保表面應無可見的油脂、污物、氧化皮、鐵銹、油漆涂層和雜質，并呈現(xiàn)出金屬光澤。打磨區(qū)域幾何尺寸見圖3所示。

無線網(wǎng)關防爆等級Ex ia II CT4 Ga，與傳感器傳輸距離最遠達到50m，最多支持7個傳感器信號傳輸，滿足煤化工企業(yè)距離和安全需求。根據(jù)現(xiàn)場安裝點位分布情況，確定網(wǎng)關具體的安裝位置，確保所有探頭可接入該網(wǎng)關。無線網(wǎng)關現(xiàn)場安裝如圖3所示。

圖3 探頭安裝打磨區(qū)域圖

圖4 無線網(wǎng)關安裝現(xiàn)場

中心服務器用于接收、存儲、備份網(wǎng)關上傳的數(shù)據(jù)；管理在線測厚數(shù)據(jù)庫；向瀏覽站發(fā)布在線測厚數(shù)據(jù)。中心服務器采用雙硬盤冗余熱備份，保障數(shù)據(jù)存儲安全。安裝在中心服務器上主要軟件為：網(wǎng)關管理器Gateway manager、數(shù)據(jù)庫軟件SQL server express、基于Web瀏覽器的數(shù)據(jù)瀏覽軟件Data Manger。

在線測厚軟件系統(tǒng)為中文界面，具備B/S遠程瀏覽器模式，可以在局域網(wǎng)網(wǎng)頁上瀏覽。具備讀取現(xiàn)場在線測厚數(shù)據(jù)功能，對比分析各個測點壁厚變化趨勢，并能判斷和評估其壽命和運行風險。軟件界面如圖5所示。

圖5 軟件界面

5 現(xiàn)場測試結果

以氣化裝置1號排渣管線為例，管道材料為A106，管線壁厚為33mm。

選擇2020年9月至今的壁厚監(jiān)測結果，如圖6所示。管道溫度波動將導致導波桿中波速變化，因此壁厚數(shù)值需要結合溫度變化一起考慮。壁厚系統(tǒng)給出該時間段內溫度同步采集結果，如圖7所示。

圖6 壁厚數(shù)據(jù)

圖7 溫度數(shù)據(jù)

綜合溫度和壁厚數(shù)據(jù)，8個月的時間，壁厚從33mm降至27mm，腐蝕速率為0.96mm/月，監(jiān)測表明該部位的壁厚值減薄較為明顯，應作為重點部位予以觀察。此數(shù)據(jù)與離線監(jiān)測的數(shù)據(jù)比對一致。

6 結語

通過加裝壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)，對壁厚數(shù)據(jù)進行了監(jiān)測和分析，主要結論如下：（1）超聲波測厚模式具有測量精度高、耐高溫適用性強，安裝方式靈活，受現(xiàn)場影響小等優(yōu)點；（2）通過壁厚實時監(jiān)測，可以節(jié)約現(xiàn)場人工勞動成本，提高工作效率，尤其是對某些高危型區(qū)域，提高了人工安全性；（3）超聲波壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)準確率達到99%以上，能夠為煤化工管道腐蝕防控提供穩(wěn)定和可靠基礎數(shù)據(jù)；（4）超聲波壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)采用無線傳輸技術，避免增加線路或者打開接線盒，降低安裝成本，提高安裝效率，具有較高的工程使用價值。