在線測厚腐蝕監(jiān)測技術(shù)在石油化工裝置的應(yīng)用

馬紅杰，李廣占，單國成，張文澤，薛紅艷

(1.中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化公司研究院，新疆 獨山子 833699;2.中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化公司煉油廠，新疆 獨山子 833699)

某石化公司加工原油主要以哈薩克斯坦管輸原油為主，該原油硫含量高、酸值低，屬于典型的高硫低酸原油【1】。近年來隨著原油性質(zhì)的劣化，原油硫含量呈明顯上升趨勢，導(dǎo)致常減壓裝置高溫部位和低溫部位的硫腐蝕問題突顯，例如“三頂”部位、轉(zhuǎn)油線、常壓塔和減壓塔的側(cè)線及塔底等部位的部分設(shè)備及管道出現(xiàn)不同程度的腐蝕損傷，繼而對二次煉油裝置及乙烯裝置部分易腐蝕部位的設(shè)備及管道也造成了較為嚴(yán)重的腐蝕損傷。為了掌握關(guān)鍵煉化裝置的腐蝕變化趨勢，及時發(fā)現(xiàn)腐蝕隱患，并采取防護措施予以抑制，該石化公司在煉化裝置采用了以掛片監(jiān)測、在線腐蝕探針監(jiān)測和離線測厚監(jiān)測為主的傳統(tǒng)腐蝕監(jiān)測技術(shù)，為裝置管理人員提供了及時、準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進而為裝置開展腐蝕評價、采取防護措施提供了數(shù)據(jù)支持，有力地保障了裝置的安全、長周期運行。然而在應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)這些腐蝕監(jiān)測技術(shù)由于自身的缺點，在使用過程中均存在一定的局限性【2-8】。例如，掛片監(jiān)測時間長、數(shù)據(jù)滯后，拆裝危險且麻煩；在線腐蝕探針監(jiān)測安裝時需在管道上開孔，不宜用于高溫、高壓及高危部位，且后期探針更換安全風(fēng)險較高；人工離線測厚工作量大、成本高，由于需要耦合劑，高溫部位測厚數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較差，高空、高危險等人不能到達的部位不易監(jiān)測。

鑒于上述傳統(tǒng)腐蝕監(jiān)測技術(shù)在煉化裝置應(yīng)用過程中的局限性，某石化公司對國內(nèi)外石化企業(yè)應(yīng)用效果較好的腐蝕監(jiān)測技術(shù)進行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)BP、殼牌等公司開始使用的在線測厚腐蝕監(jiān)測技術(shù)是一種適用性強、效果較好的腐蝕監(jiān)測技術(shù)，其有效彌補了傳統(tǒng)腐蝕監(jiān)測技術(shù)的局限性，將成為各煉化企業(yè)未來廣泛采用的一種新技術(shù)【9-10】。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，某石化公司在常減壓蒸餾裝置、蠟油加氫裝置等腐蝕程度較為嚴(yán)重的3套煉油裝置引入了在線測厚腐蝕監(jiān)測技術(shù)。

1 在線測厚技術(shù)系統(tǒng)組成及特點

1.1 系統(tǒng)組成及功能

在線測厚系統(tǒng)由探頭、無線網(wǎng)關(guān)、中心服務(wù)器三部分組成，其組成及運行如圖1所示。探頭通過卡箍或螺柱方式固定在管道的監(jiān)測部位，每個探頭通過無線通訊方式將在線監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總至網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)通過局域網(wǎng)將在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳至中心服務(wù)器，局域網(wǎng)內(nèi)的終端電腦通過訪問中心服務(wù)器即可實現(xiàn)對在線測厚數(shù)據(jù)的瀏覽和腐蝕評價。

圖1 在線測厚腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)運行

探頭的主要功能為監(jiān)測點壁厚測量、數(shù)據(jù)采集及無線傳輸，主要由傳感器及波導(dǎo)桿組成，其中傳感器包括電池、超聲波測量及采集模塊和無線通訊模塊三部分，波導(dǎo)桿由兩根特殊材料制成的鋼片組成。傳感器發(fā)出的超聲波通過其中一根波導(dǎo)桿傳遞到管道金屬表面，而后返回的超聲波再由另一根波導(dǎo)桿傳回到傳感器。在波導(dǎo)桿的末端有固定螺口，通過卡箍上的螺栓就可以將探頭固定在管道的監(jiān)測點上，波導(dǎo)桿被壓緊在管道金屬表面上，其現(xiàn)場安裝如圖2所示。

圖2 探頭現(xiàn)場安裝

無線網(wǎng)關(guān)的主要功能為接收所有監(jiān)測點探頭的無線傳輸數(shù)據(jù)，通過電纜連接至儀表間機柜網(wǎng)絡(luò)接口，并將數(shù)據(jù)通過有線通訊方式傳輸至中心服務(wù)器。無線網(wǎng)關(guān)采用防爆型網(wǎng)關(guān)設(shè)計，傳輸方式采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，操作頻率為2.4 GHz全球免許可證頻段，網(wǎng)關(guān)與探頭及各探頭之間的距離不超過50 m，中繼探頭不超過7個，最遠(yuǎn)探頭與網(wǎng)關(guān)距離不超過400 m。

中心服務(wù)器的主要功能為接收、存儲、備份網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)，管理腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，向瀏覽站點發(fā)布腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)。中心服務(wù)器上安裝有網(wǎng)關(guān)管理器、數(shù)據(jù)庫軟件和基于Web瀏覽器的數(shù)據(jù)瀏覽軟件，其采用雙硬盤冗余熱備份，保障數(shù)據(jù)存儲安全。為了后期維護安全，中心服務(wù)器使用了公司內(nèi)部的虛擬服務(wù)器。

1.2 技術(shù)特點

1.2.1 更適用于高溫部位

人工離線測厚技術(shù)采用壓電超聲波測厚方法，探頭與管道金屬表面間需使用耦合劑，在高溫管道測厚過程中，一方面耦合劑極易氣化、結(jié)焦，測厚數(shù)據(jù)波動較大，甚至無法測厚，另一方面探頭受熱極易損壞(探頭與管道表面的接觸時間若超過5 s，探頭就會燒壞)。而在線測厚技術(shù)采用電磁超聲波測厚方法，探頭的波導(dǎo)桿前段通過卡箍與被測管道金屬表面硬耦合，無需使用耦合劑，因而避免了高溫測厚過程中耦合劑氣化、結(jié)焦導(dǎo)致測厚數(shù)據(jù)波動較大或無法測厚的問題，該技術(shù)更適用于較高溫度管道的定點測厚，最高測厚溫度達600 ℃。在線測厚使用波導(dǎo)桿與高溫金屬管道接觸，因而使探頭上的傳感器與高溫金屬管道相隔離，有效減緩了傳感器受熱損壞的風(fēng)險，這也是其能用于高溫測厚的一個重要原因。

1.2.2 更適用于高危部位

在線測厚探頭使用卡箍方式安裝于管道上，無需開孔、焊接等施工措施，不損傷管道的本體，即使在管道運行過程中也可安裝或拆卸。這一特點使在線測厚系統(tǒng)更適宜于裝置的高溫、高壓、高空等高危部位的腐蝕監(jiān)測，例如減壓塔的高溫側(cè)線部位、加氫裂化裝置反應(yīng)流出系統(tǒng)的高溫高壓管道部位、空冷管線的高空部位等，相比傳統(tǒng)的探針監(jiān)測和旁路釜監(jiān)測，這是一個無法替代的優(yōu)勢【11】。因為探針監(jiān)測需要將探針插入管道內(nèi)部，若安裝在高溫、高壓等高危部位，探針拆裝更換的風(fēng)險極大，一旦其腐蝕損耗完就只有在裝置停工時才能拆裝更換，探針即處于失效狀態(tài)。同樣，掛片監(jiān)測需要在管道上設(shè)置旁路或開孔插入管道，因而拆裝也十分困難，每半年甚至一個停工周期才可采集一次數(shù)據(jù)。而在線測厚監(jiān)測系統(tǒng)的探頭可隨時進行安裝與拆卸，而且可以實時采集并傳輸數(shù)據(jù)。

2 在線測厚腐蝕監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

2.1 評選腐蝕監(jiān)測部位

進行煉化裝置的在線測厚腐蝕監(jiān)測，首先要評選出裝置的腐蝕監(jiān)測部位，只有將在線測厚設(shè)備安裝在正確的腐蝕監(jiān)測部位，所獲得的腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)才能準(zhǔn)確、可靠地反映出該部位的實際腐蝕情況，這樣的監(jiān)測才是有效監(jiān)測。以某石化公司200萬t/a蠟油加氫裝置為例，綜合考慮各方面影響因素對裝置的腐蝕監(jiān)測部位進行評選，結(jié)果如表1所示。分析表1可知，腐蝕監(jiān)測部位均為管道的彎頭、三通、直管低點部位及設(shè)備進出口。

表1 200萬t/a蠟油加氫裝置腐蝕監(jiān)測部位

2.2 確定在線測厚點

評選出裝置的腐蝕監(jiān)測部位后，緊接著需要在腐蝕監(jiān)測部位確定在線測厚點(即探頭安裝的具體位置)。在線測厚點的確定是整個在線測厚設(shè)備安裝的重中之重。在線測厚點首先要能反映在線測厚部位設(shè)備及管道的腐蝕發(fā)展趨勢，其次要代表在線測厚部位腐蝕最嚴(yán)重的那一點，如此，才可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)早期的腐蝕泄漏點并預(yù)防腐蝕泄漏事件的發(fā)生，因此，在線測厚點應(yīng)選擇在管道剩余壁厚值最小的那一點。

為了科學(xué)、準(zhǔn)確地確定200萬t/a蠟油加氫裝置15處在線測厚點的位置，引入瞬磁渦流檢測技術(shù)和超聲波測厚技術(shù)進行精確定位，同時結(jié)合管道彎頭腐蝕減薄的經(jīng)驗部位及計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)模擬結(jié)果，提出了在線測厚點的評選方法，具體如下：

1)首先根據(jù)常規(guī)的離線測厚經(jīng)驗及文獻中的CFD技術(shù)模擬結(jié)果，彎頭部位壁厚最薄點(即腐蝕減薄最嚴(yán)重的點)一般出現(xiàn)在彎頭的背彎部位。

2)對于彎頭、三通、直管采用瞬磁渦流檢測技術(shù)先進行面掃查，即對于彎頭沿軸向進行正背彎、正背彎兩側(cè)共三次面掃查，可確定軸向方向上厚度最薄的一塊區(qū)域，而后再以該區(qū)域為中心進行環(huán)向掃查，最后確定厚度集中較薄的區(qū)域；對于三通和直管則沿管道軸向?qū)ζ渖?、下、前、后四個面進行四次面掃查，可確定軸向方向上厚度最薄的一塊區(qū)域，而后再以該區(qū)域為中心進行環(huán)向掃查，最后確定厚度集中最薄的區(qū)域。

3)針對瞬磁渦流檢測確定的管道軸向最薄的區(qū)域(其大小約為5 cm×8 cm)，采用離線超聲波測厚技術(shù)進行密集測厚，最終確定出管道壁厚值最小的點，該點即為在線測厚點。

2.3 在線測厚系統(tǒng)的安裝

完成上述工作，即可開展在線測厚系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝，其步驟與具體工作內(nèi)容如下：

第一步，拆除保溫，確定在線測厚點，現(xiàn)場安裝卡箍，并將探頭固定在卡箍上，保證探頭的波導(dǎo)桿前端壓緊在金屬管道的在線測厚點上；

第二步，在15處在線測厚點的中心位置安裝網(wǎng)關(guān)并布置儀表線，并在儀表柜間安裝數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器；

第三步，在網(wǎng)關(guān)中加載各在線測厚探頭，并進行現(xiàn)場調(diào)試；

第四步，在局域網(wǎng)中心服務(wù)器上安裝在線測厚軟件及相關(guān)插件，同時，在授權(quán)的局域網(wǎng)辦公電腦上進行現(xiàn)場15處在線測厚點的數(shù)據(jù)加載，并調(diào)試在線測厚系統(tǒng)的整體運行情況；

第五步，完成上述工作，申請開通局域網(wǎng)內(nèi)在線測厚系統(tǒng)的數(shù)據(jù)瀏覽權(quán)限，局域網(wǎng)內(nèi)終端用戶可瀏覽在線測厚數(shù)據(jù)，在線測厚系統(tǒng)正式上線運行。

2.4 測厚數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性評價

在線測厚系統(tǒng)上線運行后，對在線測厚數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進行了評價，即對在線測厚數(shù)值Z與離線測厚數(shù)值L進行比對，并計算兩者的誤差值W。W的計算方法如式(1)所示，結(jié)果如表2所示。

(1)

式中：W——在線測厚數(shù)據(jù)的誤差，%；

Z——在線測厚數(shù)值，mm；

L——離線測厚數(shù)值，mm。

由表2數(shù)據(jù)可知，15處在線測厚點的在線測厚數(shù)據(jù)與離線測厚數(shù)據(jù)相差較小，在線測厚數(shù)據(jù)的最大誤差值為6.0%，73%的在線測厚數(shù)據(jù)誤差值≤2.5%，由此可見，在線測厚數(shù)據(jù)還是較為準(zhǔn)確的。

表2 200萬t/a蠟油加氫裝置在線測厚數(shù)據(jù)誤差計算

2.5 現(xiàn)場應(yīng)用

1)實時掌握裝置腐蝕變化趨勢，為裝置及時采取防腐蝕措施提供數(shù)據(jù)支持。

圖3為某石化公司1 000萬t/a常減壓裝置常三線的在線測厚腐蝕監(jiān)測圖譜。由圖3可知，從2019年11月1日～2020年2月30日常三線的剩余壁厚值呈平緩的下降趨勢，建立數(shù)據(jù)擬合線，測出這一監(jiān)測期間的管線腐蝕速率為0.21 mm/a，腐蝕速率偏高，車間根據(jù)在線測厚腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)持續(xù)關(guān)注腐蝕變化趨勢。裝置自3月份開始加工含氯原油，該原油硫含量最高值達1.7%、平均值1.2%，較哈油硫含量明顯上升，導(dǎo)致原油腐蝕性增強。同時，從在線測厚腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，3月份(3月1日～3月30日)常三線的剩余壁厚值呈明顯下降趨勢，腐蝕速率高達0.78 mm/a，反映出裝置加工高氯原油以后常三線的腐蝕較為嚴(yán)重的情況，這與裝置的實際腐蝕情況相一致。因為高氯原油的硫含量較高，導(dǎo)致蒸餾裝置常壓塔測線硫含量上升，常三線高溫硫腐蝕加劇。由此可見，常三線在線測厚腐蝕監(jiān)測為裝置及時采取防護措施、消除腐蝕隱患提供了可靠、準(zhǔn)確的技術(shù)及數(shù)據(jù)支持。

圖3 常減壓裝置常三線在線測厚腐蝕監(jiān)測圖譜

2)及時發(fā)現(xiàn)腐蝕隱患，預(yù)防腐蝕事件發(fā)生。

圖4是某石化公司常減壓裝置1.0 MPa凝結(jié)水線彎頭部位的在線測厚數(shù)據(jù)，探頭采用卡箍方式安裝在管道彎頭的背彎部位。由圖4可見，該監(jiān)測部位從2018年1月23日開始管道壁厚呈明顯的下降趨勢，至2018年3月1日，監(jiān)測部位管道壁厚值由5.49 mm減薄至5.43 mm，其平均腐蝕速率高達0.61 mm/a，表明1.0 MPa凝結(jié)水線彎頭部位管道腐蝕減薄嚴(yán)重。為了確保每個在線測厚數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，取關(guān)鍵測厚數(shù)據(jù)(位于拐點或折點的數(shù)據(jù))的超聲波圖譜進行分析驗證，結(jié)果顯示，關(guān)鍵測厚數(shù)據(jù)一次波形與二次波形清晰完整，數(shù)據(jù)真實可靠。

圖4 常減壓裝置1.0 MPa凝結(jié)水線在線測厚腐蝕監(jiān)測圖譜

冷油泵房頂1.0 MPa凝結(jié)水線彎頭部位的腐蝕類型為沖刷腐蝕，且2018年3月1日后在線測厚數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢一直呈明顯下降趨勢，表明在凝結(jié)水的不斷沖刷腐蝕作用下，彎頭背彎部位壁厚不斷減薄。為防止管道發(fā)生腐蝕泄漏，重點關(guān)注在線測厚腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢，以便采取應(yīng)急防護措施。待到裝置停工檢修時，立即對該彎頭進行了更換。檢查更換下來的彎頭發(fā)現(xiàn)，彎頭背彎部位內(nèi)壁沖刷腐蝕嚴(yán)重，局部幾乎穿孔。應(yīng)用效果表明，在線測厚腐蝕監(jiān)測技術(shù)成功消減了1.0 MPa凝結(jié)水線彎頭部位的腐蝕隱患，避免了彎頭因沖刷腐蝕而導(dǎo)致的泄漏事件。

3)應(yīng)用推廣

在線測厚腐蝕監(jiān)測技術(shù)主要用于監(jiān)測設(shè)備及管道的剩余壁厚，其技術(shù)優(yōu)勢突出，適用性強，現(xiàn)場安裝方便，非常適用于公司易腐蝕煉化裝置的腐蝕監(jiān)測。目前，在線測厚腐蝕監(jiān)測技術(shù)已在100萬t/a常減壓裝置、100萬t/a蠟油加氫裝置、200萬t/a蠟油加氫裝置中成功應(yīng)用，可實時掌握裝置腐蝕變化趨勢，為裝置及時采取防腐蝕措施提供數(shù)據(jù)支持，而且還可以及時發(fā)現(xiàn)腐蝕隱患，預(yù)防腐蝕事件發(fā)生?；谠诰€測厚腐蝕監(jiān)測技術(shù)的適用性及應(yīng)用效果，該技術(shù)可在其他15套裝置的易腐蝕部位進行推廣應(yīng)用，如表3所示。

表3 在線測厚腐蝕監(jiān)測技術(shù)推廣應(yīng)用裝置

3 結(jié)語

在線超聲測厚腐蝕監(jiān)測技術(shù)具有適用于高溫定點測厚、高危部位測厚、卡箍式安裝(無需開孔)等勝于傳統(tǒng)腐蝕監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)點，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，應(yīng)用效果良好，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測設(shè)備及管道的剩余壁厚，真實反映監(jiān)測部位的腐蝕變化趨勢。裝置現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，在線測厚腐蝕監(jiān)測技術(shù)為從事腐蝕管理人員采取防腐蝕措施、及時發(fā)現(xiàn)腐蝕隱患、預(yù)防腐蝕事件發(fā)生提供了有力的技術(shù)及數(shù)據(jù)支持，而且可向其他煉化裝置推廣應(yīng)用，預(yù)計其將會成為煉化企業(yè)未來幾年廣泛應(yīng)用的腐蝕監(jiān)檢測技術(shù)。