在線測厚腐蝕監測技術在石油化工裝置的應用

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的劣化，原油硫含量呈明顯上升趨勢，導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、轉油線、常壓塔和減壓塔的側線及塔底等部位的部分設備及管道出現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備及管道也造成了較為嚴重的腐蝕損傷。為了掌握關鍵煉化裝置的腐蝕變化趨勢，及時發現腐蝕隱患，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測、在線腐蝕探針監測和離線測厚監測為主的傳統腐蝕監測技術，為裝置管理人員提供了及時、準確的監測數據，進而為裝置開展腐蝕評價、采取防護措施提供了數據支持，有力地保障了裝置的安全、長周期運行。然而在應用過程中，發現這些腐蝕監測技術由于自身的缺點，在使用過程中均存在一定的局限性【2-8】。例如，掛片監測時間長、數據滯后，拆裝危險且麻煩；在線腐蝕探針監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，高溫部位測厚數據準確性較差，高空、高危險等人不能到達的部位不易監測。

鑒于上述傳統腐蝕監測技術在煉化裝置應用過程中的局限性，某石化公司對國內外石化企業應用效果較好的腐蝕監測技術進行了調研，發現BP、殼牌等公司開始使用的在線測厚腐蝕監測技術是一種適用性強、效果較好的腐蝕監測技術，其有效彌補了傳統腐蝕監測技術的局限性，將成為各煉化企業未來廣泛采用的一種新技術【9-10】。根據調研結果，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重的3套煉油裝置引入了在線測厚腐蝕監測技術。

1 在線測厚技術系統組成及特點

1.1 系統組成及功能

在線測厚系統由探頭、無線網關、中心服務器三部分組成，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測部位，每個探頭通過無線通訊方式將在線監測數據匯總至網關；網關通過局域網將在線監測數據傳至中心服務器，局域網內的終端電腦通過訪問中心服務器即可實現對在線測厚數據的瀏覽和腐蝕評價。

圖1 在線測厚腐蝕監測系統運行

探頭的主要功能為監測點壁厚測量、數據采集及無線傳輸，主要由傳感器及波導桿組成，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，波導桿由兩根特殊材料制成的鋼片組成。傳感器發出的超聲波通過其中一根波導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桿傳回到傳感器。在波導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測點上，波導桿被壓緊在管道金屬表面上，其現場安裝如圖2所示。

圖2 探頭現場安裝

無線網關的主要功能為接收所有監測點探頭的無線傳輸數據，通過電纜連接至儀表間機柜網絡接口，并將數據通過有線通訊方式傳輸至中心服務器。無線網關采用防爆型網關設計，傳輸方式采用IEEE802.15.4標準協議，操作頻率為2.4 GHz全球免許可證頻段，網關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，最遠探頭與網關距離不超過400 m。

中心服務器的主要功能為接收、存儲、備份網關上傳的數據，管理腐蝕監測數據庫，向瀏覽站點發布腐蝕監測數據。中心服務器上安裝有網關管理器、數據庫軟件和基于Web瀏覽器的數據瀏覽軟件，其采用雙硬盤冗余熱備份，保障數據存儲安全。為了后期維護安全，中心服務器使用了公司內部的虛擬服務器。

1.2 技術特點

1.2.1 更適用于高溫部位

人工離線測厚技術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、結焦，測厚數據波動較大，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)。而在線測厚技術采用電磁超聲波測厚方法，探頭的波導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、結焦導致測厚數據波動較大或無法測厚的問題，該技術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更適宜于裝置的高溫、高壓、高空等高危部位的腐蝕監測，例如減壓塔的高溫側線部位、加氫裂化裝置反應流出系統的高溫高壓管道部位、空冷管線的高空部位等，相比傳統的探針監測和旁路釜監測，這是一個無法替代的優勢【11】。因為探針監測需要將探針插入管道內部，若安裝在高溫、高壓等高危部位，探針拆裝更換的風險極大，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。同樣，掛片監測需要在管道上設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據。而在線測厚監測系統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據。

2 在線測厚腐蝕監測技術的應用

2.1 評選腐蝕監測部位

進行煉化裝置的在線測厚腐蝕監測，首先要評選出裝置的腐蝕監測部位，只有將在線測厚設備安裝在正確的腐蝕監測部位，所獲得的腐蝕監測數據才能準確、可靠地反映出該部位的實際腐蝕情況，這樣的監測才是有效監測。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測部位進行評選，結果如表1所示。分析表1可知，腐蝕監測部位均為管道的彎頭、三通、直管低點部位及設備進出口。

表1 200萬t/a蠟油加氫裝置腐蝕監測部位

2.2 確定在線測厚點

評選出裝置的腐蝕監測部位后，緊接著需要在腐蝕監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備及管道的腐蝕發展趨勢，其次要代表在線測厚部位腐蝕最嚴重的那一點，如此，才可準確發現早期的腐蝕泄漏點并預防腐蝕泄漏事件的發生，因此，在線測厚點應選擇在管道剩余壁厚值最小的那一點。

為了科學、準確地確定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和超聲波測厚技術進行精確定位，同時結合管道彎頭腐蝕減薄的經驗部位及計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術模擬結果，提出了在線測厚點的評選方法，具體如下：

1)首先根據常規的離線測厚經驗及文獻中的CFD技術模擬結果，彎頭部位壁厚最薄點(即腐蝕減薄最嚴重的點)一般出現在彎頭的背彎部位。

2)對于彎頭、三通、直管采用瞬磁渦流檢測技術先進行面掃查，即對于彎頭沿軸向進行正背彎、正背彎兩側共三次面掃查，可確定軸向方向上厚度最薄的一塊區域，而后再以該區域為中心進行環向掃查，最后確定厚度集中較薄的區域；對于三通和直管則沿管道軸向對其上、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域，而后再以該區域為中心進行環向掃查，最后確定厚度集中最薄的區域。

3)針對瞬磁渦流檢測確定的管道軸向最薄的區域(其大小約為5 cm×8 cm)，采用離線超聲波測厚技術進行密集測厚，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 在線測厚系統的安裝

完成上述工作，即可開展在線測厚系統的現場安裝，其步驟與具體工作內容如下：

第一步，拆除保溫，確定在線測厚點，現場安裝卡箍，并將探頭固定在卡箍上，保證探頭的波導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關并布置儀表線，并在儀表柜間安裝數據轉換器；

第三步，在網關中加載各在線測厚探頭，并進行現場調試；

第四步，在局域網中心服務器上安裝在線測厚軟件及相關插件，同時，在授權的局域網辦公電腦上進行現場15處在線測厚點的數據加載，并調試在線測厚系統的整體運行情況；

第五步，完成上述工作，申請開通局域網內在線測厚系統的數據瀏覽權限，局域網內終端用戶可瀏覽在線測厚數據，在線測厚系統正式上線運行。

2.4 測厚數據準確性評價

在線測厚系統上線運行后，對在線測厚數據的準確性進行了評價，即對在線測厚數值Z與離線測厚數值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，結果如表2所示。

(1)

式中：W——在線測厚數據的誤差，%；

Z——在線測厚數值，mm；

L——離線測厚數值，mm。

由表2數據可知，15處在線測厚點的在線測厚數據與離線測厚數據相差較小，在線測厚數據的最大誤差值為6.0%，73%的在線測厚數據誤差值≤2.5%，由此可見，在線測厚數據還是較為準確的。

表2 200萬t/a蠟油加氫裝置在線測厚數據誤差計算

2.5 現場應用

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據支持。

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，建立數據擬合線，測出這一監測期間的管線腐蝕速率為0.21 mm/a，腐蝕速率偏高，車間根據在線測厚腐蝕監測數據持續關注腐蝕變化趨勢。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，導致原油腐蝕性增強。同時，從在線測厚腐蝕監測數據來看，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測為裝置及時采取防護措施、消除腐蝕隱患提供了可靠、準確的技術及數據支持。

圖3 常減壓裝置常三線在線測厚腐蝕監測圖譜

2)及時發現腐蝕隱患，預防腐蝕事件發生。

圖4是某石化公司常減壓裝置1.0 MPa凝結水線彎頭部位的在線測厚數據，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凝結水線彎頭部位管道腐蝕減薄嚴重。為了確保每個在線測厚數據的準確性，取關鍵測厚數據(位于拐點或折點的數據)的超聲波圖譜進行分析驗證，結果顯示，關鍵測厚數據一次波形與二次波形清晰完整，數據真實可靠。

圖4 常減壓裝置1.0 MPa凝結水線在線測厚腐蝕監測圖譜

冷油泵房頂1.0 MPa凝結水線彎頭部位的腐蝕類型為沖刷腐蝕，且2018年3月1日后在線測厚數據發展趨勢一直呈明顯下降趨勢，表明在凝結水的不斷沖刷腐蝕作用下，彎頭背彎部位壁厚不斷減薄。為防止管道發生腐蝕泄漏，重點關注在線測厚腐蝕監測數據的變化趨勢，以便采取應急防護措施。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現，彎頭背彎部位內壁沖刷腐蝕嚴重，局部幾乎穿孔。應用效果表明，在線測厚腐蝕監測技術成功消減了1.0 MPa凝結水線彎頭部位的腐蝕隱患，避免了彎頭因沖刷腐蝕而導致的泄漏事件。

3)應用推廣

在線測厚腐蝕監測技術主要用于監測設備及管道的剩余壁厚，其技術優勢突出，適用性強，現場安裝方便，非常適用于公司易腐蝕煉化裝置的腐蝕監測。目前，在線測厚腐蝕監測技術已在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據支持，而且還可以及時發現腐蝕隱患，預防腐蝕事件發生?；谠诰€測厚腐蝕監測技術的適用性及應用效果，該技術可在其他15套裝置的易腐蝕部位進行推廣應用，如表3所示。

表3 在線測厚腐蝕監測技術推廣應用裝置

3 結語

在線超聲測厚腐蝕監測技術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)等勝于傳統腐蝕監測技術的優點，該系統運行穩定，應用效果良好，能夠準確監測設備及管道的剩余壁厚，真實反映監測部位的腐蝕變化趨勢。裝置現場應用效果表明，在線測厚腐蝕監測技術為從事腐蝕管理人員采取防腐蝕措施、及時發現腐蝕隱患、預防腐蝕事件發生提供了有力的技術及數據支持，而且可向其他煉化裝置推廣應用，預計其將會成為煉化企業未來幾年廣泛應用的腐蝕監檢測技術。