1. 腐蝕監測一般使用的技術(shù)
傳統上用來(lái)監測煉油廠(chǎng)腐蝕的儀器有幾種類(lèi)型。其中最常用的兩種是腐蝕探頭和手持超聲檢查儀。
1.1 腐蝕(或電阻)探頭
上個(gè)世紀60年代起,人們就開(kāi)始使用腐蝕探頭。這些探頭主要依賴(lài)于一個(gè)帶有消耗端的侵入元件,將消耗端放入工藝流體中,通常消耗端使用的材料同周邊設備的材料一樣。隨著(zhù)消耗端被腐蝕,其電阻會(huì )發(fā)生變化,發(fā)生變化的電阻記錄在外部?jì)x器(通常是一個(gè)局部安裝的數據記錄器)上,但是,人們現在不斷地使用無(wú)線(xiàn)連接方式記錄相關(guān)數據。消耗端的腐蝕液用來(lái)推斷周邊設備經(jīng)歷的腐蝕水平。雖然用起來(lái)很簡(jiǎn)單,但是腐蝕探頭也存在諸多缺點(diǎn):
• 中心線(xiàn)測量腐蝕率可能會(huì )與管壁測量腐蝕率不同,特別對于剪切速率效應可能會(huì )改變管壁上腐蝕率的腐蝕機理,這種差異會(huì )更明顯。
• 兩到三年(或如果是“高敏感度”應用環(huán)境下,時(shí)間甚至會(huì )更短)后,消耗端通常會(huì )被腐蝕殆盡,而大多數煉油廠(chǎng)現在每個(gè)經(jīng)營(yíng)周期一般超過(guò)5年。因此,通常需要在線(xiàn)更換腐蝕探頭。為了避免給工作人員帶來(lái)危險,通常需要采用非常嚴謹的安全程序以及進(jìn)行大量技術(shù)人員培訓。盡管這樣,據記載,還是發(fā)生了因探頭在殘壓作用下被高速彈出造成的幾次安全事件。國際上有幾家石油公司已禁止在設備運轉時(shí)將腐蝕探頭拆除,這樣一來(lái),到了經(jīng)營(yíng)周期最關(guān)鍵的最后一兩年,從腐蝕角度來(lái)說(shuō),這些設備都只能“盲目”地工作。
• 這些探頭的侵入性質(zhì)意味著(zhù)正常經(jīng)營(yíng)期間,不能安裝這些探頭,因為它們需要將特制的安裝法蘭打孔,并焊接到管道上。
• 侵入性探頭會(huì )造成流體流速擾動(dòng),從而會(huì )造成下游腐蝕。
• 大多數基于數據記錄器的舊型腐蝕探頭需要工程師到設備那里去下載數據。因此,工程師需要親自進(jìn)入到探頭位置,數據收取效率極低。后面一點(diǎn)對原油塔頂系統(比如塔頂管線(xiàn))來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的問(wèn)題,因為這些位置通常很遠——探頭數據連線(xiàn)不得不連接到附近的平臺上,增加了安裝成本,并讓電纜承受可能被損壞的風(fēng)險。
• 試樣測量——這是另外一種形式的侵入式腐蝕測量方法——這種方法要求從流體內部收集試樣進(jìn)行測量。與侵入式探頭測量方法相比,這種方法成本和相關(guān)風(fēng)險都更高,這是因為即使僅測量試樣的失重(腐蝕)情況,也必須收集式樣。一旦收集到試樣,可以為管道中可能出現的腐蝕類(lèi)型提供有用的信息。但是,獲得的相關(guān)信息屬于間接信息,不能提供經(jīng)常測量,因此不適于用來(lái)計算可靠的短期腐蝕率。
1.2 手持超聲檢查儀
超聲儀用于石油天然氣行業(yè)已經(jīng)有了50年左右的歷史,被證明是一種可靠的技術(shù)。這種技術(shù)涉及到直接安裝在金屬表面變頻器生成的超聲波。超聲波通過(guò)金屬設備傳播,最后被內表面(背壁)反射回來(lái)。 反射回來(lái)的超聲波信號(或者超聲掃描信號)被記錄下來(lái),發(fā)送信號和反射信號之間的時(shí)間差(“飛行時(shí)間”)可用來(lái)測量壁厚。雖然這種技術(shù)比較可靠,但是要完成一個(gè)腐蝕測量點(diǎn)超過(guò)80000個(gè)的中等規模煉油廠(chǎng)的全部測量工作非常耗時(shí),需要大量人力才能完成,因此,單個(gè)低等風(fēng)險度-中等風(fēng)險度的測量點(diǎn)的壁厚可能2-3年才測量一次。因此,要高頻率、可靠地測量主要位置的腐蝕率或者將高度壁損耗各個(gè)期間與具體的進(jìn)料或工藝作業(yè)(需要按天進(jìn)行各種有用測量)結合起來(lái),是非常困難的。
另外,除了簡(jiǎn)單易操作之外,手持超聲儀器方法也存在下列缺點(diǎn):
• 重復性和再現性誤差——讓同一無(wú)損檢測技術(shù)員使用同一設備連續對同一位置進(jìn)行精確測量是不可能的。另外,所使用的設備以及無(wú)損檢測技術(shù)員的技術(shù)水平每次測量都存在差異,這就造成了測量高度差異。下圖所示為1984年-2013年期間對單個(gè)(名義)位置進(jìn)行的手工測量結果。很明顯,對于每項測量結果,不同時(shí)間壁厚和腐蝕率的測量結論不同。從這些數據可以推測出手持超聲儀的精確度是+/- 0.5 -1 毫米(+/- 20-40密耳)。
圖1:使用手持超聲儀對固定位置進(jìn)行測量(按時(shí)間順序) [數據由Chevron提供]
• 高溫——大約超過(guò)100 ℃(212℉)的溫度可能會(huì )對非損壞性評估設備造成永久性損壞。另外,較高溫度位置的非損壞評估人員也面臨安全風(fēng)險。
• 親身進(jìn)入——檢查人員需要能夠靠近相關(guān)測量位置的設備,因此需要采用腳手架(可能需要永久安裝),需要去除隔熱層手工測量裸露的金屬器件。
2. 永感™技術(shù)概述
永感™永久安裝超聲無(wú)線(xiàn)壁厚檢測傳感器克服了這兩種局限性,大規模安裝簡(jiǎn)單和性?xún)r(jià)比高。這些傳感器提供其他技術(shù)不能提供的質(zhì)量和頻率數據,能夠作出提高盈利能力的經(jīng)驗決策。這些系統具備反映壁厚細小變化的靈敏度,具備適應極端設備條件的堅固耐用性以及電池壽命延長(cháng)(確保整個(gè)經(jīng)營(yíng)周期的可靠作業(yè))。
2.1 能靈活適應高溫環(huán)境
傳感器的設計納入了下頁(yè)所示獲得專(zhuān)利的獨特“波導”設計。波導采用導熱性能差的不銹鋼制成,因此,電子器件就能安全地避開(kāi)熱金屬表面(溫度高達600℃ (1100℉))的影響。
圖2:永感™專(zhuān)利波導技術(shù)保護電子器件不受高溫影響的效力
超聲波從“發(fā)送”變頻器發(fā)出,沿著(zhù)波導傳送,反射信號沿著(zhù)另一波導傳送,到達“接收”變頻器上。與手持超聲儀一樣,“表面波”信號和內部金屬面第一次反射之間的“飛行時(shí)間”差提供壁厚測量結果,如下圖所示。
圖3:永感™ 超聲傳感器的信號及波徑
2.2 粗糙度效應分辨率
永感™最近介紹采用一種獲得專(zhuān)利的專(zhuān)有AXC(自適應交叉關(guān)聯(lián))超聲信號處理方法后,他們的技術(shù)獲得了巨大進(jìn)步。
當內金屬表面形態(tài)非常粗糙時(shí),如果采用常規超聲波壁厚測量方法不能進(jìn)行準確測量,那么AXC可使用前波形結構改進(jìn)測量反彈誤差。另外AXC能夠進(jìn)一步加強測量的再現性,也就是說(shuō)即使比較細微的腐蝕或侵蝕,都可以在幾天內探測到。AXC能夠將壁厚測量與內表面發(fā)生的粗化區分開(kāi)來(lái)——盡管如此,現在發(fā)生的粗糙度使用色帶加以區分,所謂色帶就是Permasense形狀指標(PSI)。這種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的加工方法使數據的解釋變得更加容易和快捷。
3. 局部測量/區域覆蓋
永感™系統的設計通過(guò)使用無(wú)線(xiàn)通信和電池電源包,避免后續使用鎧裝和電纜槽裝置進(jìn)行布線(xiàn),達到了低安裝成本的目的。這種安裝簡(jiǎn)化方式可讓傳感器成為用于那些僅在經(jīng)營(yíng)期間進(jìn)入的遠端位置監測的理想品。
與手持超聲儀類(lèi)似,每個(gè)傳感器的測量覆蓋區面積大約為1平方厘米。因此,使用單個(gè)傳感器進(jìn)行監測,探測到局部化腐蝕的概率較低。為了提高探測概率,需要在最危險位置安裝多點(diǎn)陣列傳感器。
每個(gè)陣列所需傳感器數根據歷史檢查記錄確定,或者按照當前監測的受腐蝕影響的區域所占比例確定——受影響區域所占整個(gè)被監測設備面積比例越小,要達到局部化腐蝕活動(dòng)探測90%可信度需要使用越多傳感器。
圖4:根據腐蝕區域和探測概率確定的傳感器數差異
圖 4所示為倫敦皇家學(xué)院無(wú)損工程部的數學(xué)分析結果,這些結果表明了某一區域內部署的傳感器數量、腐蝕活動(dòng)區域占整個(gè)受監測區域比例以及探測概率之間的關(guān)系。要實(shí)現較高的探測概率,一個(gè)區域只需要采用適當數量的傳感器即可。
4. 點(diǎn)式測量分辨率及工藝溫度變化效應
由于音速通過(guò)金屬會(huì )產(chǎn)生變化,因此所有基于超聲波的測量都會(huì )受到工藝溫度變化的影響。
圖5:隨工藝溫度變化而變化的壁厚測量結果
圖5所示為使用永久安裝超聲傳感器測量的壁厚變化情況。如圖所示,放大時(shí),如果工藝溫度波動(dòng)為20℃(40℉),壁厚變化程度為0.05毫米(2密耳)。盡管這比手工檢測已經(jīng)高了幾個(gè)數量級,但是這種變化等級仍然不是確定腐蝕率短期變化的理想選擇。最新一代的永感™傳感器(WT210)利用集成熱電偶測量金屬表面溫度,能夠自動(dòng)地補償工藝溫度變化時(shí)的壁厚數據,如圖6所示,相關(guān)數據與圖5中數據相同。
圖6:經(jīng)溫度補償處理的壁厚測量數據
經(jīng)過(guò)溫度補償處理的數據的差異低于10微米(0.2密耳)。這樣的精度可探測到更小、更短期的腐蝕率,且可信度更高。盡管如此,需要注意的是,經(jīng)校正數據表明腐蝕在該位置并未連續發(fā)生,其中還發(fā)生兩個(gè)毫無(wú)關(guān)聯(lián)的腐蝕事件,兩者都被原數據的測量噪音所掩蓋。使用永感™傳感器和自動(dòng)化數據處理技術(shù)所能夠達到的精度可與高靈敏度侵入式探頭相媲美,但不存在后者的內在安全問(wèn)題和安裝維護成本高問(wèn)題。
5. 結論
• 市場(chǎng)狀況正促使煉油廠(chǎng)尋求各種新方法提高獲利能力。這包括加工規格更可變的原油,如美國輕致密油(LTO)。這樣一來(lái),在受成本限制的環(huán)境下(檢查的人數和合同資源有限),腐蝕導致的故障風(fēng)險就會(huì )上升。
• 輕致密油越來(lái)越多,這類(lèi)原油存在著(zhù)與完整性相關(guān)的加工問(wèn)題,導致煉油廠(chǎng)在冶金學(xué)特性升級和化學(xué)抑制/腐蝕監測之間作出選擇。由于預算局限,許多石油公司選擇化學(xué)抑制和更加嚴格監測。抑制/加強型監測測量的回報時(shí)間通常為幾個(gè)月。
• 雖然侵入式探頭具備所需靈敏度和響應能力,但是安裝和維護復雜,在更換消耗端時(shí)存在安全隱患。這種探頭屬于單點(diǎn)測量,然后根據單點(diǎn)測量結果推出整個(gè)工藝流體對設備壁造成的腐蝕影響。
• 手持超聲儀因測量位置、操作人員和設備之間測量結果差異而存在重復性/再現性問(wèn)題。盡管如此,手持超聲儀也需要檢查人員能夠進(jìn)入監測區域,這從經(jīng)濟角度來(lái)說(shuō)往往不切實(shí)際,而且在線(xiàn)檢查存在安全隱患。
• 最新一代永感™傳感器通過(guò)使用自動(dòng)化溫度補償,能夠提供“高靈敏”侵入式探頭一樣的精確度,從而能夠可靠地測量短期腐蝕率變化。這樣一來(lái),這種技術(shù)就成為短期石油加工活動(dòng)腐蝕監測和跟蹤的理想選擇。
過(guò)去5年,永感™傳感器已在全世界70多家煉油廠(chǎng)安裝使用,這些煉油廠(chǎng)包括國際石油公司、獨立經(jīng)營(yíng)公司以及國家石油公司。在過(guò)去5年中,這些傳感器已自動(dòng)提供了超過(guò)1000萬(wàn)個(gè)在線(xiàn)測量數據給那些需要利用數據作出更好運營(yíng)和資產(chǎn)完整性管理決策的人士。