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連續(xù)地環(huán)烷酸腐蝕監(jiān)測(cè)增加原油巖板靈活性


    1.  導(dǎo)言

        當(dāng)前,原油價(jià)格高度波動(dòng),使得煉油利潤(rùn)率也存在較大差異,結(jié)果我們很難從原油巖板優(yōu)化方面精確地選擇原油和實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化。煉油廠(chǎng)可接受的各種原油靈活性對(duì)實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化十分重要,有些地區(qū),甚至是某個(gè)煉油廠(chǎng)繼續(xù)生存的關(guān)鍵。市場(chǎng)大多數(shù)較低成本原油——即所謂“機(jī)會(huì)原油”——是在標(biāo)志原油價(jià)格基礎(chǔ)上采取打折價(jià)格,這是因?yàn)樗鼈兙哂须y加工的屬性——最主要的是用TAN(總酸值)衡量的腐蝕性??偹嶂禍y(cè)量通常是實(shí)驗(yàn)室用來(lái)確定原油易于造成環(huán)烷酸腐蝕特性的試驗(yàn)方法。
 
        北美地區(qū)價(jià)格更加低廉的頁(yè)巖油和重油砂開(kāi)采不斷增加,導(dǎo)致煉油廠(chǎng)可加工進(jìn)料的需求靈活性上升。這些原油以及采用三次采油和油井刺激技術(shù)的舊傳統(tǒng)油田通常依賴(lài)于注入一種化學(xué)藥劑,這種藥劑殘留在煉油廠(chǎng)的原油進(jìn)料中。另外,大多數(shù)加拿大油砂本身總酸值就很高,同時(shí),采用火車(chē)運(yùn)輸頁(yè)巖油需要添加硫化氫鈍化化學(xué)品,而這種鈍化化學(xué)品可能會(huì)給煉油廠(chǎng)帶來(lái)其他相關(guān)腐蝕性問(wèn)題,比如原油塔頂部氨化合物鹽化,最終可能會(huì)導(dǎo)致垢下腐蝕。北美地區(qū)采用的“啞鈴形”石油加工方法——一種將頁(yè)巖油和重油砂混合加工的方法——在促進(jìn)塔穩(wěn)定性、作業(yè)性能以及產(chǎn)品質(zhì)量控制方面的作用得到大量宣傳,而這些原油混合物增加的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)卻很少宣傳,但是,這類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)卻越來(lái)越成為一種普遍現(xiàn)象。
 
        因此,提高可在煉油廠(chǎng)加工的各種原油質(zhì)量靈活性也潛在地增加了設(shè)備完整性風(fēng)險(xiǎn),造成腐蝕增加。這在大多數(shù)情況下表現(xiàn)為檢測(cè)到設(shè)備某些區(qū)域出現(xiàn)不可接受的高腐蝕時(shí),裝置會(huì)停工。盡管如此,如果被忽略而且不及時(shí)處理,這類(lèi)過(guò)量腐蝕會(huì)導(dǎo)致碳?xì)浠衔镄孤?,最糟糕情況下,甚至發(fā)生爆炸或火災(zāi),導(dǎo)致人類(lèi)悲劇,增加業(yè)務(wù)中止時(shí)間,造成秩序混亂,增加大量設(shè)備重建成本,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致公司品牌聲譽(yù)受損以及未來(lái)對(duì)公司監(jiān)管力度加大。
 
        某些重要工藝裝置中產(chǎn)生的計(jì)劃外停工通常會(huì)耗盡從腐蝕性較高的煉油業(yè)務(wù)中賺取的利潤(rùn),因此,煉油廠(chǎng)不得不在利潤(rùn)最大化和設(shè)備高開(kāi)工率管理之間走鋼絲。除此之外,各個(gè)煉油廠(chǎng)還面臨降低成本壓力(大多數(shù)情況下通過(guò)減少員工人數(shù)和減少使用承包商的頻度來(lái)實(shí)現(xiàn),通常包括檢查部門(mén)資源),同時(shí),維護(hù)設(shè)備完整性適當(dāng)監(jiān)測(cè)水平的能力也面臨諸多挑戰(zhàn)。
 
        全世界石油天然氣工廠(chǎng)經(jīng)營(yíng)者們正在通過(guò)積極部署規(guī)模化永久性安裝的持續(xù)式壁厚監(jiān)測(cè)器跟蹤關(guān)鍵位置腐蝕情況,解決這類(lèi)問(wèn)題。更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋O(jiān)測(cè)不但能夠以高性?xún)r(jià)比方式跟蹤相關(guān)區(qū)域的腐蝕情況,而且讓煉油廠(chǎng)具體找到導(dǎo)致不斷腐蝕率加快的進(jìn)料或工藝運(yùn)行——從而進(jìn)一步優(yōu)化在線(xiàn)腐蝕降低策略以及驗(yàn)證其有效性,最終可以作出及時(shí)的、循證的完整性管理決策。

    2.  原油加工靈活性需求說(shuō)明: C:\Users\Administrator\Desktop\圖片15.png圖片15

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圖1:市場(chǎng)上出現(xiàn)的新原油TAN和API對(duì)比 [數(shù)據(jù)由 KBC Energy Economics提供]

        圖1中由KBC Energy Economics提供的最近數(shù)據(jù)表明,市場(chǎng)出現(xiàn)的大多數(shù)新型原油也面臨著加工特性方面的挑戰(zhàn),尤其是酸性或總酸值方面的挑戰(zhàn)。全世界大多數(shù)現(xiàn)有煉油廠(chǎng)設(shè)計(jì)主要考慮加工總酸值0.3 mgKOH/g或以下的原油,但是,上圖顯示全球原油總酸值為1 mgKOH/g或以上的產(chǎn)量增加了/正在增加3%左右。這些原油通常以比諸如Brent 或WTI這樣的標(biāo)志原油低幾美元/桶的價(jià)格出售。如果機(jī)會(huì)原油以低于標(biāo)準(zhǔn)原油巖板0.5美元/桶的價(jià)格出售,那么一個(gè)一般產(chǎn)量20萬(wàn)桶/天(1000萬(wàn)噸/年)的煉油廠(chǎng)的利潤(rùn)能夠增加3500萬(wàn)美元/年,遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超出增量化學(xué)抑制和監(jiān)測(cè)成本,意味著抑制/監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)施的回報(bào)時(shí)間通常是幾個(gè)月。

        在決定加工更具腐蝕性原油時(shí),原油規(guī)劃人員通常會(huì)“考慮”到完整性影響,這樣的考慮將以未來(lái)發(fā)展過(guò)程中某些重要設(shè)備項(xiàng)目的估算更換成本為依據(jù)。除非煉油廠(chǎng)擁有幾年和幾個(gè)循環(huán)周期加工這類(lèi)高酸性原油的經(jīng)驗(yàn),這些考慮將只不過(guò)是一些“有依據(jù)的推測(cè)”,因?yàn)槿鄙賹⑻囟ㄔ皖?lèi)型同相對(duì)應(yīng)腐蝕率聯(lián)系起來(lái)的硬性數(shù)據(jù)。

    3.  環(huán)烷酸腐蝕

        高總酸值原油會(huì)造成環(huán)烷酸腐蝕,這種腐蝕極具侵略性,通常屬于局部腐蝕機(jī)理,具有“橘皮”效果特點(diǎn),如下文圖片(圖2)所示。雖然這種問(wèn)題大多數(shù)集中在原油和減壓蒸餾裝置上,但是,進(jìn)入下游轉(zhuǎn)換和加氫裝置的氣油和殘余產(chǎn)品也呈現(xiàn)一定水平的總酸值,也是使用碳鋼制作的進(jìn)料部分設(shè)備的問(wèn)題所在。

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圖2:環(huán)烷酸腐蝕 [數(shù)據(jù)由 Nalco Champion公司提供]
 
        設(shè)備內(nèi),環(huán)烷酸腐蝕的侵略性是由裝置中的四個(gè)關(guān)鍵參數(shù)決定的:

        3.1- 溫度——環(huán)烷酸侵蝕開(kāi)始在溫度大約超過(guò)200-220?C (390-430?F)的原油和減壓蒸餾裝置的一些區(qū)域出現(xiàn)——從預(yù)熱系統(tǒng)熱端開(kāi)始,通過(guò)進(jìn)料加熱盤(pán)管,對(duì)原油蒸餾塔的下部、輕/重氣油側(cè)拉力以及殘余品消減產(chǎn)生影響,直到這些裝置被冷卻到低于該臨界溫度閾值。真空裝置中的危險(xiǎn)區(qū)域也是一樣的。
 
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圖3:環(huán)烷酸腐蝕溫度差異性[數(shù)據(jù)由 Nalco Champion公司提供]
 
原油蒸餾塔
 
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圖4:原油和真空蒸餾塔中環(huán)烷酸腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置
         
        3.2-冶金學(xué)特點(diǎn) ——環(huán)烷酸腐蝕對(duì)碳鋼具有最強(qiáng)侵蝕性,據(jù)記載,溫度超過(guò)300?C (572?F)時(shí),3 mgKOH/g或以上總酸值的原油的腐蝕率達(dá)到40-50毫米/年(1600-2000密耳/年)。盡管不同等級(jí)的不銹鋼在一定溫度范圍內(nèi)抵抗環(huán)烷酸腐蝕能力存在差異,但是總體上不銹鋼表現(xiàn)出良好耐環(huán)烷酸腐蝕性,如下表中所示:

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圖5:環(huán)烷酸腐蝕冶金差異性[數(shù)據(jù)由 Nalco Champion公司提供]
 
        3.3-速度——本質(zhì)上環(huán)烷酸分子相對(duì)懶惰,只有在高剪切速度的“激活”下才改變這種狀態(tài)——比如我們所發(fā)現(xiàn)的減速器和膨脹器所導(dǎo)致的斷流,彎頭和彎管以及T形件造成的斷流,或者發(fā)生流動(dòng)擾動(dòng)的下游,比如泵抽送量、噴嘴或侵入探頭。這導(dǎo)致這些區(qū)域存在環(huán)烷酸腐蝕的概率比較大。

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圖6:烷酸腐蝕流速差異性[數(shù)據(jù)由 Nalco Champion公司提供]
 
        3.4-原油硫含量——另外,也有現(xiàn)場(chǎng)證據(jù)表明,高總酸值酸性原油的腐蝕性不及高總酸值低硫原油的強(qiáng),這是因?yàn)榍罢咝纬闪艘粚颖Wo(hù)金屬表面的硫化鐵鈍化層。市場(chǎng)上可買(mǎi)到的幾種環(huán)烷酸抑制化學(xué)品也是利用同一鈍化原理工作的。盡管如此,也需要記住一點(diǎn),硫化鐵層的形成也會(huì)以化學(xué)方式永久地侵蝕設(shè)備壁金屬。另外,這也是一種不穩(wěn)定的現(xiàn)象,比如,當(dāng)裝置關(guān)閉時(shí)或者當(dāng)流速發(fā)生重大變化時(shí),所形成的硫化鐵鈍化層也會(huì)消失。

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圖7:環(huán)烷酸腐蝕硫含量差異性[數(shù)據(jù)由 Nalco Champion公司提供]
 
        3.5- 按沸點(diǎn)區(qū)分環(huán)烷酸——原油總酸值近似的不同原油會(huì)含有不同形式的環(huán)烷酸分子,這些分子在不同沸點(diǎn)分離。比如下圖中,Gryphon、 Captain和 Cerro Negro原油的環(huán)烷酸腐蝕主要集中在原油蒸餾裝置,而Doba原油的環(huán)烷酸腐蝕主要集中在減壓裝置。了解環(huán)烷酸分離溫度對(duì)確定監(jiān)測(cè)策略十分重要。 說(shuō)明: C:\Users\Administrator\Desktop\圖片19.png圖片19

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圖8:不同類(lèi)型原油沸點(diǎn)溫度總酸值差異性 [數(shù)據(jù)由 Nalco Champion公司提供]
 
    4.  環(huán)烷酸腐蝕管理

        各個(gè)煉油廠(chǎng)主要采取兩種策略減輕環(huán)烷酸腐蝕影響——首先,他們對(duì)各個(gè)裝置的大多數(shù)/全部脆弱區(qū)域的冶金學(xué)特性進(jìn)行升級(jí),其次,他們利用化學(xué)抑制劑——這兩種策略都需要在主要區(qū)域進(jìn)行更加嚴(yán)密監(jiān)測(cè),以核實(shí)抑制劑的分布以及冶金學(xué)特性升級(jí)情況。這些選項(xiàng)的選擇往往會(huì)涉及到資本預(yù)算可用性問(wèn)題——當(dāng)前形勢(shì)下,預(yù)算在不斷被消減,許多經(jīng)營(yíng)者正在化學(xué)抑制和冶金學(xué)特性升級(jí)監(jiān)測(cè)之間做出選擇,尤其是可在不關(guān)閉設(shè)備的情況下在線(xiàn)優(yōu)化抑制劑和安裝完整性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以來(lái),這種趨勢(shì)越愈發(fā)明顯。
 
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圖9:減輕環(huán)烷酸腐蝕的冶金特性升級(jí)和化學(xué)抑制選擇
 
    5.  腐蝕監(jiān)測(cè)一般使用的技術(shù)

        傳統(tǒng)上用來(lái)監(jiān)測(cè)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儀。

        5.1-腐蝕(或電阻)探頭——上個(gè)世紀(jì)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,通常消耗端制作所使用的材料同周邊設(shè)備的材料一樣。隨著消耗端腐蝕,其電阻會(huì)發(fā)生變化,發(fā)生變化的電阻記錄在外部?jī)x器(通常是一個(gè)局部安裝的數(shù)據(jù)記錄器)上,但是,人們現(xiàn)在不斷地使用無(wú)線(xiàn)連接方式記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。消耗端的腐蝕液用來(lái)推斷周邊設(shè)備經(jīng)歷的腐蝕水平。雖然用起來(lái)很簡(jiǎn)單,但是腐蝕探頭存在諸多缺點(diǎn):
 
        •  由于存在前面描述的剪切速度,中心線(xiàn)測(cè)量腐蝕率可能會(huì)與墻壁測(cè)量腐蝕率不同。

        •  兩到三四年(或如果是“高敏感度”應(yīng)用環(huán)境下,時(shí)間甚至?xí)蹋┖?,消耗端通常?huì)被腐蝕殆盡,而大多數(shù)煉油廠(chǎng)現(xiàn)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(xiǎn),通常需要采用非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌踩绦蛞约斑M(jìn)行大量技術(shù)人員培訓(xùn)。盡管這樣,據(jù)記載,還是發(fā)生了因探頭在殘壓作用下被高速?gòu)棾鲈斐傻膸状伟踩录?。?guó)際上有幾家石油公司已禁止在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)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(shè)備都只能“盲目”地工作。

        •  這些探頭的侵入性質(zhì)意味著正常經(jīng)營(yíng)期間,不能安裝這些探頭,因?yàn)樗鼈冃枰獙⑻刂频陌惭b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)造成下游環(huán)烷酸腐蝕。
 
        •  大多數(shù)基于數(shù)據(jù)記錄器的舊型腐蝕探頭需要工程師到設(shè)備那里去下載數(shù)據(jù)。因此,工程師需要親自進(jìn)入到探頭位置,數(shù)據(jù)收取效率極低。
 
        5.2-手持超聲儀波儀器——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(shè)備傳播,最后被背面內(nèi)壁反射回來(lái)。 反射回來(lái)的超聲波信號(hào)(或者超聲掃描信號(hào))被記錄下來(lái),發(fā)送信號(hào)和反射信號(hào)之間的時(shí)間差(“飛行時(shí)間”)可用來(lái)測(cè)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(cè)量點(diǎn)超過(guò)80000個(gè)的中等規(guī)模煉油廠(chǎng)的全部測(cè)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(xiǎn)度-中等風(fēng)險(xiǎn)度的測(cè)量點(diǎn)的壁厚可能2-3年才測(cè)量一次。因此,要高頻率、有信心地測(cè)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(cè)量)結(jié)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(fù)性和再現(xiàn)性誤差——讓同一無(wú)損檢測(cè)技術(shù)員使用同一設(shè)備連續(xù)對(duì)同一位置進(jìn)行精確測(cè)量是不可能的。因?yàn)槭殖謨x器需要進(jìn)行仔細(xì)的校準(zhǔn),同時(shí)解釋超聲波形也需要具備一定技術(shù)能力,這就造成了厚度測(cè)量誤差。下圖所示為1984年-2013年期間對(duì)單個(gè)(名義)位置進(jìn)行的手工測(cè)量結(jié)果。很明顯,對(duì)于每項(xiàng)測(cè)量結(jié)果,不同時(shí)間壁厚和腐蝕率的測(cè)量結(jié)論不同。從這些數(shù)據(jù)可以推測(cè)出手持超聲儀的精確度是+/- 0.5 -1 毫米(+/- 20-40密耳)。
 
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圖10:使用手持超聲儀對(duì)固定位置進(jìn)行測(cè)量(按時(shí)間順序) [數(shù)據(jù)由Chevron提供]
 
        •  易受金屬內(nèi)表面粗糙度(比如局部化銹蝕)影響——超聲物理學(xué)特性存在一種局限性,那就是金屬內(nèi)表面上非常細(xì)小的缺陷也會(huì)導(dǎo)致超聲波發(fā)散,造成反射信號(hào)的扭曲。這體現(xiàn)在與之前讀數(shù)相比,壁厚竟然增加了,這根本是不可能的事情。人性使然,人們會(huì)拋棄這樣的測(cè)量結(jié)果,操作員一般會(huì)將探頭輕輕地移到一側(cè)或者其他位置,直到獲得所謂“正常”的讀數(shù)(等于或低于前一讀數(shù))。因此,將儀器放在內(nèi)表面粗糙位置時(shí),這類(lèi)局限性可能獲得有價(jià)值的信息,但是也意味著錯(cuò)過(guò)對(duì)那些真正出現(xiàn)腐蝕活動(dòng)位置的測(cè)量。下圖所示為安裝永久性傳感器時(shí)這種現(xiàn)象的圖例:
 
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圖11:局部化腐蝕機(jī)理影響下永久安裝超聲傳感器測(cè)量的壁厚趨勢(shì)
    
        上圖中紅圈標(biāo)注期間,是受內(nèi)表面粗糙度影響最大的時(shí)間,由于該超聲分散效應(yīng),實(shí)際厚度無(wú)從知曉。
 
        •  高溫——大約超過(guò)100?C (212?F)的溫度可能會(huì)對(duì)超聲探頭的電子器件造成永久性損壞。另外,超過(guò)該級(jí)別的溫度或者可能產(chǎn)生環(huán)烷酸的其他類(lèi)型的溫度下,檢查人員靠近熱金屬件工作,即使穿戴保護(hù)設(shè)備,也是不安全的。
 
        •  親身進(jìn)入——檢查人員需要能夠靠近相關(guān)測(cè)量位置的設(shè)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(cè)量裸露的金屬器件,這需要付出高昂成本和導(dǎo)致能源損失。

    6.  現(xiàn)代永久性安裝連續(xù)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)

        當(dāng)前有幾種現(xiàn)代化且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可靠的腐蝕測(cè)量技術(shù),這些技術(shù)試圖要克服侵入式探頭和手持超聲儀的缺點(diǎn)。這些技術(shù)主要分為兩類(lèi):
 
        •  永久安裝局部/點(diǎn)式測(cè)量技術(shù);
 
        •  永久安裝區(qū)域測(cè)量技術(shù)。
 
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圖12:測(cè)量技術(shù)分類(lèi)——靈敏度與測(cè)量頻率
 
        上圖所示為各種技術(shù)的分類(lèi),這些技術(shù)包括前一章節(jié)描述的侵入式(ER)腐蝕探頭和手持超聲儀(UT),分類(lèi)是根據(jù)是否使用篩選或測(cè)量技術(shù)以及是否可用來(lái)檢查或監(jiān)測(cè)進(jìn)行的。

        在確定某一特定系統(tǒng)中是否存在腐蝕活動(dòng)以及全部金屬損耗大體程度方面,區(qū)域測(cè)量方法為我們提供了一種有價(jià)值的途徑。盡管如此,測(cè)量區(qū)域的擴(kuò)大卻相應(yīng)地降低了這些測(cè)量的分辨率或靈敏度。如果這些儀器顯示整個(gè)測(cè)量區(qū)域發(fā)生1%的金屬耗損量,則需要技術(shù)精湛并經(jīng)過(guò)嚴(yán)格培訓(xùn)的專(zhuān)業(yè)人士解釋金屬損耗是整個(gè)區(qū)域一致的金屬耗損還是單個(gè)銹斑金屬損耗,這些金屬損耗都可能穿透整個(gè)壁厚。

        實(shí)踐中,區(qū)域測(cè)量工具是篩選的最佳工具。這些系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)通常會(huì)定期發(fā)送給專(zhuān)業(yè)人士進(jìn)行解釋?zhuān)M(jìn)行處理并在晚些時(shí)候返回,這就會(huì)造成額外數(shù)據(jù)加工成本和延遲。大多數(shù)情況下,這類(lèi)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,采用精密金屬表面連線(xiàn)耦合器,從而造成購(gòu)買(mǎi)和安裝成本高,容易在工業(yè)環(huán)境中損壞。大多數(shù)這類(lèi)系統(tǒng)需要檢查人員親臨現(xiàn)場(chǎng)取回?cái)?shù)據(jù),從而需要親自靠近設(shè)備。一旦部署,如果接下來(lái)發(fā)生設(shè)備更換,這些系統(tǒng)是不能移動(dòng)位置的。
 
        當(dāng)今可用的點(diǎn)式測(cè)量方法大多數(shù)以超聲波為基礎(chǔ),存在之前描述的兩種缺點(diǎn):
 
        •  因電子器件靈敏性,不適于高溫應(yīng)用環(huán)境;
 
        •  粗糙內(nèi)表面會(huì)造成超聲波反射變形,從而混淆壁厚趨勢(shì)。
 
        圖12中的紅框表示有效環(huán)烷酸腐蝕測(cè)量所需測(cè)量頻率和靈敏度。這意味著手持超聲儀、“區(qū)域”方法和侵入式探頭都能提供部分解決方案,但沒(méi)有一種技術(shù)能夠滿(mǎn)足全部要求。

    7.  永感™技術(shù)概述

        永感™永久安裝超聲無(wú)線(xiàn)壁厚檢測(cè)傳感器克服了這兩種局限性,成為環(huán)烷酸腐蝕監(jiān)測(cè)的理想技術(shù)——除了大規(guī)模安裝簡(jiǎn)單和性?xún)r(jià)比高之外,既具備反映壁厚細(xì)小變化的靈敏度,也具備適應(yīng)極端裝置條件的堅(jiān)固耐用性。
 
        7.1-能靈活適應(yīng)高溫環(huán)境——傳感器的設(shè)計(jì)納入了下圖所示獲得專(zhuān)利的獨(dú)特“波導(dǎo)”設(shè)計(jì)。波導(dǎo)采用導(dǎo)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(dá)600?C (1100?F))的影響。這種技術(shù)是目前市場(chǎng)唯一可以購(gòu)買(mǎi)得到的點(diǎn)式測(cè)量技術(shù),能夠在300?C (572?F)以上的溫度條件下工作。
 
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圖13:永感™專(zhuān)利波導(dǎo)技術(shù)保護(hù)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,沿著波導(dǎo)傳送,反射信號(hào)沿著另一波導(dǎo)傳送,到達(dá)“接收”變頻器上。與手持超聲儀一樣,“表面波”信號(hào)和內(nèi)部金屬面第一次反射之間的“飛行時(shí)間”差提供壁厚測(cè)量結(jié)果,如下圖所示。
 
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圖14:永感™ 超聲傳感器的信號(hào)及波徑
 
        7.2-粗糙度效應(yīng)分辨率——Permasense最近宣告了采用一種獲得專(zhuān)利的專(zhuān)有AXC(自適應(yīng)交叉相關(guān))超聲信號(hào)處理方法后,他們的技術(shù)獲得了巨大進(jìn)步。不同于掃描內(nèi)表面第一超聲反射峰值,AXC使用前波形結(jié)構(gòu)改進(jìn)第一次反射探測(cè)的可靠性,甚至改進(jìn)粗糙內(nèi)表面發(fā)生的信號(hào)扭曲。AXC能夠?qū)⒈诤駵y(cè)量與內(nèi)表面發(fā)生的粗糙區(qū)分開(kāi)來(lái)——盡管如此,現(xiàn)在發(fā)生的粗糙度使用色帶加以區(qū)分,所謂色帶就是Permasense形狀指標(biāo)(PSI)。使用AXC方法重新處理圖11中數(shù)據(jù)的結(jié)果,如下圖所示:

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圖15:環(huán)烷酸腐蝕機(jī)理永感™ AXC處理壁厚數(shù)據(jù)
說(shuō)明: 圖片26
 
        因此,本次案例研究中,原油總酸值上升到一個(gè)相對(duì)適度范圍(0.3- 0.35 mgKOH/g),PSI標(biāo)尺顏色很快地變成黃色,表明內(nèi)表面變得粗糙。一旦獲得穩(wěn)定的腐蝕率(大約一周后),PSI標(biāo)尺變?yōu)榧t色,表明內(nèi)反射金屬表面形狀快速發(fā)生變化。壁厚測(cè)量結(jié)果表明腐蝕率明顯地從0.2毫米/年上升到0.5毫米/年。這種改進(jìn)后處理方法能夠更容易地解釋超聲數(shù)據(jù)。

    8.  局部測(cè)量/區(qū)域覆蓋

        永感™系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過(guò)使用無(wú)線(xiàn)通信和電池供電,避免后續(xù)使用鎧裝和電纜槽裝置進(jìn)行布線(xiàn),達(dá)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(yuǎn)端位置監(jiān)測(cè)的理想品。
 
        與手持超聲儀類(lèi)似,每個(gè)傳感器的測(cè)量覆蓋區(qū)面積大約為1平方厘米。因此,使用單個(gè)傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè),探測(cè)到局部化腐蝕(比如環(huán)烷酸腐蝕)的概率較低。為了提高探測(cè)概率,需要在了解溫度、冶金學(xué)特性、設(shè)備幾何形狀以及原油類(lèi)型酸的沸程分布的基礎(chǔ)上,安裝多點(diǎn)陣列傳感器。每個(gè)陣列所需傳感器數(shù)根據(jù)歷史檢查記錄確定,或者按照當(dāng)前監(jiān)測(cè)的受腐蝕影響的區(qū)域所占比例確定——受影響區(qū)域所占整個(gè)被監(jiān)測(cè)設(shè)備面積比例越小,要達(dá)到局部化腐蝕活動(dòng)探測(cè)90%可信度需要使用越多傳感器。
 
說(shuō)明: C:\Users\Administrator\Desktop\永感案例中文\圖片9.png圖片9
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圖16:根據(jù)腐蝕區(qū)域和探測(cè)概率確定的傳感器數(shù)差異
 
        圖16所示為英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)無(wú)損檢測(cè)工程中心的數(shù)學(xué)分析結(jié)果,這些結(jié)果表明了陣列規(guī)模、腐蝕活動(dòng)區(qū)域占整個(gè)受監(jiān)測(cè)區(qū)域比例以及探測(cè)概率之間的關(guān)系。
 
        該分析成為圖17中系統(tǒng)地顯示用于可能遭受環(huán)烷酸腐蝕的原油加熱器傳輸線(xiàn)路的26個(gè)傳感器系統(tǒng)以及彎管監(jiān)測(cè)使用的14個(gè)傳感器列陣的傳感器布置理論來(lái)源:
 
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圖17:原油加熱器至塔的傳輸線(xiàn)路點(diǎn)式傳感器監(jiān)測(cè)列陣布局實(shí)際安裝示意圖
 
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圖18:彎管監(jiān)測(cè)列陣布局實(shí)際安裝示意圖
 
 
    9.  點(diǎn)式測(cè)量分辨率及工藝溫度變化效應(yīng)

        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(cè)量都會(huì)受到工藝溫度變化的影響。

說(shuō)明: C:\Users\Administrator\Desktop\永感案例中文\圖片10 (2).png圖片10 (2)
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圖19:?jiǎn)蝹€(gè)位置隨時(shí)間變化的壁厚測(cè)量和壁溫度變化
 
        圖19所示為使用永感™永久安裝超聲傳感器測(cè)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?C (40?F),壁厚變化程度為0.05毫米(2密耳)。這種變化程度很小,不適于用來(lái)確定腐蝕率的短期變化,從而促使某些經(jīng)營(yíng)者繼續(xù)使用“高靈敏性”的侵入式探頭,盡管他們明白這種探頭存在各種問(wèn)題(如上文所述)。最新一代的永感™傳感器(WT210)利用集成熱電偶測(cè)量金屬表面溫度,能夠自動(dòng)地補(bǔ)償工藝溫度變化時(shí)的壁厚數(shù)據(jù),如圖20所示,相關(guān)數(shù)據(jù)與圖19中數(shù)據(jù)相同。
 
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說(shuō)明: C:\Users\Administrator\Desktop\永感案例中文\圖片11.png圖片11
 
圖20:經(jīng)溫度補(bǔ)償處理的壁厚測(cè)量數(shù)據(jù)
 
        經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償處理的數(shù)據(jù)的差異低于10微米(0.2密耳)。這樣的精度可能探測(cè)到更小、更短期的腐蝕率,且可行度更高。盡管如此,需要注意的是,經(jīng)校正數(shù)據(jù)表明腐蝕在該位置并未連續(xù)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(shù)據(jù)的工藝溫度變化效應(yīng)所掩蓋。使用永感™傳感器和自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理技術(shù)所能夠達(dá)到的精度可與高靈敏度侵入式探頭相媲美,但不存在后者內(nèi)在的安全問(wèn)題和其他問(wèn)題。

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            說(shuō)明: C:\Users\Administrator\Desktop\圖片33.png圖片33
圖21:永感™ 技術(shù) —— 靈敏度與測(cè)量頻率比較以及環(huán)烷酸腐蝕監(jiān)測(cè)適用性
 
        圖21復(fù)制了圖12,但是顯示了上述永感™技術(shù)的適用性,該技術(shù)加入了最新的技術(shù)進(jìn)步,能夠補(bǔ)償內(nèi)表面粗糙度和工藝溫度變化,完全滿(mǎn)足和甚至超過(guò)有效環(huán)烷酸腐蝕監(jiān)測(cè)各項(xiàng)要求。如果該圖采用3維方式呈現(xiàn),其中溫度為Z軸,可以看出,用于高總酸值原油相關(guān)的環(huán)烷酸腐蝕監(jiān)測(cè),永感™技術(shù)具有獨(dú)特性。

    10.  結(jié)論:

        10.1-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。這包括加工更具腐蝕性和質(zhì)量更不穩(wěn)定的原油(亦即所謂“機(jī)會(huì)原油”)。這樣一來(lái),腐蝕導(dǎo)致的故障風(fēng)險(xiǎn)上升,而且所處環(huán)境是一個(gè)成本有限的環(huán)境,是一個(gè)檢查人數(shù)和合同資源有限的環(huán)境。
 
        10.2-高總酸值原油越來(lái)越多,加上北美地區(qū)頁(yè)巖油和重油砂開(kāi)采不斷增加(各自都存在與完整性相關(guān)的加工問(wèn)題),導(dǎo)致煉油廠(chǎng)在冶金學(xué)特性升級(jí)和化學(xué)抑制/腐蝕監(jiān)測(cè)之間作出選擇。由于預(yù)算局限,許多石油公司選擇化學(xué)抑制和更加嚴(yán)格監(jiān)測(cè)。抑制/加強(qiáng)型監(jiān)測(cè)測(cè)量的回報(bào)時(shí)間通常為幾個(gè)月。
           
        10.3-環(huán)烷酸腐蝕是一種高溫條件下產(chǎn)生的局部化現(xiàn)象。環(huán)烷酸腐蝕主要集中在某些幾何形狀類(lèi)型的金屬,包括壁面出現(xiàn)剪應(yīng)力的金屬。要實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè),需要一種可以處理高溫問(wèn)題的技術(shù);這種技術(shù)對(duì)內(nèi)表面粗糙度細(xì)微變化很敏感,從而能夠探測(cè)銹蝕,另外,這種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模傳感器的簡(jiǎn)單安裝,性?xún)r(jià)比高。
 
        10.4- 雖然侵入式探頭具備所需靈敏度和響應(yīng)能力,但是安裝和維護(hù)復(fù)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(cè)量,然后根據(jù)單點(diǎn)測(cè)量結(jié)果推出整個(gè)工藝流體對(duì)設(shè)備壁造成的腐蝕影響。手持超聲儀因測(cè)量位置、操作人員和設(shè)備之間測(cè)量結(jié)果差異而存在重復(fù)性/再現(xiàn)性問(wèn)題。盡管如此,跟所有基于超聲波技術(shù)一樣,超聲波信號(hào)可能會(huì)被內(nèi)表面局部粗化造成的散射效應(yīng)畸變。區(qū)域和掃描類(lèi)技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)所需局部分辨率或者不能輕易地解釋數(shù)據(jù),因此不適于環(huán)烷酸監(jiān)測(cè)。
 
        10.5- 永感™技術(shù)以陣列方式布局傳感器,能夠抵抗高溫,能夠提供所需局部分辨率精度以及能夠提供所需監(jiān)測(cè)范圍覆蓋,是用于環(huán)烷酸監(jiān)測(cè)的完美解決方案。加入專(zhuān)有的自適應(yīng)交叉相關(guān)(AXC)超聲波信號(hào)處理技術(shù)后,能夠可靠地探測(cè)局部粗糙度和銹蝕以及確定環(huán)烷酸腐蝕特點(diǎn),另外,這類(lèi)技術(shù)也能避免所有其他超聲波方法所存在的超聲波分散問(wèn)題。最新一代永感™傳感器通過(guò)使用自動(dòng)化溫度補(bǔ)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(cè)量短期變化。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(jiān)測(cè)和跟蹤的理想選擇。
 
        10.6-過(guò)去5年,永感™傳感器已在全世界60多家煉油廠(chǎng)安裝使用,這些煉油廠(chǎng)包括國(guó)際石油公司、獨(dú)立經(jīng)營(yíng)公司以及國(guó)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(cè)量數(shù)據(jù)給那些需要利用數(shù)據(jù)作出更好運(yùn)營(yíng)和資產(chǎn)完整性管理決策的人士。



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