1. 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)煉油廠腐蝕的儀器有幾種類型。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(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(shè)備的材料一樣。隨著消耗端被腐蝕,其電阻會(huì)發(fā)生變化,發(fā)生變化的電阻記錄在外部?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,但是腐蝕探頭也存在諸多缺點(diǎn):
• 中心線測(cè)量腐蝕率可能會(huì)與管壁測(cè)量腐蝕率不同,特別對(duì)于剪切速率效應(yīng)可能會(huì)改變管壁上腐蝕率的腐蝕機(jī)理,這種差異會(huì)更明顯。
• 兩到三年(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。后面一點(diǎn)對(duì)原油塔頂系統(tǒng)(比如塔頂管線)來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的問(wèn)題,因?yàn)檫@些位置通常很遠(yuǎn)——探頭數(shù)據(jù)連線不得不連接到附近的平臺(tái)上,增加了安裝成本,并讓電纜承受可能被損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
• 試樣測(cè)量——這是另外一種形式的侵入式腐蝕測(cè)量方法——這種方法要求從流體內(nèi)部收集試樣進(jìn)行測(cè)量。與侵入式探頭測(cè)量方法相比,這種方法成本和相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)都更高,這是因?yàn)榧词箖H測(cè)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(xiàn)的腐蝕類型提供有用的信息。但是,獲得的相關(guān)信息屬于間接信息,不能提供經(jīng)常測(cè)量,因此不適于用來(lái)計(jì)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(shè)備傳播,最后被內(nèi)表面(背壁)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、可靠地測(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。另外,所使用的設(shè)備以及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)員的技術(shù)水平每次測(cè)量都存在差異,這就造成了測(cè)量高度差異。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)。
圖1: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]
• 高溫——大約超過(guò)100 ℃(212℉)的溫度可能會(huì)對(duì)非損壞性評(píng)估設(shè)備造成永久性損壞。另外,較高溫度位置的非損壞評(píng)估人員也面臨安全風(fēng)險(xiǎn)。
• 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。
2. 永感™技術(shù)概述
永感™永久安裝超聲無(wú)線壁厚檢測(cè)傳感器克服了這兩種局限性,大規(guī)模安裝簡(jiǎn)單和性價(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(shù)據(jù),能夠作出提高盈利能力的經(jīng)驗(yàn)決策。這些系統(tǒng)具備反映壁厚細(xì)小變化的靈敏度,具備適應(yīng)極端設(shè)備條件的堅(jiān)固耐用性以及電池壽命延長(zhǎng)(確保整個(gè)經(jīng)營(yíng)周期的可靠作業(yè))。
2.1 能靈活適應(yīng)高溫環(huán)境
傳感器的設(shè)計(jì)納入了下頁(yè)所示獲得專利的獨(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℃ (1100℉))的影響。
圖2:永感™專利波導(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。
圖3:永感™ 超聲傳感器的信號(hào)及波徑
2.2 粗糙度效應(yīng)分辨率
永感™最近介紹采用一種獲得專利的專有AXC(自適應(yīng)交叉關(guān)聯(lián))超聲信號(hào)處理方法后,他們的技術(shù)獲得了巨大進(jìn)步。
當(dāng)內(nèi)金屬表面形態(tài)非常粗糙時(shí),如果采用常規(guī)超聲波壁厚測(cè)量方法不能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量,那么AXC可使用前波形結(jié)構(gòu)改進(jìn)測(cè)量反彈誤差。另外AXC能夠進(jìn)一步加強(qiáng)測(cè)量的再現(xiàn)性,也就是說(shuō)即使比較細(xì)微的腐蝕或侵蝕,都可以在幾天內(nèi)探測(cè)到。AXC能夠?qū)⒈诤駵y(cè)量與內(nèi)表面發(fā)生的粗化區(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)。這種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的加工方法使數(shù)據(jù)的解釋變得更加容易和快捷。
3. 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)線通信和電池電源包,避免后續(xù)使用鎧裝和電纜槽裝置進(jìn)行布線,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)到局部化腐蝕的概率較低。為了提高探測(cè)概率,需要在最危險(xiǎn)位置安裝多點(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。
圖4: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 4所示為倫敦皇家學(xué)院無(wú)損工程部的數(shù)學(xué)分析結(jié)果,這些結(jié)果表明了某一區(qū)域內(nèi)部署的傳感器數(shù)量、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。要實(shí)現(xiàn)較高的探測(cè)概率,一個(gè)區(qū)域只需要采用適當(dāng)數(shù)量的傳感器即可。
4. 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。
圖5:隨工藝溫度變化而變化的壁厚測(cè)量結(jié)果
圖5所示為使用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℃(40℉),壁厚變化程度為0.05毫米(2密耳)。盡管這比手工檢測(cè)已經(jīng)高了幾個(gè)數(shù)量級(jí),但是這種變化等級(jí)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(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6所示,相關(guān)數(shù)據(jù)與圖5中數(shù)據(jù)相同。
圖6: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)。這樣的精度可探測(cè)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(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)的測(cè)量噪音所掩蓋。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,但不存在后者的內(nèi)在安全問(wèn)題和安裝維護(hù)成本高問(wèn)題。
5. 結(jié)論
• 市場(chǎng)狀況正促使煉油廠尋求各種新方法提高獲利能力。這包括加工規(guī)格更可變的原油,如美國(guó)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(shù)和合同資源有限),腐蝕導(dǎo)致的故障風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)上升。
• 輕致密油越來(lái)越多,這類原油存在著與完整性相關(guān)的加工問(wèn)題,導(dǎo)致煉油廠在冶金學(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。
• 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,手持超聲儀也需要檢查人員能夠進(jìn)入監(jiān)測(cè)區(qū)域,這從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)往往不切實(shí)際,而且在線檢查存在安全隱患。
• 最新一代永感™傳感器通過(guò)使用自動(dòng)化溫度補(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(jiān)測(cè)和跟蹤的理想選擇。
過(guò)去5年,永感™傳感器已在全世界70多家煉油廠安裝使用,這些煉油廠包括國(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。