集气站加热炉腐蚀情况及建模分析

刘艺臻

（长庆油田采气四厂，内蒙古乌审旗 017300）

集气站加热炉腐蚀情况及建模分析

刘艺臻

（长庆油田采气四厂，内蒙古乌审旗 017300）

针对加热炉随着使用时间的增长而容易发生腐蚀泄露的情况，对集气站加热炉设备的腐蚀情况进行测量，计算腐蚀的速率，对腐蚀程度进行分析，根据腐蚀过程建立数学模型，并进行验证。结果表明：腐蚀前期为第一区间，其腐蚀深度与使用时间呈线性关系，第二区间为腐蚀中期，呈多项式变化关系，腐蚀后期也为线性变化，但是腐蚀速度相对于第一区间较慢；加热炉的弯管段的腐蚀程度要比直管段的腐蚀程度更为严重，直管段和弯管段的厚度变化符合数学模型推导规律。

加热炉；腐蚀；数学模型

在采气的工艺流程中，天然气通过管道输送到各个集气站和净化厂，在运输所经的所有的管线和设备都有可能发生被腐蚀的现象，主要原因之一是管道和设备内的天然气中含有硫化氢和二氧化碳等酸性气体，这些酸性随着年限的延长会对设备造成一定的腐蚀，加之采取井中还会携带出来一定的液体和固体杂质，会对设备和管道造成一定的冲刷和磨损，加剧腐蚀程度。国内外对于设备管道的防腐进行了大量的研究，有研究加入缓蚀剂来对设备、管道和阀门进行防腐保护，进行腐蚀的机理分析、动力学、过程模拟等研究[1-5]，通过金属腐蚀机理研究发现金属的腐蚀通常是由多种因素综合影响导致的，金属腐蚀缺陷有3种情况，第1种是均匀腐蚀，是指腐蚀的面积比较大，平均分布在整个金属表面上，第2种局部腐蚀是指在金属表面的某一区域发生腐蚀，其他区域腐蚀程度较轻或没有腐蚀，第3种点腐蚀是指腐蚀发生在管道表面的某些局部的点，呈小孔状，通常点腐蚀会造成穿孔泄露。随着油气田的不断开发，油气田设备因为使用时间的增长而会造成被腐蚀穿孔或产生裂纹，导致泄露事故的发生[5-8]。掌握油气设备的腐蚀情况，分析设备腐蚀的影响因素，找出设备腐蚀的规律，对评测设备的安全状态、制定相应的检修计划和保证油气田的安全方面十分重要，这已成为国内外对于安全生产的非常关注的问题。

本文对集气站加热炉设备的腐蚀情况进行测量，计算腐蚀的速率，对腐蚀程度进行分析，根据腐蚀过程建立数学模型，并进行验证，以便找出加热炉腐蚀的规律。

1 腐蚀过程的数学模型

集气站将来自不同采气井的天然气汇集并进行脱水和净化处理，最主要的设备有加热炉和脱水分离器，集气站的加热炉采用多井式，由筒体、换热管、排气管组成，通过水为载热体对盘管内的天然气加热，以防止天然气中出现水合物。加热炉中的盘式换热管由于长期处于高温沸水中，管外表面会出现大量的锈，将锈剥除后会出现连续密集的蚀坑，随着使用时间的增长，腐蚀的情况更为严重。

针对工业上金属被腐蚀的情况较为复杂，将腐蚀过程可划分成3个理想区间[9-10]，第一区间为无腐蚀层的阶段，第二个区间为有部分腐蚀的阶段，第三个区间为腐蚀积累到一定程度的阶段。

1.1 第一区间的数学模型

第一区间的腐蚀是氧与铁发生氧化反应，腐蚀主要的因素是氧的侵蚀，氧的扩散速率可以表示为氧的传递速率等于氧的扩散通量与氧在总体流动中传递通量的和，氧的传质速率No=K+DCo，氧化反应速度与氧的扩散速度成零级反应，腐蚀深度与时间成线性关系：y=kx+b。

1.2 第二区间的数学模型

氧通过腐蚀的垢层扩散到铁的表面，此过程称为第二区间。扩散过程相对于第一区间要更为复杂，随着氧化反应的持续推进，垢层的厚度逐渐增加，垢层也会进一步阻止腐蚀的加速，扩散速度随着厚度的增加而变慢，腐蚀速度减缓。假设氧通过垢层的扩散速率为u=dl/dt=ΔP/rΦμl，采用参数并归，dl/dt=K/l，通过积分变换，得到l2=2Kt+C，根据偏离情况的修正可得到下列多项式：yn=axm+a′×m′+ax′m′+…+apxmp+C，对上式进行求偏导数得到腐蚀速率与使用时间的函数：

1.3 第三区间的数学模型

第三区间随着垢层的厚度越来越大，氧的渗透变得非常困难，腐蚀速率也在大幅的降低，因此，第二区间的速度变为：积分后，腐蚀过程的数学模型为y=k′x+b，腐蚀速率与使用时间的变化关系为y′=k′。

2 数学模型的验证及规律

对加热炉的盘管弯管段和直管段管壁进行厚度检测，取5个点取平均值，根据壁厚检测的厚度换算成腐蚀深度和腐蚀速率，计算结果如表1所示。

由表1可以看出，随着使用年限的增长，弯管的受侵蚀的厚度一直都是大于直管段被侵蚀的厚度，这可能是由于弯管段的经常收到受到的冲刷作用力更大，导致腐蚀程度更严重。从腐蚀速率来看，第一区间的腐蚀速率较大，而在第二区间腐蚀影响因素较为复杂，腐蚀速度呈不规则性，腐蚀速率仍是减弱的趋势，第三区间的腐蚀速率也是在逐渐变小，趋于平缓。

2.1 第一区间模型的验证

由于第一区间的时间较短，取一年后的壁厚数据进行验证，对2个不同腐蚀深度的数据进行拟合比较。图1为弯管段腐蚀深度与使用时间的变化，图2为弯管段的腐蚀深度与使用时间的变化。由图1和图2可以看出，线性拟合方程的关系数约为1，两段的腐蚀深度与使用时间均呈较好的线性关系，符合腐蚀初始阶段的线性规律。对弯管和直管的测量数据进行拟合：y=0.4424x+0.007，R2=0.992 0（弯管段），y= 0.379 4x+0.004，R2=0.997 0（直管段）。

表1 加热炉使用时间与腐蚀深度

图1 弯管段腐蚀深度与使用时间的变化

图2 弯管段的腐蚀深度与使用时间的变化

2.2 第二区间模型的验证

从数学模型可知道，第二区间的腐蚀符合多项式规律，对检测的弯管和直管段的数据进行拟合，拟合如图3和图4所示。并将测得的腐蚀厚度与使用时间的数据进行拟合，从拟合的关系曲线可以看出，在第二区间，腐蚀的垢层厚度符合多项式规律，腐蚀规律进入第三区间的时间大约为5~8a，腐蚀速率变为缓慢的阶段。

图3 第二区间的弯管段腐蚀厚度与使用时间的变化

图4 第二区间的直管段腐蚀厚度与使用时间的变化

2.3 第三区间模型的验证

第三区间的数学模型也是符合线性规律，对腐蚀层厚度与使用时间进行拟合，拟合方程的相关系数也都接近于1，符合腐蚀后期阶段的线性规律，根据测量到的数据，弯管和直管在8a左右呈现较好的线性关系，弯管的腐蚀速度也稍大，从三个区间来看，第三区间的腐蚀速度要小于第一区间的腐蚀速度。

3 结论

对加热炉的腐蚀情况进行测量，根据腐蚀过程的三个理想化区间建立数学模型，分别对3个区间进行数学推导和曲线拟合，并结合检测数据进行验证分析，得到加热炉的腐蚀规律。

1）腐蚀前期为第一区间，其腐蚀深度与使用时间呈线性关系，第二区间为腐蚀中期，呈多项式变化关系，腐蚀后期也为线性变化，但是腐蚀速度相对于第一区间较慢；

2）加热炉的弯管段的腐蚀程度要比直管段的腐蚀程度更为严重，直管段和弯管段的厚度变化复合数学模型推导规律。

3）针对加热炉的防腐蚀，加入缓蚀剂可以减少对设备的腐蚀，同时保持对加热炉腐蚀情况的监测，利用加热炉腐蚀的规律预测设备腐蚀可能发生的情况，以便能及时的对设备进行维护，保证加热炉的安全运行。

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Study on Corrosion Behavior of Heating Furnace in Gas Gathering Station

LIU Yi-zhen

Aiming at the furnace gas gathering station increase with time and prone to corrosion leaks，to measure the corrosion of the gas gathering station heating equipment，calculate the corrosion rate，corrosion degree of analysis，establish the mathematical model according to the corrosion process，and verify.The results show that the corrosion early for the first interval，there is a linear relationship between the corrosion depth and corrosion time，middle variation polynomial，corrosion period is also linear change，but the corrosion rate more slowly；the degree of corrosion of the pipe section of the heating furnace is more serious than that of the corrosion degree of straight pipe，straight pipe and elbow the thickness change of the composite mathematical model of law.

heating furnace；corrosion；mathematical model

TE977

B

1003–6490（2017）05–0130–02

2017–04–04

刘艺臻（1992—），男，陕西渭南人，助理工程师，主要从事采气设备维护工作。