炼化装置腐蚀监测分析系统设计*

2019-03-06，，，，

石油化工腐蚀与防护 2019年1期

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(1.北京化工大学，北京100029; 2.兰州石化公司研究院材料防腐研究所，甘肃兰州 730000)

随着进口原油的数量增加，加工高硫高酸原油已经成为国内炼化企业的常态。原油品质的劣化对炼化装置的安全运行影响极大。为了科学合理地控制炼化装置的腐蚀问题，部分炼化企业对腐蚀较为严重的装置进行在线监测，但却未能对整个炼化企业实现有效管控[1]。针对厂区内所有炼化装置建立了综合性腐蚀监测系统，该系统实现了集数据审核、数据储存、腐蚀预警及剩余寿命预测等功能于一体的综合管理。有效地实现了对炼化装置腐蚀状况的动态管理，减少了企业因腐蚀造成的巨大经济损失。

1 腐蚀监测系统发展需求

近年来，国内石化行业已经开始对个别腐蚀较为严重的装置建立了相应的腐蚀监测系统，并开展了炼油装置的腐蚀诊断及可靠性评估方面的技术研究工作[2]。其中国内相关研究机构在腐蚀监测与防护领域研制出了许多腐蚀监测产品和对应的监测软件，如CR-1000监测软件已经在国内许多炼化企业使用，基于FSM管道内外腐蚀监测系统也已应用于新疆某油田管道上[3]，这些监测软件实际运行效果也比较理想。但国内的腐蚀监测基本只针对个别装置，腐蚀监测的功能大多处于离散状态，无法实现统一管理[4]。因此对于国内的炼化企业来说，需要一个综合性的腐蚀监测管理系统来实现对全厂炼化装置的管理。为了满足这一需求，提出了建立全厂炼化装置腐蚀监测系统的方案，设计了独立的网络架构和配套的业务流程,形成了具有化学分析、定点测厚及在线监测等功能的统一管理体系[5]。

2 腐蚀监测系统方案设计

2.1 腐蚀监测系统网络架构

腐蚀监测系统数据网络架构主要为5个层级，从低到高分别为人工级、装置级、车间级、公司级以及企业级。每个层级有其对应的功能:人工级主要为化学分析数据取样以及定点测厚人工检测；装置级主要是各装置化学分析、定点测厚、在线监测等数据收集与分析；随后通过网络将装置数据传输至各车间总服务器，车间总服务器对数据做出相应甄别；将甄别后的数据传输至各公司总部，所有公司汇总数据传输至中国石油总部，完成整套数据传输的网络架构，见图1。

2.2 腐蚀监测系统业务流程

为保证获取数据的可靠性和完整性，系统中设立了一套独立的审核流程。该审核流程主要为5步审核:第1步，数据采集人员进行数据采集并上传至系统；第2步，系统依据管理等级，建立具有独立审核数据权限的账户(特殊权限账户见图2)，由指定人员通过账号进入系统,对上传的数据进行审核；第3步，审核通过后数据将上传至各装置总数据库，由相应数据分析人员进行分析；数据分析完成后将由装置负责人上传至车间数据库；第4步，随后通过车间负责人再次审核，审核通过后上传至厂级数据库；最5步，由厂级负责人将整个公司的数据上传至中国石油总部，完成整套监测系统审核任务。其业务流程图见图3。

图1 腐蚀监测系统平台数据网络架构

图2 特殊权限账户

2.3 腐蚀监测系统模块设计

该系统主要由两个模块组成:一是系统结构模块，二是系统功能模块。

系统结构模块见图4。该模块主要包含装置信息录入及相关信息综合管理。设备的基础资料可以通过4种方式在系统中查询，其中包含：设备原始信息查询、多条件查询、设备类别查询以及行政管理权限查询。

图3 业务流程

系统功能模块见图5。该模块主要包含9大功能模块，其中4大核心模块为化学分析、定点测厚、在线监测和在线测厚。同时还有监测点管理、管道趋势分析、剩余寿命预测及腐蚀预警等相关辅助功能。

图4 系统结构模块

2.3.1 监测点统计模块

监测点总量统计中包含有公司名称、监测点总量统计及相应公司接入的IP地址等。这是为了显示系统中录入的各石化公司的所有监测点数量以及具体位置，以便于快速了解各石化公司所有装置腐蚀监测点的分布情况。

根据系统功能需求的不同,层级划分也有所不同,见图6。化学分析功能主要分为4个层级：第1层级为公司级(AA石化)；第2层级为车间级(常减压联合车间)；第3层级为装置级(5.0 Mt/a常减压装置)；第4层级为化学分析级(初馏塔塔顶冷凝水)。定点测厚与在线监测均为5个层级，将原第4层级改为管线级，第5层级增加探针级即可。

图5 系统功能模块

图6 化学分析层级(左)和在线监测层级(右)

2.3.2 腐蚀监测模块

腐蚀监测模块主要包含3大核心功能模块，分别是化学分析模块、定点测厚模块以及在线监测模块。

(1)化学分析模块。点击页面中的化学分析按钮，进入公司所监测的车间信息表，每个车间后附有该车间被监测装置信息；任意点击一台装置，进入该装置的化学分析表，分析表中所包含项目主要有测量日期、pH值、氨氮含量、铁离子含量、硫含量、氮化物含量以及检测样品的性质(肉眼可见的颜色以及浑浊程度)；表内数据一经导入会自动根据预先设定的阈值进行判断(铁离子质量浓度大于3 mg/L或者pH值不在7至9.5之间)，存在腐蚀可能的测量数据会被标记显示，作为警醒。系统还支持下载数据模板、批量上传以及系统数据下载功能。下载模板是下载系统预设好的化学分析表，检测数据填写完毕后可以利用批量上传功能直接将数据上传，通过审核后进入系统。同时也可以点击数据下载来选择需要的数据进行导出，该系统会保存所有上传的数据，这有利于实现大数据分析。

(2)定点测厚。点击相应按钮进入设备被监测管线信息表，其中包括有隶属装置、隶属管线及管线名称等信息，并在下方附有测厚部位的基本信息表，表中包括有测厚部位ID、测厚频次及初始壁厚等信息。点击管线信息表中的任意一根管线，进入该管线的腐蚀速率计算页面(计算全部在系统后台进行，只需填写关键数据即可)。其中,根据腐蚀严重程度用不同颜色进行标注，轻度腐蚀用浅绿色，中度腐蚀用浅蓝色，重度腐蚀用黄色，严重腐蚀用红色。同时系统还支持生成腐蚀月报功能。腐蚀速率及剩余寿命计算公式如下：

(1)

式中：St——短期腐蚀速率，mm/a；

tprevious——同一位置上前一次测量的实际厚度，mm；

tactual——同一位置上测量的实际厚度，mm；

ys——tprevious与tactual之间的时间，a。

(2)

式中：Lt——长期腐蚀速率，mm/a;

tinitial——原始壁厚，mm;

y1——时间，a。

(3)

式中：T——平均腐蚀速率，mm/a;

Δt——为腐蚀减薄量，Δt=tinitial-tactual,mm。

(4)

式中：RL——剩余寿命，a;

trequired——要求壁厚又称极限壁厚，mm。

极限壁厚由设计公式(如压力和结构)对测量位置计算的厚度决定。具体为以下3项数值的最大值(以下3个方法计算出的极限壁厚，系统会自动比较大小，取最大值保留为有效值)。

①按D0/150确定管子的极限壁厚，D0为管子外径，单位为mm。

②符合表1规定的极限壁厚。

表1 根限壁厚

③由公式(5)确定计算厚度。

(5)

式中：ts——计算壁厚(极限壁厚,mm);

pc——设计压力，MPa;

Do——管道外径，mm；

[σ]t——设计温度下的材料许用应力；

φ——焊缝系数，查表可得；

Y——温度对计算管子壁厚公式的修正系数，当ts

(3)在线监测。该模块主要是利用电感探针进行在线测量腐蚀速率[6]。因为数据实时上传，所以系统预设每天下午四点半上传的数据作为当天的腐蚀速率。在计算短期腐蚀速率时，系统默认时间为一个月，所以每隔一个月系统会自动计算短期腐蚀速率。该系统的短期腐蚀速率计算则对于腐蚀突变有很强的预告性，这是减少整个企业经济损失的一个重要保证。

2.3.3 报警管理模块

该模块主要包含3个功能，分别为化学分析报警、定点测厚报警以及在线监测报警。由于在线监测报警与定点测厚报警属于同类，因此仅选取定点测厚报警进行介绍。

(1)化学分析报警。点击化学分析报警值按钮，进入化学分析报警值页面。页面中显示了自系统监测以来各装置所有存在问题的报警值，包括日期。铁离子含量等相关化学分析参数的值。可能存在腐蚀数据统一进行标记并预警提示。

(2)定点测厚报警。报警等级主要分为4级，并用不同颜色进行标记，由低到高剩余寿命依次减少，颜色分别为绿色、蓝色、黄色和红色。通常1到3级以内的报警会提示但不需人工操作解除报警；当系统识别到4级报警时，会自动提示并将报警情况保留在工作日志中，同时需要人工操作才可以解除报警。报警主要由腐蚀速率和剩余寿命决定，二者为并集关系，只要一方达到要求即可。具体要求如下：1级报警为腐蚀速率小于 0.1 mm/a时；2级报警为腐蚀速率在0.1～0.3 mm/a或剩余寿命在1.5～2 a之间时；3级报警为腐蚀速率在 0.3～0.5 mm/a或剩余寿命在1～1.5 a之间时；4级报警为腐蚀速率大于 0.5 mm/a或剩余寿命小于1 a时。

2.3.4 趋势分析模块

趋势分析主要是指化学分析、趋势图分析以及测厚趋势图分析。

对不同车间的不同装置的腐蚀介质进行化学分析取样，取样分析所得数据由人工录入。通过一系列审核流程，最终有效值被录入系统。系统根据数据自动关联生成相关数据趋势图，便于直观监测设备内介质各项化学物质含量，对可能存在腐蚀的数据及时作出反馈。

定点测厚趋势分析主要分为两块，第1块主要依据木桶原理。系统根据录入的数据，自动筛选出每根管线不同部位、不同测点的最小减薄点，筛选完成后系统自动关联生成最小减薄点与极限壁厚的对比柱状图，便于直观了解最危险点的腐蚀减薄情况；第2块为管线内部测厚部位趋势图，该图包括极限壁厚与所测部位壁厚减薄曲线图，便于总结所有测点壁厚情况。