腐蚀在线智能监测与管理技术研究

王海向

（中石化中原石油工程设计有限公司，河南郑州450046）

高含硫天然气会腐蚀净化厂装置，导致产生泄漏和失效等风险。目前高含硫天然气净化厂装置的腐蚀监测技术主要为人工测厚和在线电感探针监测。监测技术存在一定的局限性，存在盲区，难以对管道弯头冲刷腐蚀和局部腐蚀部位进行定量监测。同时各种监测技术管理数据较为分散，不便于智能化统一管理分析［1］。因此，开展腐蚀在线监测与管理技术的研究，实现多元化的监测技术和系统化的数据管理具有重大的现实意义。

1 高含硫天然气净化厂腐蚀监测系统现状

1.1 腐蚀在线监测系统现状

高含硫天然气净化厂整体装置分为6个联合装置，每个联合装置由脱硫装置、脱水装置、硫磺回收装置、尾气处理装置和酸性水汽提装置组成［2］。为密切监测腐蚀的发展趋势，确保装置安全、平稳运行，净化厂采用在线电感探针监测系统对各装置进行监测。该技术是通过测管线被腐蚀的量来计算出腐蚀速率，从而反映出管线的腐蚀情况。

在线电感探针监测系统设有1台数据采集服务器，可分时提取各数据采集卡内数据并清空数据采集卡。服务器统一对数据采集卡及各系统监测点进行管理、系统设置和对外数据服务。服务器配置OPC Server软件，用于系统与外部网络之间的实时数据通信，物理接口采用以太网（TCP/IP）RJ-45接口［3］。电感探针至数据采集卡、数据采集卡与光端机间均采用RS-485通信方式，各光端机间用冗余光纤连接，服务器与光端机间采用RS-232通信方式。

1.2 腐蚀现状调查

高含硫天然气净化厂至今运行时间已超过8 a，长周期的运行使得装置存在不同程度的腐蚀。为了摸清装置的腐蚀状况，净化厂利用2016年停工大检修机会对装置开展了腐蚀大调查的工作，分析了历史监测数据、腐蚀环境、防腐工艺措施改进等方面的资料，总结了净化厂的腐蚀规律和问题所在，主要表现在以下几个方面：

1）易发生的腐蚀多为管道弯头部位的冲刷腐蚀和电化学腐蚀对管线设备产生的全面或局部腐蚀。局部腐蚀主要集中在某个特定的区域内，其余区域几乎没有发生腐蚀。该类腐蚀造成的危害较严重［4-5］。

2）净化厂现有的在线电感探针监测、离线测厚等监测手段均监测不到局部腐蚀的发生和变化过程，装置的重点腐蚀部位存在监测盲区，无法摸清其规律，可能会因局部腐蚀穿孔泄漏导致紧急停车，造成重大的安全事故和直接的经济损失［6］。

2 腐蚀在线监测技术研究

目前已有电阻探针、电化学探针、电感探针和超声测厚等在线腐蚀监测技术，其技术对比见表1所列。各种技术能够不同程度地提供连续、实时的腐蚀监测，在腐蚀因素分析、防腐效果评价、事故预防、设备寿命预测和设备运行状态改善等方面发挥作用［7］。通过对比分析，结合腐蚀调查情况，发现电阻探针、电化学探针和电感探针为定点式安装，不能移动监测位置，主要是在直管段部位监测，无法在弯头部位监测，只有超声测厚技术能够监测弯头部分。超声测厚技术是一种安装灵活的监测方法，可灵活移动安装位置，实现不同位置的监测，能够为高温、高压和人难以到达的区域提供实时连续、准确腐蚀定量的在线监测。在高含硫天然气领域，采用超声测厚技术对采气厂集气站放空管线、计量分离器气相管线和排污汇管等部位进行了重点腐蚀监测，实现了管线腐蚀趋势分析及剩余寿命的预测。该技术的应用弥补了高含硫天然气净化厂现有腐蚀监测技术的不足。

表1 腐蚀在线监测技术对比

续表1

2.1 在线超声测厚系统构成

在线超声测厚系统采用超声导波技术，能够快速、准确地测定管道、容器壁厚值，并通过后台系统提供腐蚀率和管线设备剩余壁厚等信息。在线超声测厚系统由无线超声测厚探头、无线网关、通信转换器、服务器和软件系统组成，其服务器与浏览站之间采用标准的TCP/IP协议进行通信，在线超声测厚系统构成及通信方式如图1所示。

图1 在线超声测厚系统构成及通信方式示意

1）无线超声测厚探头，用于测厚数据采集和无线传输。探头由传感器及波导杆组成；传感器由电池、超声波测量采集模块和无线通信模块三部分组成。采用波导杆可将传感器与被测管线隔离，因而可在温度最高可达600℃的高温、高压、临氢等危险环境下使用。探头采用了非侵入式的卡箍安装方式，不破坏管道，保证了设备安全运行的可靠性。探头与被测物体表面通过硬耦合方式接触，无需耦合剂，从而解决了高温测厚耦合剂失效问题，确保壁厚测量长期有效，实现了长期在线监测。探头测量精度不大于0.1 mm，测量分辨率可达0.01 mm，可提供真实、准确的壁厚。

2）无线网关，用于无线数据传输及转发。无线网关数据传送方式采用IEEE802.15.4标准协议，操作频率为2.4 GHz（全球免许可证频段）。网关与探头及探头之间的距离可达50 m，通过探头作为中继节点，最远探头与网关距离可达400 m，每个网关可接入探头数量为不大于128个。

3）通信转换器，用于端口服务器、数据接口转换。通信转换器主要作用是将RS-485信号转换为TCP/IP信号，通过网络将数据传给服务器，通信转换器与无线网关之间通信采用RS-485方式。

4）服务器。服务器用于接收、存储和备份通信转换器上传的数据，对腐蚀监测数据库进行管理，并向浏览站发布。服务器采用双硬盘冗余热备份，保障了数据存储的安全。

5）软件系统。服务器上的软件系统主要有网关管理器、数据库软件、数据浏览软件和定点测厚管理系统软件。软件系统可精确提供管线测量的壁厚值、壁厚腐蚀率和管线腐蚀趋势图，并对管线剩余寿命进行预测和预警［8-9］。

2.2 在线超声测厚系统的应用设计

在腐蚀监测技术研究的基础上，结合高含硫天然气净化厂装置的腐蚀现状，提出了在线超声测厚系统的应用设计结构，如图2所示。根据腐蚀现状调查情况，无线超声测厚探头安装的监测点选择在弯头三通等的管线高湍流区、高温、高压腐蚀严重的部位和泵出入口弯头等的可能存在冲刷腐蚀的部位。在线超声测厚系统的应用设计覆盖了净化厂的6个联合装置，每个联合装置部署10个监测点和1套无线网关，通过无线网关接入到在线测厚系统软件平台。服务器安装在净化厂中心控制室现有的仪表机柜中，通信转换器安装在现场机柜间的腐蚀监测机柜中，与中心控制室服务器的通信可利用已有的在线电感探针监测系统网络。

现有的电感探针监测系统主要使用在直管段场合，在线超声测厚系统主要使用在管线弯头、塔器等场合。两种监测技术相结合，可显著提升监测范围，提高装置的安全生产水平，实现了泄漏风险的有效控制和预知性维修。

图2 在线超声测厚系统的应用设计结构示意

3 腐蚀在线监测技术管理研究

目前高含硫天然气净化厂通过电感探针、腐蚀调查、人工测厚等监测手段收集到大量的腐蚀数据，但其数据各自存储，比较分散，难以结合各项数据进行综合分析，难以发挥出数据更高的使用价值。因此，开展腐蚀在线监测技术管理的研究，将各类监测手段收集的数据整合到同一个平台进行监控、分析和风险识别评价，有利于简化操作人员工作、数据集中管理和腐蚀相关数据的有效应用。

3.1 总体研究

腐蚀在线智能监测与管理系统平台通过企业网读取各个腐蚀监测系统的数据，经过系统的存储、计算、分析，将重要信息通过网络、邮件、短信、微信等方式发至客户端和移动端，腐蚀在线智能监测与管理系统框架如图3所示。

图3 腐蚀在线智能监测与管理系统框架示意

腐蚀在线智能监测与管理系统整合了不同厂商、不同数据平台的腐蚀监测数据，将分散的人工测厚数据、腐蚀调查数据进行统一数字化存档及管理，同时提供腐蚀综合分析功能、腐蚀回路分析功能，将如温度，压力，材质等的相似流程按腐蚀机理进行腐蚀管理分类，进行多参数综合对比。各类型数据在同一图谱中显示趋势，标示腐蚀事件。该管理系统实时在线处理腐蚀事件、腐蚀相关的报警，数据通过邮件、移动客户端等渠道，分内容、分级别的推送、提醒相关负责人［10］。

3.2 系统整合的技术方法

1）跨平台数据整合。对已有的在线腐蚀监测系统和新增的在线超声测厚系统进行数据接口开发，通过Web Service，OPC等标准通信协议，将腐蚀相关数据传输至净化厂腐蚀在线智能监测与管理系统平台统一呈现，完成数据的提取、优化、存储及发布。

2）人工测厚数据、腐蚀调查数据的录入与存档。净化厂腐蚀监测数据管理平台提供标准的数据录入端口，提供用户权限，将各种纸质文档、Word文档以标准数据格式存储至数据管理平台，完成数据的存储、优化及发布。

3）报警、关键腐蚀数据及事件的提醒、推送。腐蚀在线智能监测与管理系统具备通信传输端口，通过企业内局域网将报警、关键腐蚀数据按照设定的时间、不同的负责人、各级设备管理人员，分级别的进行邮件、短信、微信的推送提醒，实现实时的在线腐蚀事件处理。

4 结束语

针对高含硫天然气净化厂腐蚀监测系统存在局限性和多种监测技术数据存储较为分散的现状，为与现有的在线电感探针监测系统形成互补，实现多元化的监测手段，提出了在线超声测厚系统和腐蚀在线监测管理系统的解决方案，为全面掌握净化厂腐蚀情况，完善腐蚀监测防护体系和提前预警、安排检修计划提供了技术支撑。