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?腐蝕監(jiān)檢測(cè)技術(shù)在石油石化工業(yè)中的應(yīng)用

2022-08-23 15:27:55 作者：涂料工業(yè) 來源：涂料工業(yè) 分享至：

0 引言

目前，全球原油品質(zhì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，相較于國(guó)外原油，我國(guó)的原油更呈現(xiàn)多樣化、劣質(zhì)化的特點(diǎn)。為了降低成本，國(guó)內(nèi)許多煉化企業(yè)開始加工高硫、高酸等劣質(zhì)原油，給煉油裝置帶來了嚴(yán)重的安全隱患。劣質(zhì)原油中腐蝕介質(zhì)大致可分為硫化物、環(huán)烷酸、氮化物、有機(jī)氯等。在原油的開采、運(yùn)輸和加工過程中，還常常加入含氯助劑。在生產(chǎn)過程中，部分物質(zhì)可能會(huì)轉(zhuǎn)化為硫化氫、二氧化碳、氰化物、鹽酸、氨、有機(jī)酸和連多硫酸等腐蝕性物質(zhì)，為裝置帶來巨大隱患。

為了掌握裝置、管線的腐蝕情況，多種監(jiān)檢測(cè)方法被應(yīng)用于石油石化工業(yè)，定性或定量監(jiān)測(cè)設(shè)備、管線腐蝕的發(fā)生、發(fā)展過程，借此調(diào)配助劑、優(yōu)化工藝防腐，并能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，預(yù)防安全事故，提升科學(xué)化管理水平。本文介紹了幾種重要的監(jiān)檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)，并對(duì)未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 超聲波技術(shù)

1.1 超聲波測(cè)厚

超聲波測(cè)厚是一種無損檢測(cè)技術(shù)，是目前最廣泛應(yīng)用的材料厚度檢測(cè)方法。它可以直接反應(yīng)設(shè)備管線的實(shí)際厚度值，判斷設(shè)備管線的減薄情況。

目前比較廣泛使用的一般是脈沖式超聲波測(cè)厚儀，頻率一般在1~5 MHz。其原理是將在壓電晶體制作的探頭上施加電脈沖信號(hào)，使其發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)產(chǎn)生超聲波。超聲波經(jīng)過延遲塊和耦合劑到達(dá)被測(cè)試件表面，部分反射回接受晶片；剩余部分超聲波在工件內(nèi)遇到缺陷或分界面時(shí)反射回來。通過兩次反射波的時(shí)間差與聲速計(jì)算即可得到工件厚度。由于超聲波在不同材料中的傳播速度不同，在對(duì)不同材料進(jìn)行測(cè)厚時(shí)，需要分別校準(zhǔn)聲速。

圖 1 超聲波測(cè)厚儀的原理

隨著技術(shù)的發(fā)展，超聲波測(cè)厚的應(yīng)用更加廣泛，測(cè)厚溫度范圍更大。經(jīng)過處理后的測(cè)厚數(shù)據(jù)能夠較好地反映裝置、管線剩余壁厚，可定量地分析其腐蝕狀態(tài)，進(jìn)行剩余壽命評(píng)估，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和安全生產(chǎn)，以及安排檢修提供參考。

超聲波測(cè)厚的缺點(diǎn)是其測(cè)量結(jié)果受儀器靈敏度、試件表面狀態(tài)的限制，需要在試件表面涂抹耦合劑來保證測(cè)量效果。同時(shí)，手工測(cè)量也難以測(cè)量結(jié)構(gòu)復(fù)雜和高空的部位。特別是溫度>300℃的設(shè)備管線，表面處理難度較大，對(duì)于檢測(cè)人員還存在一定危險(xiǎn)性。為了解決這些問題，在線定點(diǎn)測(cè)厚系統(tǒng)得到了應(yīng)用。中石油某公司選用了基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)在線定點(diǎn)測(cè)厚系統(tǒng)，由帶無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)厚儀、無線網(wǎng)關(guān)、無線中繼器和管理軟件構(gòu)成，可測(cè)量-100~600℃的設(shè)備管線，實(shí)現(xiàn)了在線定點(diǎn)測(cè)厚、數(shù)據(jù)錄入和管理的自動(dòng)化，節(jié)省了人力，減小了錯(cuò)誤出現(xiàn)幾率，有力保障了設(shè)備安全運(yùn)行。燕山某煉油廠采用英國(guó)Permansense在線超聲測(cè)厚系統(tǒng)，在蒸餾裝置安裝了22個(gè)超聲波傳感器，配合網(wǎng)關(guān)和診斷分析軟件，穩(wěn)定運(yùn)行一年，未發(fā)生故障，僅需每3到4年在電池壽命到期時(shí)更換新電池，大大減少了維護(hù)成本。

1.2 超聲導(dǎo)波技術(shù)

超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)通常由探頭、導(dǎo)波激勵(lì)單元、導(dǎo)波接收單元和檢測(cè)信號(hào)處理單元構(gòu)成。使用時(shí)，將探頭以陣列環(huán)繞安裝在管道特定部位，由導(dǎo)波激勵(lì)單元產(chǎn)生導(dǎo)波信號(hào)并將其放大，施加在探頭上產(chǎn)生導(dǎo)波。導(dǎo)波在管壁中傳播，管道的不連續(xù)處和形變處會(huì)引起導(dǎo)波傳播速度的變化，產(chǎn)生相應(yīng)回波射信號(hào)。對(duì)其進(jìn)行提取、分析便可判斷被測(cè)物體的損傷情況，確定缺陷的位置和尺寸。

圖 2 超聲導(dǎo)波的傳播示意圖

與傳統(tǒng)超聲波技術(shù)相比，超聲導(dǎo)波具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）常用的導(dǎo)波頻率范圍大約是20~100 kHz，頻率較低，沿傳播路徑衰減很小，在理想的管道檢測(cè)中可以一次檢測(cè)百米以上，克服逐點(diǎn)掃描法的缺點(diǎn)，降低檢測(cè)成本；（2）不需要耦合劑，也不需要對(duì)接觸表面進(jìn)行特殊處理；（3）可以檢測(cè)難以接觸的管體部位，如管道占?jí)骸⒋┰絽^(qū)域，或是管道缺陷的高發(fā)區(qū)域。

超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)同樣也存在一定局限性：（1）檢測(cè)頻率必須事先由實(shí)驗(yàn)得到；（2）無法對(duì)某一部位進(jìn)行精確測(cè)量，不能反映管道的真實(shí)殘余壁厚；（3）對(duì)環(huán)向缺陷的檢出率比較高，而對(duì)于不超過70%壁厚的縱向裂紋很難檢出；（4）對(duì)復(fù)雜管道系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的解釋有一定難度；（5）瀝青等外敷層會(huì)影響回波信號(hào)，減少檢測(cè)距離。

超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到了一定應(yīng)用：勝利油田[13]使用與清華大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)研發(fā)的電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)儀對(duì)某長(zhǎng)輸原油管道進(jìn)行了全面檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)的驗(yàn)證符合率達(dá)86.7%。通過預(yù)埋地下的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)探頭，能夠解決超聲導(dǎo)波檢測(cè)反復(fù)開挖的缺點(diǎn)，節(jié)約了成本。渤海某油田使用MsS（磁致伸縮式傳感器）超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)對(duì)管線進(jìn)行了腐蝕檢測(cè)，兩次不同位置、不同頻率的檢測(cè)結(jié)果均顯示同一位置存在腐蝕情況，拆保溫后發(fā)現(xiàn)減薄超3%的區(qū)域，驗(yàn)證了檢測(cè)結(jié)果。

2 腐蝕掛片在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

腐蝕掛片檢測(cè)是一種有損檢測(cè)，既可安裝在運(yùn)行裝置設(shè)備的具體部位；在一段時(shí)期內(nèi)檢測(cè)該設(shè)備管線的腐蝕情況，也可用于實(shí)驗(yàn)室模擬腐蝕環(huán)境，具有操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)可靠性高等特點(diǎn)；也可作為設(shè)備和管道選材的重要依據(jù)。腐蝕掛片法可同時(shí)對(duì)多種材料、多種環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。掛片可直接安裝在具有代表性的工藝流程中，也可安裝在特定旁路中，并根據(jù)需求改變工況條件。按照形狀不同，腐蝕掛片一般分為條形掛片、棒狀掛片、圓盤狀掛片等等。實(shí)際在應(yīng)用中，可根據(jù)需求加工成各種形狀。掛片一般需要借助懸掛件安裝，常見的懸掛件有螺紋連接懸掛件、法蘭懸掛件、帶壓拆裝式懸掛件。

由腐蝕掛片的質(zhì)量損失可計(jì)算平均腐蝕速率：

其中，CR為腐蝕速率，mm/a；W為質(zhì)量損失，g；A為腐蝕掛片暴露在腐蝕環(huán)境中的面積，m2；T為暴露時(shí)間，a；D為掛片金屬的密度，g/cm3。

由腐蝕掛片的質(zhì)量損失可以計(jì)算出其放置期內(nèi)的平均腐蝕速率，也可以測(cè)量坑的深度來計(jì)算點(diǎn)蝕速率，觀察點(diǎn)蝕的性狀還能判斷腐蝕的類型。另外，通過垢樣分析可以判斷結(jié)垢類型，并采取相應(yīng)阻垢措施。

腐蝕掛片監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)在于操作周期稍長(zhǎng)，所測(cè)得的數(shù)據(jù)為裝置設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)的平均腐蝕速度，不能反映設(shè)備在某一點(diǎn)的腐蝕速度，因此無法用于實(shí)時(shí)在線分析。掛片本身的成本較低，但是掛片的安裝、處理都需要耗費(fèi)一定時(shí)間。所以腐蝕掛片監(jiān)測(cè)需與其他監(jiān)檢測(cè)方法聯(lián)用，監(jiān)測(cè)設(shè)備選材和工藝防腐措施的應(yīng)用效果。

長(zhǎng)慶油田采用環(huán)狀掛片，對(duì)腐蝕結(jié)垢相對(duì)嚴(yán)重的24座采出水回注站進(jìn)行了腐蝕監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示，管線結(jié)構(gòu)對(duì)局部點(diǎn)蝕影響很大：隨著結(jié)垢程度的增加，點(diǎn)蝕變得明顯嚴(yán)重。

3 在線探針

在線探針因其能夠提供實(shí)時(shí)、連續(xù)的腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)逐漸成為現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的主要發(fā)展方。按探針類型的不同，可分為pH探針、離子探針、電阻探針、電感探針和線性極化探針等等。通常一套在線探針腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由腐蝕探針、數(shù)據(jù)采集器、變送器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成，腐蝕探針安裝在工藝管線或設(shè)備上，得到與腐蝕速率相關(guān)的模擬信號(hào)，經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳送至計(jì)算機(jī)，處理后即可分析數(shù)據(jù)。借助在線探針，可以獲取生產(chǎn)工藝信息與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)系，及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

3.1 pH探針

通常情況下，酸堿值與溶液的腐蝕性息息相關(guān)，因此對(duì)于石油石化行業(yè)中pH分析顯得尤為重要。pH電極就是一種能將溶液中氫離子活度轉(zhuǎn)換為電位信號(hào)的傳感器。傳統(tǒng)玻璃電極結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由以下幾個(gè)部分組成：（1）敏感玻璃薄膜，能將待測(cè)溶液中的離子濃度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娢恍盘?hào)；（2）內(nèi)參比體系，可以傳導(dǎo)電位信號(hào)，由內(nèi)部測(cè)量電極和內(nèi)部緩沖溶液構(gòu)成；（3）導(dǎo)線，將內(nèi)導(dǎo)體系傳導(dǎo)的電位信號(hào)饋送到儀器；（4）外參比體系，測(cè)量電極電位；（5）殼體，一般采用高絕緣、化學(xué)穩(wěn)定性好的材料制成。當(dāng)pH電極浸入待測(cè)溶液中時(shí)，在pH敏感玻璃薄膜的兩側(cè)因H+濃度不同將形成電位差，由測(cè)量電極導(dǎo)出。經(jīng)過計(jì)算和溫度補(bǔ)償即可得到待測(cè)溶液的pH。為了應(yīng)對(duì)更為復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，針對(duì)不同工藝條件固態(tài)玻璃電極、非玻璃型pH電極被開發(fā)出來，極大地豐富了探針應(yīng)用范圍。

圖 3 pH 電極的基本結(jié)構(gòu)

3.2 電阻探針

金屬絲在腐蝕介質(zhì)中發(fā)生腐蝕后長(zhǎng)度不變而直徑減小，截面積減小使得電阻增大。通過測(cè)試電阻絲電阻的變化即可換算直徑變化量，進(jìn)而計(jì)算出腐蝕速率。當(dāng)所用金屬絲的材質(zhì)與所測(cè)量設(shè)備的材質(zhì)相同時(shí)，就可用金屬絲的腐蝕率近似地代表設(shè)備的腐蝕率：這就是電阻探針（ER）測(cè)試技術(shù)的基本原理。由于電阻易受溫度的影響發(fā)生變化，通常會(huì)在電阻探頭內(nèi)串聯(lián)一個(gè)溫度補(bǔ)償元件以消除其影響，從而減小測(cè)量誤差。按照使用溫度的區(qū)別，電阻探針可分為低溫電阻探針和高溫電阻探針，分別適用于0~260 ℃和0~450 ℃；根據(jù)探針形狀，可分為絲狀探針、片狀探針和管式探針等，因靈敏度較高，一般多采用絲狀探針。

與腐蝕掛片相同，電阻探針可適用于液相、氣相等各種介質(zhì)，但響應(yīng)更快。且測(cè)量過程與工藝物料的導(dǎo)電性無關(guān)，原理直觀。電阻探針的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，試件加工較嚴(yán)格，另外，測(cè)量結(jié)果會(huì)受導(dǎo)電的腐蝕產(chǎn)物（如硫化鐵）影響。

4 漏磁檢測(cè)

漏磁檢測(cè)（MFL）使用漏磁通原理：利用設(shè)備對(duì)被測(cè)件進(jìn)行飽和磁化，在其內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)存在缺陷時(shí)，會(huì)導(dǎo)致缺陷處附近的磁場(chǎng)發(fā)生畸變，部分磁力線將穿出試件產(chǎn)生漏磁，通過磁敏探頭檢測(cè)漏磁場(chǎng)就可以發(fā)現(xiàn)管道缺陷。

圖 4 漏磁檢測(cè)示意圖

漏磁檢測(cè)不僅可以發(fā)現(xiàn)表面和近表面的缺陷及其尺寸，且具有非接觸特性、檢測(cè)速度快、成本低的優(yōu)點(diǎn)，適用于生產(chǎn)期間的在線檢測(cè)。但由于不接觸被測(cè)試件表面，不可避免的存在提離值，減小了磁場(chǎng)強(qiáng)度；而涂層的存在也會(huì)降低檢測(cè)靈敏度。另外，漏磁檢測(cè)一般不適用于形狀復(fù)雜的構(gòu)件。

5 紅外熱成像

自然界中溫度超過絕對(duì)零度（-273 ℃）的物體都會(huì)因分子的熱運(yùn)動(dòng)向外輻射電磁波，其中紅外線的波長(zhǎng)在0.72~1000 μm之間。紅外熱成像監(jiān)測(cè)是利用熱感應(yīng)相機(jī)的紅外成像技術(shù)，通過光學(xué)元件將物體發(fā)射的紅外輻射聚集到探測(cè)器上，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而處理成可見圖像，在顯示屏上以灰度差或偽彩色的形式反映出被測(cè)物體表面溫度的分布。

在石化行業(yè)，由于生產(chǎn)需要，許多設(shè)備管線是在高溫條件下運(yùn)行的，當(dāng)出現(xiàn)保溫脫落、腐蝕減薄等情況，表面熱分布會(huì)出現(xiàn)異常。通過對(duì)溫度分布的分析，可以監(jiān)測(cè)反應(yīng)器、加熱爐、管線、散熱器等設(shè)備運(yùn)行狀況，評(píng)價(jià)襯里損傷和保溫效果，預(yù)測(cè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，同時(shí)可以指導(dǎo)檢修，增加檢測(cè)的預(yù)知度。如圖是工作人員使用福祿克Ti300便攜式熱像儀拍在煉廠拍攝的管線和空冷管的熱成像圖，可以看到局部區(qū)域溫度異常（顯示為紅色），可能發(fā)生了腐蝕減薄。

圖 5 熱成像圖

6 結(jié)論和展望

（1）腐蝕監(jiān)檢測(cè)技術(shù)為石油石化工業(yè)的安全、平穩(wěn)運(yùn)行提供了有力保障，愈來愈受到重視。但是每種技術(shù)都有其特點(diǎn)和不足，通常需要多種方法聯(lián)用、相互補(bǔ)充來達(dá)到較好的效果；同時(shí)，超聲衍射時(shí)差技術(shù)、超聲相控陣技術(shù)等新技術(shù)也在逐步進(jìn)入市場(chǎng)。

（2）監(jiān)測(cè)技術(shù)的在線化仍是未來發(fā)展方向。目前油品、工藝?yán)淠姆治鋈匀灰詫?shí)驗(yàn)室分析為主，其在線分析技術(shù)存在成本過高、精度不足的問題，相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)、更新?lián)Q代仍需投入一定人力物力。

（3）多種技術(shù)的聯(lián)用是建設(shè)智能化工廠的要求。借助物聯(lián)網(wǎng)和RBI技術(shù)，構(gòu)建一套完整的腐蝕數(shù)據(jù)搜集、分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝數(shù)據(jù)、腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，智能判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)預(yù)警并提供解決方案；配合自動(dòng)加注等防腐技術(shù)，完成腐蝕問題的智能化“治療”。

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