高含硫天然氣凈化廠管線腐蝕監測方法的優選與應用——以普光氣田為例

商劍峰 李 壇 劉元直 林宏卿 張曉剛 肖國清

1.中國石化中原油田普光分公司 2.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學

川氣東送工程主氣源地普光氣田原料氣中H2S含量高達15%。其天然氣凈化廠采用MDEA（甲基二乙醇胺）法脫硫，采用三甘醇法脫水。天然氣脫硫方法分為干法和濕法兩大類［1］，MDEA法脫硫是濕法脫硫的一種，適合處理量較大的高含H2S和CO2天然氣［2］。天然氣脫水方法有冷卻法、吸收法和吸附法等，三甘醇脫水法屬于吸收法，以三甘醇作為吸收劑，具有熱穩定性好、吸濕性高、容易再生等優點［3］。另外，采用常規克勞斯二級轉化法回收硫磺，再配以加氫還原吸收尾氣處理和酸性水汽提的工藝技術路線。工藝裝置主要包括脫硫、脫水、硫磺回收、尾氣處理、硫磺成型和酸性水汽提裝置。該凈化系統酸性負荷大、工藝節點多、材質包含多種碳鋼和多種不銹鋼及復合管材。

高酸性介質在管道中流動和滯留，易引起鋼材的均勻腐蝕、局部腐蝕和沖刷腐蝕［4］，并面臨硫化物應力腐蝕開裂和氫致開裂風險，腐蝕監測及控制不當易導致管線腐蝕穿孔、刺漏，甚至破裂［5－7］。高含硫凈化廠管線的腐蝕監測和控制對保證凈化廠的安全高效運行具有重要意義。高含硫氣田凈化系統在線腐蝕監測方面，目前還未形成完整的腐蝕監測體系和腐蝕管理數據庫。因此根據凈化廠各工藝流程管線的服役特點設置腐蝕監測點，給出相適應的監測方法十分必要。

1 常用腐蝕監測技術適應性分析

腐蝕監測技術是在線測試腐蝕速率的重要手段，腐蝕監測數據是金屬管道腐蝕控制的根據。目前，國內外常見的腐蝕監測手段有以下幾種。

1）掛片失重法是測量金屬腐蝕最可靠的方法之一。其優點是：適用于任何工作環境；較真實地反映了材質的腐蝕速度，可直接用來預測特定部件的使用壽命，還可用于校正其余監測方法的腐蝕數據。不足之處在于：不能獲得瞬時腐蝕速率，不能反映工藝參數變化對腐蝕的即時影響。

2）線性極化法（LPR）是目前最常用的金屬腐蝕快速測試方法之一［8］。優點在于：響應速度快，可測定瞬時腐蝕速度。不足之處在于不適用于氣相環境。因而在凈化廠大量工藝環節涉及的氣相腐蝕環境中不宜采用。

3）電阻法測量的是金屬元件的橫截面積因腐蝕減少所引起的電阻變化。其優點在于可用于氣相及液相、導電及不導電的介質中連續進行測量。不足之處在于：只適應于均勻腐蝕，否則不容易解釋測量結果，且只能測定累計腐蝕量，腐蝕產物導電則將產生測量誤差。凈化廠在脫硫工藝環節腐蝕介質中伴有氯離子的點蝕，電阻法也不適應于局部腐蝕的監測。

4）電感測量法是以測量金屬損失為基礎，測試元件質量發生變化引起電感的變化，電感信號經放大后輸出質量損失信息。其優點在于：通過元件靈敏度的選擇，可以較快地測定出腐蝕速度的變化；可用于在氣相及液相、導電及不導電的介質中連續進行測量。不足之處在于：不適合測定瞬時腐蝕速度和局部腐蝕，探頭表面腐蝕產物的電磁性將產生測量誤差。

5）超聲波測厚法可以對運轉中的設備反復進行測量，但是難以獲得足夠的靈敏度來跟蹤記錄腐蝕速度的變化。該方法不損傷管線，隨時監測壁厚，并能進行逐點測量。不足之處在于：受儀器靈敏度的限制，兩次檢測時間間隔短、金屬壁厚變化不大時分辨率差；高溫部位檢測較困難，準確性差。

6）氫監測法測量的是腐蝕環境中氫原子在鋼中的滲透量。根據監測的氫壓與時間的關系，來確定腐蝕環境中電化學反應的劇烈程度［9－10］，不能直接計算得到腐蝕速率。

7）離子含量分析法通過定期分析生產過程中的鐵離子含量，可以定性地確定設備的腐蝕變化情況。此法適合于純CO2腐蝕、Cl－腐蝕的生產系統。對于含H2S氣體的生產系統，由于腐蝕產物FeS呈固體沉積，因此取水樣分析時，其結果也存在較大偏差。

8）電化學噪聲技術是通過對超聲波的反射變化，監測金屬是否存在裂紋、空洞等的技術［11］。電化學噪聲技術的最大特點是自然、真實地反映金屬表面狀態，是一種原位無損的監測技術。該技術有助于研究局部腐蝕、表面膜的動態特征等，可以監測均勻腐蝕、孔蝕、裂蝕、應力腐蝕開裂等腐蝕，并且能夠判斷金屬腐蝕的類型。國際上電化學噪聲技術已經成熟，但價格昂貴。

9）管道全周向監測方法（FSM）也稱為“電指紋法”。通過在給定范圍內進行相應次數的電位測量，對局部進行監測和定位。FSM是一種非插入式的監測方法，通過一段與管道材質完全一致的測試短管與工藝管道焊接或法蘭連接在一起，其壽命與管道的設計壽命匹配，在管道的運行過程中不需要更換測試電極［12］。但成本非常高。

凈化廠各單元服役管道具有各種酸氣負荷、各種流速、各種溫度及不同的相態特征，這些都將影響腐蝕監測的效果。管線腐蝕監測需根據其腐蝕環境特點和服役工況進行選擇。同時，因不同腐蝕監測方法在監測設備管理與監測數據管理方面造成了不便，因此建議采用適應性較強的單一的在線腐蝕監測方法。在流場有變化的管段推薦采用定點全周向柔性超聲波測厚監測法，取代昂貴的全周向監測方法（FSM）。

2 腐蝕監測點設置及監測結果

凈化廠主要裝置如脫硫、脫水、硫磺回收、尾氣處理、硫磺成型和酸性水汽提裝置等單元，均以金屬管或雙金屬復合管作為輸送介質的通道。雙金屬復合管在防腐蝕方面具有很高的可靠性和良好的綜合經濟效益［13］，因此該凈化廠某些管線（如液力透平出口管線、再生塔底重沸器氣相返回口管線、胺液再生塔頂空冷器出口管線和第二級硫冷凝器酸性氣入口管線）采用的是不銹鋼襯里的復合管。

由前分析可知，電感探針監測和失重掛片監測能滿足高含硫凈化廠管線服役工況。為節約投資，裝置采用同一種腐蝕監測方法——電感探針監測，同時在各監測點設置了失重掛片監測。腐蝕監測點的設置情況及監測周期為1年的監測數據如表1～3所示。

表1 公用部分監測單元設置及對應監測結果表

表2 脫硫單元監測單元設置及對應的監測結果表

表3 其他單元監測單元設置及對應監測結果表

表1中A為西區高空放空總管，B為東區高空放空總管，C為低壓放空總管。可以看出，東、西區高空放空總管腐蝕速率較大。其腐蝕速率在0.030 4～0.075 3mm／a之間，按照 NACE RP0775標準的規定，屬于中度腐蝕。從現場掛片分析來看，清洗后兩處試片厚度減薄，表面腐蝕變得不均勻，存在局部腐蝕。主要腐蝕產物為鐵的氧化物和少量鐵的硫化物。

表2中D為天然氣進裝置管線，E為進料過濾分離器底部液體出口管線，F為水解反應器出口空冷器出口管線，G為液力透平出口管線，H為再生塔底重沸器氣相返回管線，I為胺液再生塔頂空冷器出口管線，J為酸性氣自胺液再生塔頂回流罐至硫磺回收單元管線，K為胺液再生塔頂回流管線。從監測數據可以看出，整個脫硫單元腐蝕速率都很低，有些部位未監測出腐蝕。

表3中L為脫水塔天然氣入口管線，M為脫水塔出口富TEG管線，N為第二級硫冷凝器酸性氣入口管線，O為末級硫冷凝器尾氣出口管線，P為急冷水泵出口管線，Q為酸水汽提塔頂氣管線。由表3可見，第二級硫冷凝器酸性氣入口管線，急冷水泵出口管線和酸水汽提塔頂氣管線腐蝕速率較大。按照NACE RP0775標準對腐蝕程度的規定，第二級硫冷凝器酸性氣入口管線和酸水汽提塔頂氣管線為中度腐蝕，急冷水泵出口管線腐蝕速率在0.125～0.254mm／a之間屬于嚴重腐蝕。從掛片結果來看，第二級硫冷凝器酸性氣入口管線掛片和酸水汽提塔頂氣處掛片清洗后兩處試片厚度減薄，表面腐蝕變得不均勻，存在局部腐蝕；急冷水泵出口管線掛片去除表面腐蝕產物后，表面已經凹凸不平，存在嚴重的局部腐蝕，掛片明顯因腐蝕而變薄。

各監測點兩種方法監測結果見圖1。探針監測結果和掛片結果基本一致，僅在腐蝕速率數值上存在一定偏差。可見，凈化廠第二級硫冷凝器酸性氣入口管線（N）、急冷水泵出口管線（Q）、酸水汽提塔頂管線（P）和東西區高空放空總管（A、B、C）為腐蝕薄弱環節。而腐蝕薄弱部位的管線材質均為碳鋼（L245、20號鋼和20R），因此在這些薄弱部位需加強腐蝕監測或采取相應防腐措施。

圖1 各監測點掛片和腐蝕探針腐蝕數據對比圖

現場腐蝕監測結果表明，通過分析在線探針腐蝕監測數據，可找出工藝管線腐蝕的薄弱環境，為凈化系統腐蝕控制技術措施的優化提供基礎數據。而在一些彎頭、大小頭、三通和閥門附近，介質流場變化，電感探針和失重掛片的安裝難于實施，且難以真實反映管道在圓周方向和軸向的腐蝕狀況。對此類可能發生嚴重腐蝕的區域，應采用全周向監測方法（FSM）或全周向柔性超聲波定點測厚監測方法。但FSM監測價格更高，故推薦使用柔性超聲波定點測厚監測方法，避免多人次間歇測量造成的測量誤差。

3 結論及建議

1）建議采用適應性較強的單一在線腐蝕監測方法進行凈化廠管線腐蝕監測，并使用失重掛片法校正所用監測方法的腐蝕數據。

2）從腐蝕掛片和探針監測結果來看，該凈化廠第二級硫冷凝器酸性氣入口管線，急冷水泵出口管線，酸性水汽提塔頂和東西區高空放空總管為腐蝕薄弱環節；其他監測單元腐蝕速率都很低。

3）現場應用結果表明，電感探針監測和失重掛片監測是管線監測的良好手段，能夠滿足高含硫凈化廠管線各個工藝節點的服役工況，且其投資相對較低，便于現場應用。電感探針腐蝕監測結果與失重掛片腐蝕速率基本一致，監測數據可信。

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