石化裝置設備腐蝕預警模型的設計與實現

李啟銳　吳翰禹　李　曉　侯超委

(廣東石油化工學院計算機與電子信息學院　茂名　525000)

石化裝置設備腐蝕預警模型的設計與實現

李啟銳吳翰禹李曉侯超委

(廣東石油化工學院計算機與電子信息學院茂名525000)

摘要針對目前石化裝置設備腐蝕監測結果不能及時有效反映的問題,提出了石化裝置設備腐蝕預警模型。首先,研究了腐蝕風險值的數學模型及計算算法,在計算過程中腐蝕因子與預警值均實現了參數化;然后,對預警模型的總體結構、設計模式、工作流程和預警值的展示方式進行了設計,增強了模型的兼容性、可維護性和人機交互性;最后,使用Java EE等技術對預警模型進行了實現。實際應用效果表明,有了預警機制,能夠及時排查裝置設備的隱患,減少生產過程中由設備腐蝕引發的事故發生率。

關鍵詞石化裝置設備; 腐蝕; 預警; 風險值; 腐蝕因子

Class NumberTP312

1引言

隨著我國經濟可持續發展戰略目標的制定,石油化工行業在我國國民經濟中占據著更為重要的地位,是我國的支柱產業之一[1]。在石化生產的過程中,有大量的工業原料參與。隨著石化裝置設備與工業原料的長期接觸與積累,這些工業原料中的某些成分有可能對裝置設備產生一些不良影響。腐蝕是其中最常見的形式。通過對歷年石化生產事故進行歸納總結可以發現,腐蝕是影響設備裝置可靠性及使用壽命的關鍵因素[2]。據一些發達國家的統計,每年腐蝕所造成的直接經濟損失約占國民經濟總產值的2%～4%,其中石油化工行業尤為嚴重[3]。石油化工裝置設備的腐蝕影響到日常生產、存儲和運輸,給石油化工業造成巨大的經濟損失[4]。嚴重的腐蝕問題給石化裝置設備安全生產帶來了極大隱患[5]。石化裝置設備腐蝕的防護管理已經成為國內外學者研究的熱點,例如,M. Otieno等對腐蝕速率和設備剩余壽命方面進行了研究[6～7];Yong Bai等對裝置設備的腐蝕機理方面進行了研究[8～10];夏中高等對腐蝕防護材料方面進行了研究[11～12];李一曼等對腐蝕數據的信息化管理方面進行了研究[13～14]。但是涉及到腐蝕預警方面的研究并不多。柳海[15]對天然氣管道腐蝕檢測預警系統進行了研究,但是缺乏對石化裝置設備腐蝕預警的考慮。雖然對石化裝置設備腐蝕的監測方法已經比較成熟,監測數據也比較完整,但是如何有效對監測結果進行反映,對腐蝕情況進行及時預警卻是目前很多石化企業亟待解決的難題?？梢?對石化裝置設備腐蝕監測預警的研究,使石化企業能夠及時掌握裝置設備的腐蝕情況,就顯得尤為重要。

本文通過對裝置設備中重點部位的腐蝕數據進行監測,實時計算出每個監測點的腐蝕情況,在裝置流程圖上將監測結果動態呈現給用戶,提供四級別的預警機制,為腐蝕防護管理人員及時掌控裝置設備的腐蝕情況提供有效途徑,從而提高裝置設備運行的安全性,減少生產事故的發生。

2風險值的計算

2.1風險值的數學模型

在裝置運行的過程中,會受到不同情況的腐蝕影響,其中最常見的情況之一是點蝕[1]。由于裝置本身的組成材料存在不均一性,因此易與某些離子發生化學反應,從而使金屬表面發生腐蝕。經過研究,PH值降低、氧化性金屬離子(如Fe3+、Cu2+、Hg2+等)以及某些活性陰離子均是促進點蝕產生的因素,其中鐵離子濃度、氯離子濃度和PH值在裝置腐蝕的過程中起到更重要的作用。我們將三個因素稱為腐蝕因子,分別用F、C和H表示。腐蝕因子對腐蝕的影響分為獨立影響和綜合影響。將綜合影響稱為權重因子,用M表示,用來描述與鐵離子、氯離子和PH值共同參與影響腐蝕程度測量的情況。

我們將腐蝕風險等級分為安全、中危、高危和極度危險四個等級,用R0、R1、R2和R3表示,其中R0

令x、y、z和f(x,y,z)分別表示某測點某時刻的鐵離子濃度、氯離子濃度、PH值和權重因子,FF(x)、FC(y)、FH(Z)、FM(x,y,z)表示鐵離子、氯離子、PH和權重因子的風險值,F(x,y,z)表示總體風險值。T0、T1和T2為R0與R1、R1與R2、R2與R3之間的臨界值,則

f(x,y,z)=x+y-z

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

F(x,y,z)=max(FF(x),FC(y),FP(z),FM(x,y,z))

(6)

根據式(6)可以計算出某測點的總體風險值,為預警等級提供依據。

2.2風險值的計算算法

在腐蝕監測過程中,腐蝕因子一般是單獨監測,在得到F、C和H三個腐蝕因子的監測值后,根據式(1)計算M值,然后根據式(2)～(5)計算F、C、H和M的腐蝕風險值,最后根據式(6)計算測點的總體風險值。

假設某裝置的測點共有n個,測點組成的集合為P={p1,p2,…,pn}。該裝置風險值的計算算法描述如下:

算法1(風險值計算算法)

輸入:P以及p1,p2,…,pn的F、C和H監測值

輸出:p1,p2,…,pn的風險值組成的集合R

步驟:

1:R←?;

2: FORk=1 TOnDO

3:M←computeM(pk);//計算權重因子

4:RF←computeRF(pk);//計算F的風險值

5:RC←computeRC(pk);//計算C的風險值

6:RH←computeRH(pk);//計算H的風險值

7:RM←computeRM(pk);//計算M的風險值

8:RpkcomputeR(RF,RC,RH,RM);//計算測點的風險值

9:R.add(Rpk);//將pk的風險值添加到R中

10:END FOR

3預警模型的設計

3.1總體結構

在石化企業,腐蝕因子的監測值由監測中心統一監測,監測結果存入裝置的工況數據庫。為了能夠獲得最新的監測值,需要與工況數據庫進行通信,按照一定的查詢條件和驅動程序從工況數據庫中獲取需要的信息,然后按照上述算法對腐蝕風險值進行計算。

以圖形化方式呈現預警結果能夠提供更好的用戶交互效果。為了獲得裝置設備的流程圖和測點的基本信息,需要與設備信息數據進行通信,先按照裝置編號和測點編號獲取需要的圖形和位置信息,然后在流程圖上顯示腐蝕風險值。

腐蝕風險預警模型總體結構如圖1所示。

3.2設計模式

根據圖1所示,預警模型與MVC設計模式比較契合,可以采用該模式對預警模型的軟件架構進行設計,即由模型(Model),視圖(View),控制器(Control)三部分組成。

圖1　預警模型

1) 模型。反映一組調用數據庫信息并對其進行計算的公共操作。將表示裝置的參數和腐蝕元素含量等信息視為需集中處理的有效數據,將其共同封裝在一個對象中,這個對象保存從數據庫中得到的信息。該模型通過調用風險值計算模塊獲得計算結果,并將該結果返回到控制器和視圖中。

2) 控制器。根據用戶請求,調用相應方法查詢計算腐蝕情況并調用相應視圖展示。同時負責生成一系列需要查詢的裝置位號,在獲得一系列的處理結果后傳遞至視圖中進行顯示。

3) 視圖。負責接收有效數據并解析至客戶端中顯示。用戶通過視圖與系統交互。系統數據的更新直觀反映到視圖中。用戶能實時掌握裝置的腐蝕總況,并有針對性地運用有效措施進行處理。

3.3預警模型的工作流程

系統中往往同時有多個裝置需要進行腐蝕監測,一套裝置有多個監測點。采用循環機制,并使用內嵌公式計算腐蝕風險,使用戶能在同時查看多個裝置的腐蝕情況,減少系統計算開銷。模型的工程流程如圖2所示。

圖2　預警模型工作流程

3.4風險值展示

以裝置流程圖為基礎圖形化方式呈現裝置監測測點的腐蝕危險程度,簡潔直觀、通俗易懂。監測點以測點編號為標識,以坐標形式記錄位置。使用不同顏色表示不同的腐蝕危險程度:綠色代表R0,橙色代表R1,黃色代表R2,紅色代表R3。模型根據測點編號獲得腐蝕風險值,根據坐標在裝置流程圖上用相應的顏色顯示。對具有R3等級的監測點,用閃爍的形式給予強調,提醒管理人員關注該點的腐蝕情況。裝置的風險值展示算法描述如算法2所示。

算法2(風險值顯示算法)

輸入:監測點風險值組成的集合R,裝置流程圖,監測點坐標信息

輸出:監測結果圖

步驟:

1:P←getPicture(zzID);//通過裝置ID獲得裝置流程圖

2:n←|R|;//監測點的數量

3: FORk=1 TOnDO

4:Rpk←R.get(pk);//獲得監測點pk的風險值

5:(x,y)←getPosition(pk);//獲得監測點pk的位置

6:IFRpk=R0THEN

7:showGreen(x,y);//測點顯示綠色,表示安全

8:ELSE IFRpK=R1THEN

9:showOrange(x,y);// 測點顯示橙色,表示中危

10:ELSE IFRpk=R2THEN

11:showYellow(x,y); // 測點顯示黃色,表示高危

12:ELSE

13:showRed (x,y); // 顯示紅色并閃爍,表示極危

14:END IF

15:END FOR

為了使用戶更為方便查驗監測點,為監測點提供超鏈接功能。當用戶點需要查看某個監測點的具體信息時,直接點擊該點,可彈出該點的基礎信息和腐蝕信息,并提供部分應對措施給予用戶參考。

4應用實例

某石化企業開發一套防腐智能信息平臺系統,其中需要有腐蝕預警功能。將本文設計的預警模型應用到該平臺中。平臺基于Java EE框架技術,數據庫使用MySQL。按照MVC設計模式,設計PictureDAO類實現模型,前端界面mainframe.jsp實現視圖,ShowPictureContentServlet類實現控制器。另外,設計PictureContent類,用以保存在執行過程中產生的圖像數據及方法。

1) PictureContent類。這個類包含各設備對應的名字、位號以及要探測的化學元素的種類等信息,由數據庫查詢而返回的結果保存在這個類中,為下一步顯示做準備。

2) PictureDAO類。這個類主要實現對數據庫的操作。其中包含兩個函數,分別是detectDanger()、dangerCoefficient()。detectDanger()函數的主要作用是將要查詢腐蝕情況的裝置對應位號傳入數據庫,并從數據庫中返回該裝置的名字、各種腐蝕元素含量等信息。dangerCoefficient()則用于配合上一個函數,主要是將在上一個函數中獲取的腐蝕元素含量信息,調用風險值計算模塊進行計算,得到的結果轉換為代表某種危險程度的顏色對應路徑字符串,并將其與PictureContent類共同放在一個Map類變量里面進行保存。

3) ShowPictureContentServlet類。這個Servlet服務程序類主要負責自動生成并提供位號,并調用PictureDAO所提供的方法detectDanger(),所得的Map類型變量保存至某個JSP頁面內置對象中,之后再跳轉至前端頁面進行讀取并顯示。

4) mainfra.jsp。該頁面利用JSTL標簽庫讀取在Servlet中保存的Map變量,并將Map變量對應的位置信息轉換為圓點,其中Map的Key值即為圓點對應的位置,Value值為圓點的顏色路徑字符串。每個圓點的位置用css屬性控制。為了能及時獲得最新的監測數據,使用JQuery的toggleClass方法和Javascript提供的定時器,在頁面中定時切換圓點的顯示狀態,并根據需要使其達到閃爍的效果。同時,利用圓點內屬性data-target指向由〈div〉元素生成的模態框使其可點擊,點擊后彈出該模態框,列出該測點的基本信息和腐蝕情況,方便用戶查看。

通過在Servlet中預先設置要查詢的裝置位號,可以在每次登錄界面時直接在流程圖中看到查詢結果,通過點擊該點,可以顯示該點對應的詳細信息,了解是哪些化學元素超標導致該裝置出現危險。

圖3是該公司1#裂解裝置的腐蝕預警結果圖。

圖3　預警結果

圖3中有不同顏色的點,表示當前時該不同監測點有不同的腐蝕風險值。如果需要查看某個點的監測詳情,可以直接點擊該點。圖4是點擊位于圖3中P-210設備附近的監測點后所彈出的對話框。

圖4　監測點的監測詳情

從圖4可以看出,彈出框中包含了該裝置的溫度及腐蝕元素的基本情況,其中若有紅色字體標記,則表示該字體標記的元素含量已超標,因此導致該腐蝕點呈現紅色,即達到極度危險程度。此時可以點擊下面的按鈕,進一步查看防腐對策。

5結語

本文提出了石化裝置設備腐蝕預警模型,在該模型的預警值計算過程中,監測因素和臨界值均通過參數化實現,可以靈活地修改。模型通過接口與監測系統、設備管理系統實現了無縫對接。模型的軟件設計高度契合MVC模式,升級維護方便,實現過程簡單。該模型已經成功應用在某石化公司的腐蝕智能信息平臺。平臺具有預警功能后,可以及時在生產過程中排除隱患,降低了事故發生率,應用效果良好。

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Design and Implementation of Petrochemical Plant Corrosion Warning Model

LI QiruiWU HanyuLI XiaoHOU Chaowei

(College of Computer and Electronics Information, Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming525000)

AbstractIn view that the present petrochemical plant’s corrosion monitoring system could not reflect problem timely and effectively, a corrosion warning model of petrochemical plant was proposed. Firstly, the mathematical model and calculation algorithms of corrosion risk value were studied. In the mathematical model, the corrosion factor and the critical warning value were parameterized. Secondly, the structure, pattern, workflow and displaying display manners the warning model were designed, which strengthened the model’s compatibility, maintainability and interactivity. Lastly, the warning model was implemented by the technical support of the Java EE. The practical application showed that with this warning mechanism, the petrochemical plant’s hidden corrosion hazard in time can be discovered and controlled, and it could help to reduce the occurrence rate of accidents caused by corrosion.

Key Wordspetrochemical plant, corrosion, warning, risk value, corrosion factors

收稿日期:2015年12月9日,修回日期:2016年1月30日

基金項目:國家自然科學基金項目(編號:61272382);茂名市石油化工腐蝕與安全工程技術研究開發中心開放基金資助課題(編號:650011);大學生創新創業訓練計劃項目(編號:201411656049)資助。

作者簡介:李啟銳,男,碩士研究生,講師,研究方向:企業智能信息化、云計算。吳翰禹,男,研究方向:企業信息化。李曉,女,研究方向:數據庫技術。侯超委,男,研究方向:軟件工程。

中圖分類號TP312

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.005