集氣站加熱爐腐蝕情況及建模分析

劉藝臻

（長慶油田采氣四廠，內蒙古烏審旗 017300）

集氣站加熱爐腐蝕情況及建模分析

劉藝臻

（長慶油田采氣四廠，內蒙古烏審旗 017300）

針對加熱爐隨著使用時間的增長而容易發生腐蝕泄露的情況，對集氣站加熱爐設備的腐蝕情況進行測量，計算腐蝕的速率，對腐蝕程度進行分析，根據腐蝕過程建立數學模型，并進行驗證。結果表明：腐蝕前期為第一區間，其腐蝕深度與使用時間呈線性關系，第二區間為腐蝕中期，呈多項式變化關系，腐蝕后期也為線性變化，但是腐蝕速度相對于第一區間較慢；加熱爐的彎管段的腐蝕程度要比直管段的腐蝕程度更為嚴重，直管段和彎管段的厚度變化符合數學模型推導規律。

加熱爐；腐蝕；數學模型

在采氣的工藝流程中，天然氣通過管道輸送到各個集氣站和凈化廠，在運輸所經的所有的管線和設備都有可能發生被腐蝕的現象，主要原因之一是管道和設備內的天然氣中含有硫化氫和二氧化碳等酸性氣體，這些酸性隨著年限的延長會對設備造成一定的腐蝕，加之采取井中還會攜帶出來一定的液體和固體雜質，會對設備和管道造成一定的沖刷和磨損，加劇腐蝕程度。國內外對于設備管道的防腐進行了大量的研究，有研究加入緩蝕劑來對設備、管道和閥門進行防腐保護，進行腐蝕的機理分析、動力學、過程模擬等研究[1-5]，通過金屬腐蝕機理研究發現金屬的腐蝕通常是由多種因素綜合影響導致的，金屬腐蝕缺陷有3種情況，第1種是均勻腐蝕，是指腐蝕的面積比較大，平均分布在整個金屬表面上，第2種局部腐蝕是指在金屬表面的某一區域發生腐蝕，其他區域腐蝕程度較輕或沒有腐蝕，第3種點腐蝕是指腐蝕發生在管道表面的某些局部的點，呈小孔狀，通常點腐蝕會造成穿孔泄露。隨著油氣田的不斷開發，油氣田設備因為使用時間的增長而會造成被腐蝕穿孔或產生裂紋，導致泄露事故的發生[5-8]。掌握油氣設備的腐蝕情況，分析設備腐蝕的影響因素，找出設備腐蝕的規律，對評測設備的安全狀態、制定相應的檢修計劃和保證油氣田的安全方面十分重要，這已成為國內外對于安全生產的非常關注的問題。

本文對集氣站加熱爐設備的腐蝕情況進行測量，計算腐蝕的速率，對腐蝕程度進行分析，根據腐蝕過程建立數學模型，并進行驗證，以便找出加熱爐腐蝕的規律。

1 腐蝕過程的數學模型

集氣站將來自不同采氣井的天然氣匯集并進行脫水和凈化處理，最主要的設備有加熱爐和脫水分離器，集氣站的加熱爐采用多井式，由筒體、換熱管、排氣管組成，通過水為載熱體對盤管內的天然氣加熱，以防止天然氣中出現水合物。加熱爐中的盤式換熱管由于長期處于高溫沸水中，管外表面會出現大量的銹，將銹剝除后會出現連續密集的蝕坑，隨著使用時間的增長，腐蝕的情況更為嚴重。

針對工業上金屬被腐蝕的情況較為復雜，將腐蝕過程可劃分成3個理想區間[9-10]，第一區間為無腐蝕層的階段，第二個區間為有部分腐蝕的階段，第三個區間為腐蝕積累到一定程度的階段。

1.1 第一區間的數學模型

第一區間的腐蝕是氧與鐵發生氧化反應，腐蝕主要的因素是氧的侵蝕，氧的擴散速率可以表示為氧的傳遞速率等于氧的擴散通量與氧在總體流動中傳遞通量的和，氧的傳質速率No=K+DCo，氧化反應速度與氧的擴散速度成零級反應，腐蝕深度與時間成線性關系：y=kx+b。

1.2 第二區間的數學模型

氧通過腐蝕的垢層擴散到鐵的表面，此過程稱為第二區間。擴散過程相對于第一區間要更為復雜，隨著氧化反應的持續推進，垢層的厚度逐漸增加，垢層也會進一步阻止腐蝕的加速，擴散速度隨著厚度的增加而變慢，腐蝕速度減緩。假設氧通過垢層的擴散速率為u=dl/dt=ΔP/rΦμl，采用參數并歸，dl/dt=K/l，通過積分變換，得到l2=2Kt+C，根據偏離情況的修正可得到下列多項式：yn=axm+a′×m′+ax′m′+…+apxmp+C，對上式進行求偏導數得到腐蝕速率與使用時間的函數：

1.3 第三區間的數學模型

第三區間隨著垢層的厚度越來越大，氧的滲透變得非常困難，腐蝕速率也在大幅的降低，因此，第二區間的速度變為：積分后，腐蝕過程的數學模型為y=k′x+b，腐蝕速率與使用時間的變化關系為y′=k′。

2 數學模型的驗證及規律

對加熱爐的盤管彎管段和直管段管壁進行厚度檢測，取5個點取平均值，根據壁厚檢測的厚度換算成腐蝕深度和腐蝕速率，計算結果如表1所示。

由表1可以看出，隨著使用年限的增長，彎管的受侵蝕的厚度一直都是大于直管段被侵蝕的厚度，這可能是由于彎管段的經常收到受到的沖刷作用力更大，導致腐蝕程度更嚴重。從腐蝕速率來看，第一區間的腐蝕速率較大，而在第二區間腐蝕影響因素較為復雜，腐蝕速度呈不規則性，腐蝕速率仍是減弱的趨勢，第三區間的腐蝕速率也是在逐漸變小，趨于平緩。

2.1 第一區間模型的驗證

由于第一區間的時間較短，取一年后的壁厚數據進行驗證，對2個不同腐蝕深度的數據進行擬合比較。圖1為彎管段腐蝕深度與使用時間的變化，圖2為彎管段的腐蝕深度與使用時間的變化。由圖1和圖2可以看出，線性擬合方程的關系數約為1，兩段的腐蝕深度與使用時間均呈較好的線性關系，符合腐蝕初始階段的線性規律。對彎管和直管的測量數據進行擬合：y=0.4424x+0.007，R2=0.992 0（彎管段），y= 0.379 4x+0.004，R2=0.997 0（直管段）。

表1 加熱爐使用時間與腐蝕深度

圖1 彎管段腐蝕深度與使用時間的變化

圖2 彎管段的腐蝕深度與使用時間的變化

2.2 第二區間模型的驗證

從數學模型可知道，第二區間的腐蝕符合多項式規律，對檢測的彎管和直管段的數據進行擬合，擬合如圖3和圖4所示。并將測得的腐蝕厚度與使用時間的數據進行擬合，從擬合的關系曲線可以看出，在第二區間，腐蝕的垢層厚度符合多項式規律，腐蝕規律進入第三區間的時間大約為5~8a，腐蝕速率變為緩慢的階段。

圖3 第二區間的彎管段腐蝕厚度與使用時間的變化

圖4 第二區間的直管段腐蝕厚度與使用時間的變化

2.3 第三區間模型的驗證

第三區間的數學模型也是符合線性規律，對腐蝕層厚度與使用時間進行擬合，擬合方程的相關系數也都接近于1，符合腐蝕后期階段的線性規律，根據測量到的數據，彎管和直管在8a左右呈現較好的線性關系，彎管的腐蝕速度也稍大，從三個區間來看，第三區間的腐蝕速度要小于第一區間的腐蝕速度。

3 結論

對加熱爐的腐蝕情況進行測量，根據腐蝕過程的三個理想化區間建立數學模型，分別對3個區間進行數學推導和曲線擬合，并結合檢測數據進行驗證分析，得到加熱爐的腐蝕規律。

1）腐蝕前期為第一區間，其腐蝕深度與使用時間呈線性關系，第二區間為腐蝕中期，呈多項式變化關系，腐蝕后期也為線性變化，但是腐蝕速度相對于第一區間較慢；

2）加熱爐的彎管段的腐蝕程度要比直管段的腐蝕程度更為嚴重，直管段和彎管段的厚度變化復合數學模型推導規律。

3）針對加熱爐的防腐蝕，加入緩蝕劑可以減少對設備的腐蝕，同時保持對加熱爐腐蝕情況的監測，利用加熱爐腐蝕的規律預測設備腐蝕可能發生的情況，以便能及時的對設備進行維護，保證加熱爐的安全運行。

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Study on Corrosion Behavior of Heating Furnace in Gas Gathering Station

LIU Yi-zhen

Aiming at the furnace gas gathering station increase with time and prone to corrosion leaks，to measure the corrosion of the gas gathering station heating equipment，calculate the corrosion rate，corrosion degree of analysis，establish the mathematical model according to the corrosion process，and verify.The results show that the corrosion early for the first interval，there is a linear relationship between the corrosion depth and corrosion time，middle variation polynomial，corrosion period is also linear change，but the corrosion rate more slowly；the degree of corrosion of the pipe section of the heating furnace is more serious than that of the corrosion degree of straight pipe，straight pipe and elbow the thickness change of the composite mathematical model of law.

heating furnace；corrosion；mathematical model

TE977

B

1003–6490（2017）05–0130–02

2017–04–04

劉藝臻（1992—），男，陜西渭南人，助理工程師，主要從事采氣設備維護工作。