煉化裝置腐蝕監測分析系統設計*

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(1.北京化工大學，北京100029; 2.蘭州石化公司研究院材料防腐研究所，甘肅 蘭州 730000)

隨著進口原油的數量增加，加工高硫高酸原油已經成為國內煉化企業的常態。原油品質的劣化對煉化裝置的安全運行影響極大。為了科學合理地控制煉化裝置的腐蝕問題，部分煉化企業對腐蝕較為嚴重的裝置進行在線監測，但卻未能對整個煉化企業實現有效管控[1]。針對廠區內所有煉化裝置建立了綜合性腐蝕監測系統，該系統實現了集數據審核、數據儲存、腐蝕預警及剩余壽命預測等功能于一體的綜合管理。有效地實現了對煉化裝置腐蝕狀況的動態管理，減少了企業因腐蝕造成的巨大經濟損失。

1 腐蝕監測系統發展需求

近年來，國內石化行業已經開始對個別腐蝕較為嚴重的裝置建立了相應的腐蝕監測系統，并開展了煉油裝置的腐蝕診斷及可靠性評估方面的技術研究工作[2]。其中國內相關研究機構在腐蝕監測與防護領域研制出了許多腐蝕監測產品和對應的監測軟件，如CR-1000監測軟件已經在國內許多煉化企業使用，基于FSM管道內外腐蝕監測系統也已應用于新疆某油田管道上[3]，這些監測軟件實際運行效果也比較理想。但國內的腐蝕監測基本只針對個別裝置，腐蝕監測的功能大多處于離散狀態，無法實現統一管理[4]。因此對于國內的煉化企業來說，需要一個綜合性的腐蝕監測管理系統來實現對全廠煉化裝置的管理。為了滿足這一需求，提出了建立全廠煉化裝置腐蝕監測系統的方案，設計了獨立的網絡架構和配套的業務流程,形成了具有化學分析、定點測厚及在線監測等功能的統一管理體系[5]。

2 腐蝕監測系統方案設計

2.1 腐蝕監測系統網絡架構

腐蝕監測系統數據網絡架構主要為5個層級，從低到高分別為人工級、裝置級、車間級、公司級以及企業級。每個層級有其對應的功能:人工級主要為化學分析數據取樣以及定點測厚人工檢測；裝置級主要是各裝置化學分析、定點測厚、在線監測等數據收集與分析；隨后通過網絡將裝置數據傳輸至各車間總服務器，車間總服務器對數據做出相應甄別；將甄別后的數據傳輸至各公司總部，所有公司匯總數據傳輸至中國石油總部，完成整套數據傳輸的網絡架構，見圖1。

2.2 腐蝕監測系統業務流程

為保證獲取數據的可靠性和完整性，系統中設立了一套獨立的審核流程。該審核流程主要為5步審核:第1步，數據采集人員進行數據采集并上傳至系統；第2步，系統依據管理等級，建立具有獨立審核數據權限的賬戶(特殊權限賬戶見圖2)，由指定人員通過賬號進入系統,對上傳的數據進行審核；第3步，審核通過后數據將上傳至各裝置總數據庫，由相應數據分析人員進行分析；數據分析完成后將由裝置負責人上傳至車間數據庫；第4步，隨后通過車間負責人再次審核，審核通過后上傳至廠級數據庫；最5步，由廠級負責人將整個公司的數據上傳至中國石油總部，完成整套監測系統審核任務。其業務流程圖見圖3。

圖1 腐蝕監測系統平臺數據網絡架構

圖2 特殊權限賬戶

2.3 腐蝕監測系統模塊設計

該系統主要由兩個模塊組成:一是系統結構模塊，二是系統功能模塊。

系統結構模塊見圖4。該模塊主要包含裝置信息錄入及相關信息綜合管理。設備的基礎資料可以通過4種方式在系統中查詢，其中包含：設備原始信息查詢、多條件查詢、設備類別查詢以及行政管理權限查詢。

圖3 業務流程

系統功能模塊見圖5。該模塊主要包含9大功能模塊，其中4大核心模塊為化學分析、定點測厚、在線監測和在線測厚。同時還有監測點管理、管道趨勢分析、剩余壽命預測及腐蝕預警等相關輔助功能。

圖4 系統結構模塊

2.3.1 監測點統計模塊

監測點總量統計中包含有公司名稱、監測點總量統計及相應公司接入的IP地址等。這是為了顯示系統中錄入的各石化公司的所有監測點數量以及具體位置，以便于快速了解各石化公司所有裝置腐蝕監測點的分布情況。

根據系統功能需求的不同,層級劃分也有所不同,見圖6。化學分析功能主要分為4個層級：第1層級為公司級(AA石化)；第2層級為車間級(常減壓聯合車間)；第3層級為裝置級(5.0 Mt/a常減壓裝置)；第4層級為化學分析級(初餾塔塔頂冷凝水)。定點測厚與在線監測均為5個層級，將原第4層級改為管線級，第5層級增加探針級即可。

圖5 系統功能模塊

圖6 化學分析層級(左)和在線監測層級(右)

2.3.2 腐蝕監測模塊

腐蝕監測模塊主要包含3大核心功能模塊，分別是化學分析模塊、定點測厚模塊以及在線監測模塊。

(1)化學分析模塊。點擊頁面中的化學分析按鈕，進入公司所監測的車間信息表，每個車間后附有該車間被監測裝置信息；任意點擊一臺裝置，進入該裝置的化學分析表，分析表中所包含項目主要有測量日期、pH值、氨氮含量、鐵離子含量、硫含量、氮化物含量以及檢測樣品的性質(肉眼可見的顏色以及渾濁程度)；表內數據一經導入會自動根據預先設定的閾值進行判斷(鐵離子質量濃度大于3 mg/L或者pH值不在7至9.5之間)，存在腐蝕可能的測量數據會被標記顯示，作為警醒。系統還支持下載數據模板、批量上傳以及系統數據下載功能。下載模板是下載系統預設好的化學分析表，檢測數據填寫完畢后可以利用批量上傳功能直接將數據上傳，通過審核后進入系統。同時也可以點擊數據下載來選擇需要的數據進行導出，該系統會保存所有上傳的數據，這有利于實現大數據分析。

(2)定點測厚。點擊相應按鈕進入設備被監測管線信息表，其中包括有隸屬裝置、隸屬管線及管線名稱等信息，并在下方附有測厚部位的基本信息表，表中包括有測厚部位ID、測厚頻次及初始壁厚等信息。點擊管線信息表中的任意一根管線，進入該管線的腐蝕速率計算頁面(計算全部在系統后臺進行，只需填寫關鍵數據即可)。其中,根據腐蝕嚴重程度用不同顏色進行標注，輕度腐蝕用淺綠色，中度腐蝕用淺藍色，重度腐蝕用黃色，嚴重腐蝕用紅色。同時系統還支持生成腐蝕月報功能。腐蝕速率及剩余壽命計算公式如下：

(1)

式中：St——短期腐蝕速率，mm/a；

tprevious——同一位置上前一次測量的實際厚度，mm；

tactual——同一位置上測量的實際厚度，mm；

ys——tprevious與tactual之間的時間，a。

(2)

式中：Lt——長期腐蝕速率，mm/a;

tinitial——原始壁厚，mm;

y1——時間，a。

(3)

式中：T——平均腐蝕速率，mm/a;

Δt——為腐蝕減薄量，Δt=tinitial-tactual,mm。

(4)

式中：RL——剩余壽命，a;

trequired——要求壁厚又稱極限壁厚，mm。

極限壁厚由設計公式(如壓力和結構)對測量位置計算的厚度決定。具體為以下3項數值的最大值(以下3個方法計算出的極限壁厚，系統會自動比較大小，取最大值保留為有效值)。

①按D0/150確定管子的極限壁厚，D0為管子外徑，單位為mm。

②符合表1規定的極限壁厚。

表1 根限壁厚

③由公式(5)確定計算厚度。

(5)

式中：ts——計算壁厚(極限壁厚,mm);

pc——設計壓力，MPa;

Do——管道外徑，mm；

[σ]t——設計溫度下的材料許用應力；

φ——焊縫系數，查表可得；

Y——溫度對計算管子壁厚公式的修正系數，當ts

(3)在線監測。該模塊主要是利用電感探針進行在線測量腐蝕速率[6]。因為數據實時上傳，所以系統預設每天下午四點半上傳的數據作為當天的腐蝕速率。在計算短期腐蝕速率時，系統默認時間為一個月，所以每隔一個月系統會自動計算短期腐蝕速率。該系統的短期腐蝕速率計算則對于腐蝕突變有很強的預告性，這是減少整個企業經濟損失的一個重要保證。

2.3.3 報警管理模塊

該模塊主要包含3個功能，分別為化學分析報警、定點測厚報警以及在線監測報警。由于在線監測報警與定點測厚報警屬于同類，因此僅選取定點測厚報警進行介紹。

(1)化學分析報警。點擊化學分析報警值按鈕，進入化學分析報警值頁面。頁面中顯示了自系統監測以來各裝置所有存在問題的報警值，包括日期。鐵離子含量等相關化學分析參數的值。可能存在腐蝕數據統一進行標記并預警提示。

(2)定點測厚報警。報警等級主要分為4級，并用不同顏色進行標記，由低到高剩余壽命依次減少，顏色分別為綠色、藍色、黃色和紅色。通常1到3級以內的報警會提示但不需人工操作解除報警；當系統識別到4級報警時，會自動提示并將報警情況保留在工作日志中，同時需要人工操作才可以解除報警。報警主要由腐蝕速率和剩余壽命決定，二者為并集關系，只要一方達到要求即可。具體要求如下：1級報警為腐蝕速率小于 0.1 mm/a時；2級報警為腐蝕速率在0.1～0.3 mm/a或剩余壽命在1.5～2 a之間時；3級報警為腐蝕速率在 0.3～0.5 mm/a或剩余壽命在1～1.5 a之間時；4級報警為腐蝕速率大于 0.5 mm/a或剩余壽命小于1 a時。

2.3.4 趨勢分析模塊

趨勢分析主要是指化學分析、趨勢圖分析以及測厚趨勢圖分析。

對不同車間的不同裝置的腐蝕介質進行化學分析取樣，取樣分析所得數據由人工錄入。通過一系列審核流程，最終有效值被錄入系統。系統根據數據自動關聯生成相關數據趨勢圖，便于直觀監測設備內介質各項化學物質含量，對可能存在腐蝕的數據及時作出反饋。

定點測厚趨勢分析主要分為兩塊，第1塊主要依據木桶原理。系統根據錄入的數據，自動篩選出每根管線不同部位、不同測點的最小減薄點，篩選完成后系統自動關聯生成最小減薄點與極限壁厚的對比柱狀圖，便于直觀了解最危險點的腐蝕減薄情況；第2塊為管線內部測厚部位趨勢圖，該圖包括極限壁厚與所測部位壁厚減薄曲線圖，便于總結所有測點壁厚情況。

3 結 語

(1)針對煉化裝置進行了腐蝕監測系統分析設計，自主開發了系統的網絡架構和獨立的業務流程,形成具有化學分析、定點測厚及在線監測等功能的統一管理體系。

(2)該腐蝕監測系統的功能基本涵蓋了煉化裝置腐蝕監測所需要的所有功能，實現了集數據審核、數據儲存、腐蝕預警及剩余壽命預測等多項功能于一體的綜合管理體系。

(3)應用所建立的煉化裝置腐蝕監測系統，不僅能夠及時監測煉化裝置腐蝕情況，還會大大減少腐蝕所帶來的損失。這也填補了全廠腐蝕監測系統的空白，實現了煉化裝置的一體化綜合管理和控制。