油氣站場工藝管道智能化監(jiān)控技術(shù)的研究與應用

陳敏，湛立寧，盧俊文，周璐璐，王肖逸，吳婷

河北省特種設備監(jiān)督檢驗研究院唐山分院（河北唐山 063000）

0 引言

油氣站場作用是對原油中的油、氣、水進行三相分離和凈化處理，從而獲得合格的原油、天然氣、穩(wěn)定輕烴和液化石油氣。由于原油中含有硫化物、環(huán)烷酸、氯化物等腐蝕介質(zhì)和采油注入的CO2，而工藝管道均為金屬材質(zhì)，故腐蝕破壞一直是影響管道長周期運行的主要因素，管道腐蝕失效占站場失效事故的35%[1]。為保證管道長周期運行，對站場工藝管道進行智能化監(jiān)控，建立數(shù)字化管道數(shù)據(jù)庫，采用在線腐蝕監(jiān)測技術(shù)是常用方法之一[2]。目前通常采用的是掛片監(jiān)測、腐蝕探針監(jiān)測等方法，但這些監(jiān)測技術(shù)有一定局限性。例如，腐蝕探針監(jiān)測需要在管道上開孔安裝，不適合在高溫、高壓部位使用，只能監(jiān)測均勻腐蝕速率，無法監(jiān)測局部腐蝕；掛片監(jiān)測也需在管道上開孔或設置旁路，拆裝較困難，每半年或一個停工周期采集一次數(shù)據(jù)，導致監(jiān)測數(shù)據(jù)滯后[3]。而在線測厚技術(shù)能夠?qū)崟r反映管道腐蝕狀態(tài)，且電磁超聲探頭無需和管道外壁接觸，其最大提離高度可達6 mm，最高使用溫度600 ℃，無需耦合劑即可完成測厚，彌補了傳統(tǒng)腐蝕監(jiān)測的局限性[4]。

在線電磁超聲測厚原理是鐵磁性材料在外磁場作用下產(chǎn)生磁致伸縮效應，使其磁化強度矢量與外磁場方向平行，磁疇長度發(fā)生微小變化，借助激勵線圈中的交變電流產(chǎn)生交變磁場，在磁場作用下產(chǎn)生超聲波；而磁致伸縮效應是可逆的，在外力作用下或尺寸變化時，產(chǎn)生逆磁致伸縮效應，伴隨產(chǎn)生感應電場，兩種伸縮效應產(chǎn)生的電磁振動耦合在一起，形成電磁超聲，根據(jù)電磁超聲橫波反射時間差來計算管道壁厚[5]。

某油氣站場（以下簡稱試驗站場）工藝管道采用了智能化監(jiān)控技術(shù)，在該站場壓力管道安裝監(jiān)檢中，與建設單位、施工單位一起進行了數(shù)據(jù)采集和分析，建立了管道完整性管理系統(tǒng)和腐蝕檢測平臺，投用3年期間發(fā)現(xiàn)多處腐蝕缺陷，均做出了正確處理，保證了裝置的長周期運行。

1 數(shù)字化管道數(shù)據(jù)庫

管道施工資料應伴隨其全生命周期，紙質(zhì)竣工資料長期保存期間，圖紙可能存在丟失、掉色、損毀等問題，且紙質(zhì)竣工圖查閱效率較低，為保證管道全生命周期內(nèi)數(shù)據(jù)信息完整及可追溯性，建立數(shù)字化管道數(shù)據(jù)庫非常必要[6]。管道建設不同階段分別采集數(shù)字化信息，為此開發(fā)了兩個數(shù)字信息管理系統(tǒng)，分別是建設期和運行期完整性管理系統(tǒng)，重點分別放在建設期施工數(shù)據(jù)和運行期腐蝕防護數(shù)據(jù)管理方面。

建設期完整性管理系統(tǒng)主要收集竣工資料，包括電子版施工圖和管道設備規(guī)格表，必須保證電子數(shù)據(jù)和紙質(zhì)數(shù)據(jù)一致[7]。采購階段賦予每根鋼管和管件二維碼標識，施工階段通過二維碼記錄安裝位置、時間、作業(yè)人員等信息，且賦予每道焊口唯一編號。竣工后采用自動繪圖技術(shù)完成電子版單線圖繪制，單線圖中應包含管道走向和坐標位置、標高、長度和管道元件位置；并且將管材規(guī)格、管件規(guī)格、焊口位置、施焊人員、焊接工序、焊接時間、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)錄入單線圖附件，同時將無損檢測底片掃描上傳至建設期管理系統(tǒng)，且射線底片和焊口相對應，便于隨時查閱和永久保存。在單線圖中將管道彎頭、閥門、三通、變徑、焊口等位置作為關(guān)鍵點管理，單擊某個關(guān)鍵點，即可顯示該點對應參數(shù)[8]。

運行期完整性管理系統(tǒng)主要收集介質(zhì)組分含量、工藝運行數(shù)據(jù)、檢驗維護記錄等信息。管道投用后，將管道運行參數(shù)錄入運行期管理系統(tǒng)，包括運行壓力、溫度、介質(zhì)組分、介質(zhì)流速等，每3個月更新一次數(shù)據(jù)，將實際運行期間各參數(shù)均值錄入，直至1 年后形成完整的運行數(shù)據(jù)庫，同時錄入運行期間管道腐蝕數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)作為運行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，當管道運行出現(xiàn)異常時和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行比對。

2 腐蝕監(jiān)測平臺

在建設期完整性管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，管道投用后建立并逐步完善運行期管理系統(tǒng)，由于運行期管理系統(tǒng)大部分為動態(tài)數(shù)據(jù)，尤其是介質(zhì)中各組分含量和壁厚減薄數(shù)據(jù)，為此建立腐蝕監(jiān)測平臺，通過在線測厚數(shù)據(jù)和介質(zhì)組分化學分析數(shù)據(jù)來監(jiān)控管道腐蝕狀態(tài)。在線測厚監(jiān)控流程如圖1所示。

圖1 在線測厚監(jiān)控流程

2.1 在線測厚裝置

2.1.1 裝置組成

在線測厚裝置由測厚傳感器、無線網(wǎng)關(guān)、主服務器組成，測厚傳感器采用卡箍方式固定在管道外壁的監(jiān)測部位，測厚數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸給網(wǎng)關(guān)，每個網(wǎng)關(guān)控制的傳感器數(shù)量不超過7個，網(wǎng)關(guān)與傳感器的距離不超過400 m，網(wǎng)關(guān)通過局域網(wǎng)向主服務器傳遞數(shù)據(jù)，控制終端通過訪問主服務器，可以將數(shù)據(jù)納入運行期管理系統(tǒng)，通過腐蝕監(jiān)測平臺與數(shù)字化管道數(shù)據(jù)庫比對，計算出管道腐蝕速率和剩余壽命，在線測厚裝置組成如圖2所示。

圖2 在線測厚裝置組成

在測厚傳感器中，通過向電磁鐵發(fā)送脈沖電流，在電磁鐵周圍產(chǎn)生交變磁場，從而在被測工件趨膚層內(nèi)感應生成渦流，在交變磁場作用下產(chǎn)生洛倫磁力，導致工件金屬晶格發(fā)生彈性振動并產(chǎn)生超聲波，電磁超聲橫波在工件內(nèi)來回反射，同時線圈可以感應到回波信號，由兩次相鄰回波信號的時間間隔即可得出工件厚度。電磁超聲測厚傳感器如圖3所示。

圖3 電磁超聲測厚傳感器

2.1.2 選定測厚部位

試驗站場設計有油氣集輸、天然氣凈化、硫磺回收、凝析油處理和天然氣增壓等裝置，是工藝較為完整的酸性氣田處理廠，負責處理上游單井開采的高含硫油氣介質(zhì)。工藝管道包括含水油管道、凈化油管道、濕天然氣管道、干天然氣管道、采暖伴熱管道、排污油水管道、放空管道等，站內(nèi)管道均采用地面鋪設方式。油田伴生氣中含有水、硫化氫、二氧化碳等腐蝕性介質(zhì)，易在管道內(nèi)壁發(fā)生腐蝕失效[9]。

為真實反映管道腐蝕狀態(tài)，在線測厚應選出有代表性的腐蝕監(jiān)測部位和測厚點，考慮各方面影響因素，試驗站場管道腐蝕監(jiān)測部位見表1。

表1 試驗站場管道腐蝕監(jiān)測部位

從表1 中可以看出，在線測厚部位均為管道的彎頭、三通、直管段低點及設備進出口部位。優(yōu)選出測厚部位后，進一步確定測厚傳感器安裝位置即在線測點，選擇測厚部位剩余壁厚最薄的那一點作為在線測點，才能反映管道的腐蝕趨勢。為確定在線測點位置，采用電磁渦流技術(shù)對監(jiān)測部位進行面掃查，對掃查結(jié)果中壁厚最薄區(qū)域，采用離線測厚找出壁厚最薄點作為在線測點。

2.1.3 裝置精度測試

為測試在線測厚結(jié)果的精度，在線測厚傳感器安裝前，采用人工測厚方法對在線測點進行測厚，并記錄測厚結(jié)果。在線測厚裝置安裝完畢，于投用前調(diào)試期間記錄在線測厚數(shù)據(jù)，與人工測厚數(shù)據(jù)比對，計算出在線測厚的相對誤差，計算公式如式（1）：

式中：W為在線測厚相對誤差，%；δr為人工測厚值，mm；δZ為在線測厚值，mm。

平均誤差計算公式如式（2）：

式中：ΔW為平均誤差，%；δb為平均厚度，mm；δa為公稱壁厚，mm。

依據(jù)式（1）和式（2）計算的在線測厚誤差見表2。

表2 在線測厚誤差統(tǒng)計表

從表2 中可知，在線測厚與離線測厚相對誤差最大值為3.27%，在線測厚平均誤差最大值為2.86%，滿足智能化監(jiān)控技術(shù)的精度要求，可用于在 線監(jiān)測。

2.1.4 裝置安裝

確定了在線測厚部位及在線測點后即可安裝測厚傳感器，為保證高溫狀態(tài)或表面粗糙狀態(tài)下能夠測量管道壁厚，測厚傳感器探頭與管道外壁保持6 mm 垂直距離（即探頭提離高度6 mm），傳感器與管道外壁的接觸面用永久磁鐵制作，將傳感器吸附在管道外壁測點后，再用管箍方式將其固定。將9個測厚部位分成兩組，在每組的中心區(qū)域各安裝一個網(wǎng)關(guān)，再通過局域網(wǎng)將網(wǎng)關(guān)與主服務器連接，然后即可進行調(diào)試工作，在線測厚傳感器安裝如圖4所示。

圖4 在線測厚傳感器安裝示意圖

2.2 化學分析

通過對管道內(nèi)流通介質(zhì)和腐蝕產(chǎn)物化學分析，可以間接了解管道腐蝕現(xiàn)狀，化學分析包括人工取樣分析和自動監(jiān)測兩種方法，分析項目包括硫含量、鐵離子含量、氯離子、氨氮含量、站場水樣pH 值等。在每個腐蝕回路上設置一個取樣口，每天人工取樣分析一次，將檢測數(shù)據(jù)上傳至腐蝕監(jiān)測平臺。腐蝕監(jiān)測平臺有每個腐蝕回路的信息表，點擊對應的化學分析欄目，即可顯示該腐蝕回路的化學成分數(shù)據(jù)，信息表中包含檢測日期和各項化驗項目數(shù)值，當鐵離子質(zhì)量濃度大于3 mg/L 或pH 值不在7～9.5 之間時，說明處于酸性環(huán)境下的腐蝕產(chǎn)物較多，存在加劇腐蝕的風險[10]。

2.3 腐蝕監(jiān)測平臺建立

腐蝕監(jiān)測平臺由管道完整性管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫、介質(zhì)化學分析數(shù)據(jù)、管道在線測厚數(shù)據(jù)組成。為更好地利用化學分析數(shù)據(jù)監(jiān)測管道腐蝕狀態(tài)，建立pH 值和Fe2+、Fe3+濃度控制表，當兩項化驗結(jié)果的錄入值高于控制標準時，系統(tǒng)自動報警。將管道材質(zhì)、輸送介質(zhì)、運行溫度、壓力相同且相互連接的管道劃定為一個腐蝕回路，通常是指兩個截斷閥之間的管道。由于同一腐蝕回路的腐蝕機理相同，可以按照每條腐蝕回路開展數(shù)據(jù)收集和整合工作[11]。腐蝕監(jiān)測平臺如圖5所示。

圖5 腐蝕監(jiān)測平臺

在線測厚裝置每天自動采集一次數(shù)據(jù)，將采集結(jié)果與數(shù)字化管道數(shù)據(jù)庫中的原始數(shù)據(jù)比對，并自動計算出腐蝕速率和剩余壽命，自動繪制壁厚變化曲線和強度校核，當壁厚小于最小壁厚（極限壁厚）時自動報警[12]。腐蝕速率計算公式如下：

式中：Vs為腐蝕速率，mm/a；δ為實測壁厚，mm；δ0為原始壁厚或上次測量壁厚，mm；y為投用時間，a。

剩余壽命計算公式如式（4）：

式中：Rs為剩余壽命，a；δ1為最小壁厚（極限壁厚），mm。

最小壁厚由以下3 種方法計算，系統(tǒng)自動取其中最大值作為有效數(shù)據(jù)：

1）D0／150 計算的管道壁厚（D0為管道外徑，mm）。

2）由式（5）得出的計算壁厚。

式中：δc為計算壁厚，mm；P為設計壓力，MPa；[σ]t為設計溫度下的材料許用應力，MPa；Φ為焊縫系數(shù)，查表可得；Y為溫度修正系數(shù)，當δ1＜D0／6時，查表可得，反之則按斷裂力學理論確定。

3）按表3選取的允許最小壁厚（ASME標準值）。

表3 管道允許最小壁厚 mm

依據(jù)GB/T 26610.4—2022《承壓設備系統(tǒng)基于風險的檢驗實施導則第4 部分：失效可能性定量分析方法》標準中的失效可能性定量分析方法，分析每個腐蝕回路的材質(zhì)在特定環(huán)境下的腐蝕敏感性，從而評估管道的腐蝕狀態(tài)及使用期限，制定科學可行的檢測計劃[13]。

3 實際應用效果

試驗站場工藝管道經(jīng)安裝監(jiān)檢后，2018 年5 月開始運行，2021 年9 月首次定期檢驗，管道運行3 年期間，腐蝕監(jiān)測平臺共發(fā)現(xiàn)3次腐蝕異常狀況，分別是閃蒸氣壓縮機出口管線、過程氣再熱器出口旁通管線、含硫放空管線，均采取了合理的處置措施。

1）閃蒸氣壓縮機出口管道發(fā)生沖刷減薄現(xiàn)象，其原因是兩臺壓縮機出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，其中一臺壓縮機出口管線介質(zhì)流速較快、操作壓力較高（7.5 MPa），壓縮機運行3 個月后，出口第一個彎頭背面在線測厚值7.72 mm，原始壁厚7.90 mm，腐蝕速率為0.72 mm/a。腐蝕平臺提示預警后，從運行工藝方面進行了改進，杜絕了偏流現(xiàn)象，又運行9 個月后在線測厚值7.53 mm，腐蝕速率降為0.25 mm/a。在線測厚記錄的閃蒸氣壓縮機出口管道壁厚變化曲線如圖6所示。

圖6 閃蒸氣壓縮機出口管道壁厚變化曲線

2）過程氣再熱器至各級反應器連通管線介質(zhì)為高含硫放空氣，管線旁通閥門處于常關(guān)狀態(tài)，游離水沉積于管道底部，硫溶于水后形成酸性腐蝕環(huán)境，加快了管道內(nèi)壁的腐蝕。在線測厚結(jié)果為9.55 mm，原始壁厚9.85 mm，運行時間6 個月，腐蝕速率為0.60 mm/a。腐蝕平臺提示預警后，通過加強原油脫水效果，且在管道最低點加裝排污閥，改造后腐蝕速率降為0.18 mm/a，改造2 年后定期檢驗實測壁厚為9.10 mm。在線測厚記錄的再熱器與反應器連通管道壁厚變化曲線如圖7 所示。

圖7 再熱器與反應器連通管道壁厚變化曲線

3）收球筒旁通位置直管段最低點腐蝕較嚴重，在線測厚結(jié)果為7.55 mm，原始壁厚8.85 mm，運行時間24 個月，腐蝕速率為0.65 mm/a。其原因是流通介質(zhì)中CO2和H2S 含量均較高，且最低點水分無法排除，長期積累過程中與CO2、H2S 形成酸性液體，加劇了管道金屬腐蝕，投用3 年后在線測厚值6.90 mm。停產(chǎn)檢修中對該管段進行了改造，將排污口移裝到管道最低點，改造6 個月后在線測厚值6.74 mm，腐蝕速率降為0.32 mm/a。在線測厚記錄的收球筒旁通管道壁厚變化曲線如圖8 所示。

圖8 收球筒旁通管道壁厚變化曲線

4 結(jié)論

1）智能化監(jiān)控采用在線電磁超聲測厚技術(shù)，通過測厚傳感器、無線網(wǎng)關(guān)、主服務器共同完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸和整理分析工作，在運行狀態(tài)下實時了解管道腐蝕狀況，為智能化管道的完整性管理提供了技術(shù)條件。

2）腐蝕監(jiān)測平臺由數(shù)字化管道數(shù)據(jù)庫、在線測厚數(shù)據(jù)和化學分析數(shù)據(jù)組成，依據(jù)在線測厚數(shù)據(jù)計算管道腐蝕速率和剩余壽命；依據(jù)化學分析數(shù)據(jù)獲知腐蝕介質(zhì)、腐蝕產(chǎn)物含量，從而判斷管道腐蝕趨勢。

3）智能化監(jiān)控技術(shù)在油氣站場應用結(jié)果表明，腐蝕監(jiān)測平臺能夠及時發(fā)現(xiàn)壁厚異常狀況，3 年運行期間，共發(fā)現(xiàn)一處沖刷減薄缺陷、兩處腐蝕減薄缺陷，均提示管理人員做出了正確處理，保證了管道長周期運行。