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?腐蝕監檢測技術在石油石化工業中的應用

2022-08-23 15:27:55 作者：涂料工業來源：涂料工業分享至：

0 引言

目前，全球原油品質呈現下降趨勢，相較于國外原油，我國的原油更呈現多樣化、劣質化的特點。為了降低成本，國內許多煉化企業開始加工高硫、高酸等劣質原油，給煉油裝置帶來了嚴重的安全隱患。劣質原油中腐蝕介質大致可分為硫化物、環烷酸、氮化物、有機氯等。在原油的開采、運輸和加工過程中，還常常加入含氯助劑。在生產過程中，部分物質可能會轉化為硫化氫、二氧化碳、氰化物、鹽酸、氨、有機酸和連多硫酸等腐蝕性物質，為裝置帶來巨大隱患。

為了掌握裝置、管線的腐蝕情況，多種監檢測方法被應用于石油石化工業，定性或定量監測設備、管線腐蝕的發生、發展過程，借此調配助劑、優化工藝防腐，并能夠及時發現安全隱患，預防安全事故，提升科學化管理水平。本文介紹了幾種重要的監檢測技術特點，并對未來技術發展趨勢進行了預測。

1 超聲波技術

1.1 超聲波測厚

超聲波測厚是一種無損檢測技術，是目前最廣泛應用的材料厚度檢測方法。它可以直接反應設備管線的實際厚度值，判斷設備管線的減薄情況。

目前比較廣泛使用的一般是脈沖式超聲波測厚儀，頻率一般在1~5 MHz。其原理是將在壓電晶體制作的探頭上施加電脈沖信號，使其發生強烈的振動產生超聲波。超聲波經過延遲塊和耦合劑到達被測試件表面，部分反射回接受晶片；剩余部分超聲波在工件內遇到缺陷或分界面時反射回來。通過兩次反射波的時間差與聲速計算即可得到工件厚度。由于超聲波在不同材料中的傳播速度不同，在對不同材料進行測厚時，需要分別校準聲速。

圖 1 超聲波測厚儀的原理

隨著技術的發展，超聲波測厚的應用更加廣泛，測厚溫度范圍更大。經過處理后的測厚數據能夠較好地反映裝置、管線剩余壁厚，可定量地分析其腐蝕狀態，進行剩余壽命評估，對運行狀態監測和安全生產，以及安排檢修提供參考。

超聲波測厚的缺點是其測量結果受儀器靈敏度、試件表面狀態的限制，需要在試件表面涂抹耦合劑來保證測量效果。同時，手工測量也難以測量結構復雜和高空的部位。特別是溫度>300℃的設備管線，表面處理難度較大，對于檢測人員還存在一定危險性。為了解決這些問題，在線定點測厚系統得到了應用。中石油某公司選用了基于物聯網的自動在線定點測厚系統，由帶無線數據傳輸的測厚儀、無線網關、無線中繼器和管理軟件構成，可測量-100~600℃的設備管線，實現了在線定點測厚、數據錄入和管理的自動化，節省了人力，減小了錯誤出現幾率，有力保障了設備安全運行。燕山某煉油廠采用英國Permansense在線超聲測厚系統，在蒸餾裝置安裝了22個超聲波傳感器，配合網關和診斷分析軟件，穩定運行一年，未發生故障，僅需每3到4年在電池壽命到期時更換新電池，大大減少了維護成本。

1.2 超聲導波技術

超聲導波檢測系統通常由探頭、導波激勵單元、導波接收單元和檢測信號處理單元構成。使用時，將探頭以陣列環繞安裝在管道特定部位，由導波激勵單元產生導波信號并將其放大，施加在探頭上產生導波。導波在管壁中傳播，管道的不連續處和形變處會引起導波傳播速度的變化，產生相應回波射信號。對其進行提取、分析便可判斷被測物體的損傷情況，確定缺陷的位置和尺寸。

圖 2 超聲導波的傳播示意圖

與傳統超聲波技術相比，超聲導波具有以下優點：（1）常用的導波頻率范圍大約是20~100 kHz，頻率較低，沿傳播路徑衰減很小，在理想的管道檢測中可以一次檢測百米以上，克服逐點掃描法的缺點，降低檢測成本；（2）不需要耦合劑，也不需要對接觸表面進行特殊處理；（3）可以檢測難以接觸的管體部位，如管道占壓、穿越區域，或是管道缺陷的高發區域。

超聲導波檢測技術同樣也存在一定局限性：（1）檢測頻率必須事先由實驗得到；（2）無法對某一部位進行精確測量，不能反映管道的真實殘余壁厚；（3）對環向缺陷的檢出率比較高，而對于不超過70%壁厚的縱向裂紋很難檢出；（4）對復雜管道系統檢測結果的解釋有一定難度；（5）瀝青等外敷層會影響回波信號，減少檢測距離。

超聲導波檢測技術目前在國內已經得到了一定應用：勝利油田[13]使用與清華大學聯合設計研發的電磁超聲導波檢測儀對某長輸原油管道進行了全面檢測，檢測結果與現場檢驗的驗證符合率達86.7%。通過預埋地下的長期監測探頭，能夠解決超聲導波檢測反復開挖的缺點，節約了成本。渤海某油田使用MsS（磁致伸縮式傳感器）超聲導波檢測技術對管線進行了腐蝕檢測，兩次不同位置、不同頻率的檢測結果均顯示同一位置存在腐蝕情況，拆保溫后發現減薄超3%的區域，驗證了檢測結果。

2 腐蝕掛片在線監測技術

腐蝕掛片檢測是一種有損檢測，既可安裝在運行裝置設備的具體部位；在一段時期內檢測該設備管線的腐蝕情況，也可用于實驗室模擬腐蝕環境，具有操作簡單，數據可靠性高等特點；也可作為設備和管道選材的重要依據。腐蝕掛片法可同時對多種材料、多種環境進行測試。掛片可直接安裝在具有代表性的工藝流程中，也可安裝在特定旁路中，并根據需求改變工況條件。按照形狀不同，腐蝕掛片一般分為條形掛片、棒狀掛片、圓盤狀掛片等等。實際在應用中，可根據需求加工成各種形狀。掛片一般需要借助懸掛件安裝，常見的懸掛件有螺紋連接懸掛件、法蘭懸掛件、帶壓拆裝式懸掛件。

由腐蝕掛片的質量損失可計算平均腐蝕速率：

其中，CR為腐蝕速率，mm/a；W為質量損失，g；A為腐蝕掛片暴露在腐蝕環境中的面積，m2；T為暴露時間，a；D為掛片金屬的密度，g/cm3。

由腐蝕掛片的質量損失可以計算出其放置期內的平均腐蝕速率，也可以測量坑的深度來計算點蝕速率，觀察點蝕的性狀還能判斷腐蝕的類型。另外，通過垢樣分析可以判斷結垢類型，并采取相應阻垢措施。

腐蝕掛片監測的缺點在于操作周期稍長，所測得的數據為裝置設備在一段時間內的平均腐蝕速度，不能反映設備在某一點的腐蝕速度，因此無法用于實時在線分析。掛片本身的成本較低，但是掛片的安裝、處理都需要耗費一定時間。所以腐蝕掛片監測需與其他監檢測方法聯用，監測設備選材和工藝防腐措施的應用效果。

長慶油田采用環狀掛片，對腐蝕結垢相對嚴重的24座采出水回注站進行了腐蝕監測，結果顯示，管線結構對局部點蝕影響很大：隨著結垢程度的增加，點蝕變得明顯嚴重。

3 在線探針

在線探針因其能夠提供實時、連續的腐蝕監測數據的優點逐漸成為現代檢測技術的主要發展方。按探針類型的不同，可分為pH探針、離子探針、電阻探針、電感探針和線性極化探針等等。通常一套在線探針腐蝕監測系統由腐蝕探針、數據采集器、變送器和數據處理系統等組成，腐蝕探針安裝在工藝管線或設備上，得到與腐蝕速率相關的模擬信號，經變送器轉換為數字信號并傳送至計算機，處理后即可分析數據。借助在線探針，可以獲取生產工藝信息與設備運行狀態的關系，及時調整工藝參數，保證設備的正常運行。

3.1 pH探針

通常情況下，酸堿值與溶液的腐蝕性息息相關，因此對于石油石化行業中pH分析顯得尤為重要。pH電極就是一種能將溶液中氫離子活度轉換為電位信號的傳感器。傳統玻璃電極結構如圖3所示，主要由以下幾個部分組成：（1）敏感玻璃薄膜，能將待測溶液中的離子濃度轉變為電位信號；（2）內參比體系，可以傳導電位信號，由內部測量電極和內部緩沖溶液構成；（3）導線，將內導體系傳導的電位信號饋送到儀器；（4）外參比體系，測量電極電位；（5）殼體，一般采用高絕緣、化學穩定性好的材料制成。當pH電極浸入待測溶液中時，在pH敏感玻璃薄膜的兩側因H+濃度不同將形成電位差，由測量電極導出。經過計算和溫度補償即可得到待測溶液的pH。為了應對更為復雜的工業環境，針對不同工藝條件固態玻璃電極、非玻璃型pH電極被開發出來，極大地豐富了探針應用范圍。

圖 3 pH 電極的基本結構

3.2 電阻探針

金屬絲在腐蝕介質中發生腐蝕后長度不變而直徑減小，截面積減小使得電阻增大。通過測試電阻絲電阻的變化即可換算直徑變化量，進而計算出腐蝕速率。當所用金屬絲的材質與所測量設備的材質相同時，就可用金屬絲的腐蝕率近似地代表設備的腐蝕率：這就是電阻探針（ER）測試技術的基本原理。由于電阻易受溫度的影響發生變化，通常會在電阻探頭內串聯一個溫度補償元件以消除其影響，從而減小測量誤差。按照使用溫度的區別，電阻探針可分為低溫電阻探針和高溫電阻探針，分別適用于0~260 ℃和0~450 ℃；根據探針形狀，可分為絲狀探針、片狀探針和管式探針等，因靈敏度較高，一般多采用絲狀探針。

與腐蝕掛片相同，電阻探針可適用于液相、氣相等各種介質，但響應更快。且測量過程與工藝物料的導電性無關，原理直觀。電阻探針的缺點是數據波動較大，試件加工較嚴格，另外，測量結果會受導電的腐蝕產物（如硫化鐵）影響。

4 漏磁檢測

漏磁檢測（MFL）使用漏磁通原理：利用設備對被測件進行飽和磁化，在其內部產生磁場。當存在缺陷時，會導致缺陷處附近的磁場發生畸變，部分磁力線將穿出試件產生漏磁，通過磁敏探頭檢測漏磁場就可以發現管道缺陷。

圖 4 漏磁檢測示意圖

漏磁檢測不僅可以發現表面和近表面的缺陷及其尺寸，且具有非接觸特性、檢測速度快、成本低的優點，適用于生產期間的在線檢測。但由于不接觸被測試件表面，不可避免的存在提離值，減小了磁場強度；而涂層的存在也會降低檢測靈敏度。另外，漏磁檢測一般不適用于形狀復雜的構件。

5 紅外熱成像

自然界中溫度超過絕對零度（-273 ℃）的物體都會因分子的熱運動向外輻射電磁波，其中紅外線的波長在0.72~1000 μm之間。紅外熱成像監測是利用熱感應相機的紅外成像技術，通過光學元件將物體發射的紅外輻射聚集到探測器上，將其轉換為電信號，進而處理成可見圖像，在顯示屏上以灰度差或偽彩色的形式反映出被測物體表面溫度的分布。

在石化行業，由于生產需要，許多設備管線是在高溫條件下運行的，當出現保溫脫落、腐蝕減薄等情況，表面熱分布會出現異常。通過對溫度分布的分析，可以監測反應器、加熱爐、管線、散熱器等設備運行狀況，評價襯里損傷和保溫效果，預測設備的運轉情況，同時可以指導檢修，增加檢測的預知度。如圖是工作人員使用福祿克Ti300便攜式熱像儀拍在煉廠拍攝的管線和空冷管的熱成像圖，可以看到局部區域溫度異常（顯示為紅色），可能發生了腐蝕減薄。