哈法亞油田CPF3的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

程 明

(1.中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司,成都 610041; 2. 中國石油工程建設(shè)有限公司中東地區(qū)公司，北京 100120)

哈法亞油田屬于“超巨型”油田，位于伊拉克東南部米桑省阿瑪拉市，可采儲(chǔ)量約為41億桶。根據(jù)2010年簽署的《哈法亞油田開發(fā)生產(chǎn)服務(wù)合同》，該油田由以中國石油為首的聯(lián)合作業(yè)體進(jìn)行為期20 a的開發(fā)生產(chǎn)作業(yè)。

2012年6月，哈法亞油田一期竣工投產(chǎn)(年產(chǎn)能500萬t)；2014年8月，二期建設(shè)投產(chǎn)，年產(chǎn)能提升至1 000萬t；2017年5月24日，三期原油中央處理廠(CPF3)及配套系統(tǒng)項(xiàng)目正式開工，建成后實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)能2 000萬t。

哈法亞油田產(chǎn)出油為重質(zhì)高含硫原油，產(chǎn)出水中氯離子含量極高，產(chǎn)出氣中H2S、CO2含量均較高，油田地面生產(chǎn)設(shè)施面臨嚴(yán)重的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)[1]。結(jié)合哈法亞油田一期、二期的建設(shè)及運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，CPF3項(xiàng)目致力于構(gòu)建全面、準(zhǔn)確且實(shí)時(shí)的腐蝕監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，在運(yùn)營中獲取各流程的腐蝕狀況，進(jìn)而優(yōu)化調(diào)整生產(chǎn)工藝和設(shè)備管道檢維修計(jì)劃。

1 腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)簡介

用于油田開發(fā)生產(chǎn)的腐蝕監(jiān)檢測(cè)技術(shù)分為離線檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)兩大類[2]。離線檢測(cè)指在特定時(shí)間段獲取管道、設(shè)備的裂紋或剩余壁厚等腐蝕數(shù)據(jù)，評(píng)估管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。離線檢測(cè)需要定期、定點(diǎn)測(cè)試，具有周期長、不能連續(xù)測(cè)試等缺點(diǎn)。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)時(shí)、連續(xù)獲取管道及設(shè)備不同時(shí)期的腐蝕信息(如腐蝕失重、腐蝕電流等)，以及生產(chǎn)操作參數(shù)(包括加工工藝、腐蝕防護(hù)措施)與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)間相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)，并依此調(diào)整生產(chǎn)操作參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)控制腐蝕的發(fā)生與發(fā)展，使設(shè)備處于良性運(yùn)行狀態(tài)。

常用的離線檢測(cè)技術(shù)包括：腐蝕掛片、超聲波定點(diǎn)測(cè)厚、漏磁檢驗(yàn)、渦流法等。常用的在線腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)包括：電阻探針、線性極化電阻探針、電感探針、交流阻抗探針、電化學(xué)噪聲探針等。

在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，單一的腐蝕監(jiān)測(cè)方法不能滿足用戶的要求，通常需要同時(shí)采用多種方法才能獲得比較準(zhǔn)確可靠的腐蝕監(jiān)測(cè)信息。通過哈法亞油田一期、二期的運(yùn)行實(shí)踐，三期項(xiàng)目腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用電阻探針進(jìn)行在線腐蝕監(jiān)測(cè)，同時(shí)也使用腐蝕掛片、超聲波定點(diǎn)測(cè)厚等離線檢測(cè)技術(shù)。工藝介質(zhì)分析和腐蝕產(chǎn)物分析也十分重要，可以反映出腐蝕發(fā)生的主要原因和腐蝕狀況，與腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)后，可用于預(yù)測(cè)可能發(fā)生的腐蝕及其程度。

2 腐蝕監(jiān)測(cè)方法

2.1 腐蝕掛片

腐蝕掛片法，將相同材質(zhì)的腐蝕掛片直接置于腐蝕環(huán)境中，定期取出掛片測(cè)量腐蝕速率、觀察腐蝕形貌，是一種原始且被廣泛接受的腐蝕監(jiān)測(cè)方法。該方法具有原理簡單、價(jià)格低廉、適用介質(zhì)廣等特點(diǎn)，但監(jiān)測(cè)周期長,通常在1個(gè)月以上。腐蝕掛片監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要用于評(píng)估設(shè)備選材和監(jiān)測(cè)工藝防腐蝕措施的應(yīng)用效果，也可作為其他腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較的基礎(chǔ)。

哈法亞油田CPF3項(xiàng)目選用的腐蝕掛片安裝結(jié)構(gòu)見圖1，并提出了如下技術(shù)要求：1) 選材滿足NACE MR0175-2015標(biāo)準(zhǔn)[3]要求，產(chǎn)品的制造滿足NACE SP0775-2013標(biāo)準(zhǔn)[4]要求；2) 高壓承載器安裝在12點(diǎn)鐘方向，選用實(shí)心插體,其設(shè)計(jì)應(yīng)滿足帶壓操作的需要；3) 采用長7.62 cm的條狀標(biāo)準(zhǔn)掛片，表面磨光處理，暴露面積為33 cm2。

圖1 腐蝕掛片安裝結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)高壓承載器與回收工具和伺服閥一起使用時(shí)，可在帶壓狀態(tài)下安全、便捷地插入和取出多種腐蝕監(jiān)測(cè)設(shè)備，也可帶壓插入和取出緩蝕劑注入或取樣設(shè)備。

2.2 電阻探針

當(dāng)金屬元件在工藝介質(zhì)中被腐蝕時(shí)，金屬橫截面面積會(huì)減少，使單位長度的電阻相應(yīng)增加。電阻探針技術(shù)是利用監(jiān)測(cè)電阻變化來測(cè)定腐蝕或磨蝕引起的金屬損耗，并把金屬損耗作為時(shí)間的函數(shù)繪制曲線圖，以確定腐蝕速率，如圖2所示。圖中曲線的斜率代表了所選時(shí)間間隔內(nèi)的平均腐蝕速率。

圖2 金屬損耗與平均腐蝕速率的關(guān)系曲線

上述工作原理決定了電阻探針只能用于監(jiān)測(cè)均勻腐蝕情況下的腐蝕速率，而不能用于監(jiān)測(cè)點(diǎn)蝕。該方法可適用于除液態(tài)金屬或某些電導(dǎo)性熔鹽之外的任何實(shí)際環(huán)境中，具有監(jiān)測(cè)周期短、價(jià)格較低、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，且監(jiān)測(cè)時(shí)無需取出探針就能獲得實(shí)時(shí)腐蝕數(shù)據(jù)，可用于構(gòu)建在線腐蝕監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。在電阻探針使用過程中需注意，當(dāng)具有導(dǎo)電性的腐蝕產(chǎn)物、氧化皮等沉積到探針表面時(shí)，電阻探針的測(cè)試準(zhǔn)確度會(huì)受到影響。

結(jié)合哈法亞油田CPF3運(yùn)行溫度變化的特點(diǎn)，選用的電阻探針需滿足自動(dòng)溫度補(bǔ)償、靈敏度高、可帶壓拆卸等要求。電阻探針外形結(jié)構(gòu)見圖3，主要技術(shù)要求如下：1) 選材滿足NACE MR0175-2015標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)品的性能滿足NACE SP0192-2012標(biāo)準(zhǔn)[5]要求；2) 高壓承載器安裝在12點(diǎn)鐘方向，選用空心插體,其設(shè)計(jì)應(yīng)滿足帶壓操作的需要；3) 電阻探針形狀為管狀,預(yù)期壽命2 a，厚度為0.508 mm，測(cè)量范圍0.254 mm,分辨率不低于元件厚度的1/100 000，精度1.27 nm,響應(yīng)時(shí)間小于24 h。

圖3 電阻探針外形結(jié)構(gòu)

電阻探針使用一個(gè)受保護(hù)的免于腐蝕的參比元件來實(shí)現(xiàn)電阻率隨溫度變化的補(bǔ)償。當(dāng)測(cè)量元件的電阻隨溫度升高而增加時(shí)，參比元件的電阻也會(huì)增加，但兩種元件的電阻比值保持不變，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償因溫度變化帶來的電阻變化。

選擇正確的探頭靈敏度，是按照最優(yōu)的性價(jià)比實(shí)現(xiàn)腐蝕監(jiān)視系統(tǒng)最佳效果的關(guān)鍵。靈敏度高的探頭對(duì)于過程擾動(dòng)具有更快的響應(yīng)。當(dāng)預(yù)期的腐蝕速率較低，或者要求對(duì)過程變化快速響應(yīng)時(shí)，需選擇敏感度較高的探頭。當(dāng)預(yù)期的腐蝕速率為中等或高，且監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)是確保腐蝕處在一個(gè)可接受的限度，而不是快速探測(cè)過程擾動(dòng)時(shí)，則推薦選擇靈敏度較低、壽命較長的探頭。通常情況下，敏感元件的更換周期為9～12個(gè)月。

2.3 超聲波定點(diǎn)測(cè)厚

管道測(cè)厚包括普查測(cè)厚和定點(diǎn)測(cè)厚。定點(diǎn)測(cè)厚監(jiān)測(cè)主要用于監(jiān)測(cè)管道腐蝕速率，通常采用超聲波定點(diǎn)測(cè)厚(US-CP)的方法。這種方法是利用壓電換能器產(chǎn)生的高頻聲波穿過材料，再測(cè)量回聲返回探頭的時(shí)間或記錄產(chǎn)生共鳴時(shí)聲波的振幅，以檢測(cè)壁厚。定點(diǎn)測(cè)厚分為在線定點(diǎn)、定期測(cè)厚和檢修期間定點(diǎn)測(cè)厚。測(cè)厚監(jiān)測(cè)主要針對(duì)設(shè)備、管道的均勻腐蝕和沖刷腐蝕，對(duì)于氫腐蝕、應(yīng)力腐蝕等需通過其他檢測(cè)手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在高溫硫腐蝕環(huán)境中，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)碳鋼、鉻鉬合金鋼制設(shè)備、管道進(jìn)行測(cè)厚監(jiān)測(cè)。新建或新投用的設(shè)備及管道，在投用前應(yīng)確定定點(diǎn)測(cè)厚的位置，并取得原始壁厚數(shù)據(jù)。

哈法亞油田CPF3項(xiàng)目選用的超聲波測(cè)厚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4，主要技術(shù)要求如下：1) 超聲波測(cè)厚儀使用RTD溫度補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)超聲波傳感器，測(cè)量范圍為2.5～50 mm，分辨率為 2.54×10-3mm；2) 每個(gè)測(cè)量點(diǎn)設(shè)置5個(gè)超聲波傳感器，3個(gè)位于6點(diǎn)鐘方向、1個(gè)位于4點(diǎn)鐘方向、1個(gè)位于10點(diǎn)鐘方向；3)通過便攜式測(cè)量儀，可以讀取、存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖4 超聲波測(cè)厚系統(tǒng)

3 腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

3.1 選用原則

哈法亞油田CPF3包括原油工藝、氣工藝、油水處理、消防、公用工程等幾個(gè)主要系統(tǒng)，主工藝流程包括原油工藝和產(chǎn)出水工藝。原油和產(chǎn)出水中含有H2S、CO2和大量的氯化物。哈法亞油田CPF3主要面臨水中溶解H2S和CO2酸性氣體產(chǎn)生的腐蝕。通常，隨著溶液中H2S、CO2含量的增加，pH降低，環(huán)境的腐蝕性增強(qiáng)。

腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取應(yīng)遵循“區(qū)域性、代表性、系統(tǒng)性”的原則，圍繞整個(gè)油田生產(chǎn)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)合理選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在介質(zhì)或操作條件發(fā)生改變的典型區(qū)域，需集中布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),且腐蝕掛片與電阻探針宜成套對(duì)應(yīng)設(shè)置。定點(diǎn)測(cè)厚優(yōu)先設(shè)置在易腐蝕和沖刷部位，并根據(jù)介質(zhì)腐蝕性在典型區(qū)域集中布設(shè)。

3.2 現(xiàn)場分布

通過工藝分析，在哈法亞油田CPF3具有代表性的油1區(qū)、油2區(qū)、水處理區(qū)、氣工藝區(qū)、外輸區(qū)共計(jì)設(shè)置51套腐蝕掛片、50套電阻探針和20處定點(diǎn)測(cè)厚監(jiān)測(cè)。這些腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別建在原油進(jìn)口、分離后原油、脫鹽后原油、分離后的水、脫鹽后的水、脫鹽后的循環(huán)水、穩(wěn)定態(tài)原油、外輸原油、原料氣、凝析油、產(chǎn)出水等流程及管線處，對(duì)油、氣生產(chǎn)系統(tǒng)全過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體分布情況見表1。

4 在線腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

哈法亞油田CPF3的在線腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由電阻探針、變送器、接線盒、智能接口單元(IIU)和腐蝕監(jiān)測(cè)服務(wù)器(ICMS)組成，其組成系統(tǒng)見圖5。圖中：CP-034320等表示腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)位號(hào)，JB表示接線箱，RS485表示通訊電纜。

變送器能高分辨率腐蝕測(cè)量、快速響應(yīng)、在線傳輸或數(shù)據(jù)記錄探針獲取的腐蝕數(shù)據(jù)，它通過標(biāo)準(zhǔn)防爆認(rèn)證，且能通過RS485現(xiàn)場總線進(jìn)行通訊。變送器有效輸出的是金屬損耗、標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的腐蝕速率、公制或英制的每日腐蝕速率、以及變送器狀態(tài)。單根RS485電纜可通過接線盒串接最多32個(gè)變送器。這單根多點(diǎn)電纜包含了給變送器供電的24 V直流電源和RS485通信總線，以避免每一個(gè)變送器都需要一根連接電纜的情況。

表1 腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

智能接口單元的主要用途是提供腐蝕速率的計(jì)算，而用于腐蝕速率計(jì)算的數(shù)據(jù)源于變送器測(cè)出的金屬損耗。智能接口單元是為中小規(guī)模的在線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，易于集成到已有的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)系統(tǒng)和集散控制(DCS)系統(tǒng)中。多臺(tái)變送器通過RS485通信總線將腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芙涌趩卧?，在此處理匯總，最后通過RS485通信總線傳向腐蝕監(jiān)測(cè)服務(wù)器(ICMS)。

圖5 在線腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

腐蝕監(jiān)測(cè)服務(wù)器(ICMS)是一個(gè)綜合性的腐蝕數(shù)據(jù)管理解決方案,提供了腐蝕數(shù)據(jù)的輸入手段，可接收來自智能接口單元、變送器、便攜式數(shù)據(jù)記錄儀等多種數(shù)據(jù)源輸入數(shù)據(jù)，以及來自探頭及掛片的人工輸入數(shù)據(jù)。腐蝕監(jiān)測(cè)服務(wù)器能通過DCS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，腐蝕數(shù)據(jù)與工藝過程數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)計(jì)算，并通過腐蝕管理軟件以圖形方式繪制各探頭的腐蝕數(shù)據(jù)與時(shí)間的關(guān)聯(lián)圖，用于腐蝕規(guī)劃管理和各種報(bào)表的準(zhǔn)備。通常，DCS系統(tǒng)是為了工藝過程控制而優(yōu)化的，很難進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算并調(diào)用過去數(shù)天及數(shù)周的過程數(shù)據(jù)，而這恰恰是腐蝕控制與管理要求作到的。該服務(wù)器能便捷地找出腐蝕數(shù)據(jù)與來自DCS系統(tǒng)各種過程參數(shù)之間的相關(guān)性。

5 結(jié)論與建議

哈法亞油田CPF3同時(shí)采用三種腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)，互為補(bǔ)充，使數(shù)據(jù)解釋更為準(zhǔn)確可信。腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量眾多并具有代表性，使得生產(chǎn)運(yùn)行中可獲得大量有效數(shù)據(jù)，有利于全面腐蝕數(shù)據(jù)庫的建立。

項(xiàng)目投產(chǎn)后，可利用在線腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的便捷與高效，結(jié)合腐蝕監(jiān)測(cè)服務(wù)器所具備的綜合性腐蝕數(shù)據(jù)管理能力，為生產(chǎn)工藝調(diào)整及緩蝕劑加注等生產(chǎn)作業(yè)提供技術(shù)支持，并降低生產(chǎn)裝置腐蝕事故的發(fā)生概率。