γ 射線掃差在減壓塔填料腐蝕評(píng)估中的應(yīng)用

金波 JIN Bo

（中海石油寧波大榭石化有限公司，寧波 315812）

0 引言

隨著原油資源的枯竭，原油自身的品質(zhì)在逐年下降，目前原油的性質(zhì)與裝置設(shè)計(jì)之初的性質(zhì)對(duì)比存在較大差異，原油的酸值、鹽含量顯著上升。本文所述裝置加工海油原油，設(shè)計(jì)時(shí)參照原油的酸值為2.58mgKOH/g，當(dāng)前如單煉海洋重質(zhì)原油，酸值最高達(dá)到2.8~3.0mgKOH/g，減壓塔存在嚴(yán)重的環(huán)烷酸腐蝕。

減壓塔的腐蝕部位主要集中在減三線及以下部分的塔壁、塔內(nèi)件。塔壁復(fù)合層的腐蝕減薄，存在塔壁穿孔，空氣倒吸至塔內(nèi)，嚴(yán)重影響裝置的安全生產(chǎn)。塔內(nèi)件的腐蝕，影響減壓塔的分離效果及氣液相均勻分布，并局部加速塔壁腐蝕。減壓塔塔壁的腐蝕狀況目前主要采用高溫測(cè)厚及渦流掃查的辦法進(jìn)行評(píng)估，但是測(cè)厚數(shù)據(jù)誤差大，很難直觀地反映腐蝕狀況；而減壓塔內(nèi)填料層的完整性及腐蝕狀況，我們裝置嘗試采用了γ 射線掃描檢測(cè)技術(shù)對(duì)填料的腐蝕情況進(jìn)行評(píng)估，通過二次檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，以及產(chǎn)品化驗(yàn)數(shù)據(jù)分析佐證，取得了一定的效果。

1 γ 射線掃查檢測(cè)技術(shù)介紹

1.1 基本原理介紹

γ 射線是一種高頻高能電磁波，穿透能力很強(qiáng)，當(dāng)γ射線穿過物質(zhì)后，其能量強(qiáng)度由于物質(zhì)的吸收被衰減，但還是可以被接收器接收到。γ 射線穿透物質(zhì)后的衰減服從Lambert-Beer 定律[1]：

式中μm——吸收物質(zhì)對(duì)γ 射線的質(zhì)量吸收系數(shù)，m2/kg；

l——透過介質(zhì)的厚度，m；

I——射線透過吸收物質(zhì)后的強(qiáng)度，Bq；

Io——射線透過無吸收物質(zhì)后的強(qiáng)度，Bq。

從（1）式中可以看出，射線透過障礙物后的強(qiáng)度，與障礙物的厚度、密度及待測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)有關(guān)。待測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)可以預(yù)先通過實(shí)驗(yàn)確定[2]，從（1）式可知，只需測(cè)量射線強(qiáng)度就可以得到已知待測(cè)物質(zhì)厚度的密度（或相對(duì)密度）。針對(duì)某一段填料所在位置的減壓塔直徑是一定的，射線穿過塔設(shè)備后的輻射強(qiáng)度只與塔內(nèi)的混相的密度相關(guān)。正常運(yùn)行的塔設(shè)備其內(nèi)部密度分布是有一定規(guī)律的，如塔內(nèi)件有明顯的損壞、堵塞等情況，則塔內(nèi)的氣液相分布勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)異常。塔設(shè)備的射線掃描檢測(cè)，就是利用射線掃描得到塔內(nèi)介質(zhì)密度變化情況的掃描圖譜，分析塔內(nèi)氣液相分布情況，找出氣液相運(yùn)行的異常現(xiàn)象與位置等，推測(cè)塔器出現(xiàn)故障的原因。

1.2 γ 射線掃描檢測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)γ 射線穿透性強(qiáng)、規(guī)律性衰減的特點(diǎn)，結(jié)合煉油裝置塔類設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)情況，本次檢測(cè)采用了中石化長(zhǎng)嶺分公司、岳陽長(zhǎng)嶺設(shè)備研究所有限公司、石油大學(xué)（北京）一起開發(fā)了應(yīng)用于煉化塔類設(shè)備過程故障檢測(cè)的γ 射線掃描檢測(cè)系統(tǒng)，由岳陽長(zhǎng)嶺設(shè)備研究所有限公司負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

該系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件包括射線源、探測(cè)器、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、射線掃描儀；軟件包括數(shù)據(jù)采集處理及系統(tǒng)控制兩項(xiàng)內(nèi)容。

2 γ 射線掃描檢測(cè)方法

本次在減壓塔檢測(cè)過程中，將放射源與輻射信號(hào)接收探頭分別放置在塔體兩側(cè)，保證放射源與探頭在同一水平面上，填料層檢測(cè)過程中，探頭接收到射線穿過塔后的輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，將放射源與探頭自塔頂至塔底同步向下移動(dòng)，探頭即能接收到射線穿過塔體后的所有輻射信號(hào)數(shù)據(jù)。

出科考試成績(jī)顯示實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在專業(yè)理論知識(shí)、臨床操作技能、臨床思維方面均優(yōu)于對(duì)照組，差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），見表2。

依據(jù)減壓塔T-1204 的結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)情況及相關(guān)檢測(cè)要求，在當(dāng)前的工況下，填料層按照?qǐng)D1（右）所示的線1 方位～線8 方位等8 個(gè)檢測(cè)方位對(duì)減壓塔T-1204 進(jìn)行全面檢測(cè)，對(duì)第六段填料層按照?qǐng)D2 所示的線9 方位～線17 方位等9 個(gè)檢測(cè)方位進(jìn)行精細(xì)檢測(cè)。

圖1 射線檢測(cè)分布示意圖

圖2 重點(diǎn)部位填料精準(zhǔn)掃查

3 本次檢測(cè)的實(shí)施背景

2022 年5 月在檢修減壓塔側(cè)線泵期間，在機(jī)泵過濾器內(nèi)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)大量填料碎末及殘片，在對(duì)該側(cè)線所對(duì)應(yīng)的換熱器檢修過程中，也發(fā)現(xiàn)了填料碎末，初步判斷減壓塔填料存在腐蝕。同年7 月，委托岳陽長(zhǎng)嶺設(shè)備研究所有限公司采用γ 射線掃描方式對(duì)全塔填料進(jìn)行檢測(cè)，首次檢測(cè)完成時(shí)間為2022 年8 月5 日，2023 年1 月11 日完成了第二次檢測(cè)。

4 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

參照?qǐng)D3 所示，右側(cè)為對(duì)應(yīng)位置的檢測(cè)圖譜，圖譜中X軸表示輻射數(shù)據(jù)的大小，Y 軸與塔高度相對(duì)應(yīng)。輻射數(shù)據(jù)越大表示射線穿過路徑上的密度越小，反之，密度越大[3]。

圖3 第一段填料檢測(cè)圖譜

通檢測(cè)圖譜分析，第一段填料層整體完整，未發(fā)現(xiàn)明顯的填料損壞現(xiàn)象。

通過同樣方法，對(duì)全塔七段填料進(jìn)行腐蝕分析，得出以下結(jié)論：

第二段填料線4 方位（西北方位）密度相對(duì)偏小，相比于其它三個(gè)方位低11.6%，根據(jù)介質(zhì)腐蝕性推測(cè)填料被腐蝕的可能性較小，填料層內(nèi)氣液相分布不均，液相負(fù)荷偏低，形成氣相通道的可能性較大。

第三段～第五段填料層內(nèi)存在氣液相分布不均的現(xiàn)象，其中東北側(cè)的氣相負(fù)荷偏大，建議檢修期間檢查填料層及的結(jié)垢情況和腐蝕損壞情況。

第六段填料層?xùn)|北側(cè)存在有孔洞及塌陷現(xiàn)象，腐蝕明顯。

第七段填料層內(nèi)存在氣液相分布不均的現(xiàn)象，其中東北側(cè)的氣相負(fù)荷偏大，也不排除存在腐蝕損壞情況。

為了精準(zhǔn)判斷第六段填料的腐蝕程度，檢測(cè)單位增加射線密度，具體檢測(cè)結(jié)果見圖4。

圖4 第六段填料精確掃查圖譜

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)線1 方位（東北方位）填料層密度偏小，線1方位（東北方位）填料層應(yīng)存在有孔洞及塌陷現(xiàn)象，經(jīng)過精細(xì)檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)預(yù)計(jì)約體積8 個(gè)立方米左右填料層存在孔洞及塌陷現(xiàn)象，填料層密度相比于其它三個(gè)方位低34.9%，其它三個(gè)方位填料層整體完整，圖5（右）為存在孔洞及塌陷的位置（預(yù)估的位置，斜線陰影部分為存在孔洞及塌陷的位置，其余陰影部位填料可能腐蝕減薄，不排除存在孔洞及塌陷）。

圖5 減壓塔2021 年填料塌陷形貌及分布位置

2023 年1 月，為了進(jìn)一步根據(jù)減壓塔腐蝕情況及第六段填料損壞情況，開展了第二次γ 射線掃查。以下重點(diǎn)分析第六段填料腐蝕程度變化情況。

從兩次射線檢測(cè)所得圖譜（圖6）分析，第六段填料發(fā)生腐蝕方位沒發(fā)生變化（根據(jù)曲線的顏色進(jìn)行判斷），腐蝕范圍沒有擴(kuò)散，填料層腐蝕深度增加0.3m（見波形對(duì)比），出現(xiàn)孔洞的體積的體積由8m3增加至10.4m3。相比于其它三方位密度，2022年7 月檢測(cè)低30.4%，2023 年1 月檢測(cè)40.8%，密度的變化，說明原先受損區(qū)域的填料存在脫落現(xiàn)象。

圖6 第六段填料兩次掃查對(duì)比

從射線掃描圖譜分析，填料腐蝕為自下而上發(fā)展，在填料層中下部位置密度差最大，腐蝕孔洞最為嚴(yán)重，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，孔洞會(huì)繼續(xù)增加，造成承載力不足，上部填料會(huì)繼續(xù)塌陷，造成該方位填料層貫穿。填料層貫穿后，造成全塔氣液相不均勻，該方位氣相流速增加，對(duì)塔壁及上下層填料造成沖刷，加速腐蝕速率。計(jì)劃2023 年3 月對(duì)減壓塔填料進(jìn)行第三次掃查，一方面繼續(xù)跟蹤第六段填料的腐蝕情況，同監(jiān)控其它填料段的腐蝕情況，判斷因第六段填料塌陷對(duì)全塔填料的影響程度。

5 數(shù)據(jù)檢測(cè)準(zhǔn)確性的預(yù)判

當(dāng)前裝置處于生產(chǎn)階段，無法直觀地驗(yàn)證射線檢測(cè)的準(zhǔn)確度，但是根據(jù)減壓塔運(yùn)行工況及歷年檢修情況判斷，本次檢測(cè)的結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。

5.1 對(duì)腐蝕方位的判定

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，第六段填料的腐蝕位置位于東北方位。在2021 年檢修過程中發(fā)現(xiàn)該區(qū)域填料出現(xiàn)貫穿腐蝕，出現(xiàn)約2 平方左右貫穿整段填料的大洞。從腐蝕塌陷區(qū)域?qū)Ρ龋c本次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的腐蝕區(qū)域較吻合。2018 年也出現(xiàn)過類似情況，此處填料容易塌陷的主要原因?yàn)闅庖合喾植疾痪?，液體分布管由減壓塔西側(cè)穿入，東北側(cè)及東南側(cè)位于分布器的末端，存在分布不均現(xiàn)象。

5.2 對(duì)受損填料體積的評(píng)估

受損填料體積數(shù)評(píng)估是根據(jù)受損區(qū)域表面積與填料層深度進(jìn)行計(jì)算得出。為了精確計(jì)算受損填料的表面積，檢測(cè)時(shí)增加射線密度，在確定一個(gè)大致范圍前提下，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行合圍，得到一個(gè)相對(duì)精確的面積，填料層的腐蝕深度可以根據(jù)波形比較直觀地得出，因此受損填料的體積數(shù)可以比較直觀地進(jìn)行計(jì)算得出。

根據(jù)兩次檢測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)，填料層的腐蝕深度由1m 增加到了1.3m，與其他三個(gè)方位密度比較，差值在上升。深度之所以會(huì)增加，主要是由于填料腐蝕是自下而上的，受損區(qū)域填料因腐蝕斷裂脫后或填料碎片五支撐脫落造成，同時(shí)液相、氣相的沖刷也會(huì)造成填料碎片的脫落，密度差值也隨之上升。但隨著時(shí)間的推移及防腐措施的改進(jìn)，填料碎片脫落數(shù)量會(huì)逐步減少，可以從機(jī)泵入口過濾器清理情況得以說明，根據(jù)清理過濾器記錄，在2023 年1 月對(duì)機(jī)泵過濾器的清理過程中幾乎沒有發(fā)現(xiàn)填料碎片，2021 年11 月以后，填料碎末減少，殘片腐蝕不明顯，進(jìn)一步說明填料腐蝕得到了控制。

表1 減四線泵入口過濾器清理情況

5.3 對(duì)填料受損表面積的評(píng)估

通過兩次檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，第六段填料受損區(qū)域的表面積未發(fā)生變化，可以從工藝防腐的調(diào)整情況及原油性質(zhì)方面進(jìn)行分析。

5.3.1 工藝防腐方面

2022 年8 月12 日開始，也就是第一次γ 射線檢測(cè)后，減壓塔減四減二中側(cè)線、洗滌油注劑由無磷高緩蝕劑改加注磷含量為2%的高溫緩蝕劑。

通過改加注低磷高溫緩蝕劑后，減四、洗滌油鐵離數(shù)據(jù)均呈下降趨勢(shì)，見表2。

表2 不同階段減四線鐵離子數(shù)據(jù)表

5.3.2 原料酸值變化

目前裝置常規(guī)加工原油為海洋高酸低硫原油，其中酸值最高達(dá)到3.17mgKOH/g，平均值在2.38KOH/g，單煉此類原油期間，減壓塔減四線防腐壓力很大。2022 年11 月至12 月裝置多次摻煉加工低酸值中質(zhì)原油，此舉在很大程度上降低了裝置供料酸值，平均值在2.07KOH/g，對(duì)減緩減壓塔高溫環(huán)烷酸腐蝕作用較大。

通過以上數(shù)據(jù)對(duì)比，說明減壓塔運(yùn)行工況得到了改善，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)趨于正常，對(duì)抑制腐蝕起到?jīng)Q定性作用，填料的腐蝕得到了控制。

6 結(jié)束語

γ 射線掃描是一項(xiàng)用于塔類設(shè)備過程故障診斷的新型檢測(cè)技術(shù)，可以在裝置運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)填料層腐蝕狀況的檢測(cè)與評(píng)估，從檢測(cè)結(jié)果結(jié)合裝置實(shí)際運(yùn)行工況及歷史檢修情況對(duì)照分析，其分析結(jié)果具有一定的可靠性，檢測(cè)結(jié)果可作為減壓塔工藝調(diào)整或檢維修的依據(jù)。裝置在本運(yùn)行周期內(nèi)，還會(huì)繼續(xù)開展檢測(cè)工作，將通過縮小射線掃描間距，提高掃描精度，跟蹤填料腐蝕情況。