商劍峰 李 壇 劉元直 林宏卿 張曉剛 肖國清

1.中國石化中原油田普光分公司 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

川氣東送工程主氣源地普光氣田原料氣中H2S含量高達(dá)15%。其天然氣凈化廠采用MDEA（甲基二乙醇胺）法脫硫，采用三甘醇法脫水。天然氣脫硫方法分為干法和濕法兩大類［1］，MDEA法脫硫是濕法脫硫的一種，適合處理量較大的高含H2S和CO2天然氣［2］。天然氣脫水方法有冷卻法、吸收法和吸附法等，三甘醇脫水法屬于吸收法，以三甘醇作為吸收劑，具有熱穩(wěn)定性好、吸濕性高、容易再生等優(yōu)點(diǎn)［3］。另外，采用常規(guī)克勞斯二級(jí)轉(zhuǎn)化法回收硫磺，再配以加氫還原吸收尾氣處理和酸性水汽提的工藝技術(shù)路線。工藝裝置主要包括脫硫、脫水、硫磺回收、尾氣處理、硫磺成型和酸性水汽提裝置。該凈化系統(tǒng)酸性負(fù)荷大、工藝節(jié)點(diǎn)多、材質(zhì)包含多種碳鋼和多種不銹鋼及復(fù)合管材。

高酸性介質(zhì)在管道中流動(dòng)和滯留，易引起鋼材的均勻腐蝕、局部腐蝕和沖刷腐蝕［4］，并面臨硫化物應(yīng)力腐蝕開裂和氫致開裂風(fēng)險(xiǎn)，腐蝕監(jiān)測及控制不當(dāng)易導(dǎo)致管線腐蝕穿孔、刺漏，甚至破裂［5－7］。高含硫凈化廠管線的腐蝕監(jiān)測和控制對(duì)保證凈化廠的安全高效運(yùn)行具有重要意義。高含硫氣田凈化系統(tǒng)在線腐蝕監(jiān)測方面，目前還未形成完整的腐蝕監(jiān)測體系和腐蝕管理數(shù)據(jù)庫。因此根據(jù)凈化廠各工藝流程管線的服役特點(diǎn)設(shè)置腐蝕監(jiān)測點(diǎn)，給出相適應(yīng)的監(jiān)測方法十分必要。

1 常用腐蝕監(jiān)測技術(shù)適應(yīng)性分析

腐蝕監(jiān)測技術(shù)是在線測試腐蝕速率的重要手段，腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)是金屬管道腐蝕控制的根據(jù)。目前，國內(nèi)外常見的腐蝕監(jiān)測手段有以下幾種。

1）掛片失重法是測量金屬腐蝕最可靠的方法之一。其優(yōu)點(diǎn)是：適用于任何工作環(huán)境；較真實(shí)地反映了材質(zhì)的腐蝕速度，可直接用來預(yù)測特定部件的使用壽命，還可用于校正其余監(jiān)測方法的腐蝕數(shù)據(jù)。不足之處在于：不能獲得瞬時(shí)腐蝕速率，不能反映工藝參數(shù)變化對(duì)腐蝕的即時(shí)影響。

2）線性極化法（LPR）是目前最常用的金屬腐蝕快速測試方法之一［8］。優(yōu)點(diǎn)在于：響應(yīng)速度快，可測定瞬時(shí)腐蝕速度。不足之處在于不適用于氣相環(huán)境。因而在凈化廠大量工藝環(huán)節(jié)涉及的氣相腐蝕環(huán)境中不宜采用。

3）電阻法測量的是金屬元件的橫截面積因腐蝕減少所引起的電阻變化。其優(yōu)點(diǎn)在于可用于氣相及液相、導(dǎo)電及不導(dǎo)電的介質(zhì)中連續(xù)進(jìn)行測量。不足之處在于：只適應(yīng)于均勻腐蝕，否則不容易解釋測量結(jié)果，且只能測定累計(jì)腐蝕量，腐蝕產(chǎn)物導(dǎo)電則將產(chǎn)生測量誤差。凈化廠在脫硫工藝環(huán)節(jié)腐蝕介質(zhì)中伴有氯離子的點(diǎn)蝕，電阻法也不適應(yīng)于局部腐蝕的監(jiān)測。

4）電感測量法是以測量金屬損失為基礎(chǔ)，測試元件質(zhì)量發(fā)生變化引起電感的變化，電感信號(hào)經(jīng)放大后輸出質(zhì)量損失信息。其優(yōu)點(diǎn)在于：通過元件靈敏度的選擇，可以較快地測定出腐蝕速度的變化；可用于在氣相及液相、導(dǎo)電及不導(dǎo)電的介質(zhì)中連續(xù)進(jìn)行測量。不足之處在于：不適合測定瞬時(shí)腐蝕速度和局部腐蝕，探頭表面腐蝕產(chǎn)物的電磁性將產(chǎn)生測量誤差。

5）超聲波測厚法可以對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)中的設(shè)備反復(fù)進(jìn)行測量，但是難以獲得足夠的靈敏度來跟蹤記錄腐蝕速度的變化。該方法不損傷管線，隨時(shí)監(jiān)測壁厚，并能進(jìn)行逐點(diǎn)測量。不足之處在于：受儀器靈敏度的限制，兩次檢測時(shí)間間隔短、金屬壁厚變化不大時(shí)分辨率差；高溫部位檢測較困難，準(zhǔn)確性差。

6）氫監(jiān)測法測量的是腐蝕環(huán)境中氫原子在鋼中的滲透量。根據(jù)監(jiān)測的氫壓與時(shí)間的關(guān)系，來確定腐蝕環(huán)境中電化學(xué)反應(yīng)的劇烈程度［9－10］，不能直接計(jì)算得到腐蝕速率。

7）離子含量分析法通過定期分析生產(chǎn)過程中的鐵離子含量，可以定性地確定設(shè)備的腐蝕變化情況。此法適合于純CO2腐蝕、Cl－腐蝕的生產(chǎn)系統(tǒng)。對(duì)于含H2S氣體的生產(chǎn)系統(tǒng)，由于腐蝕產(chǎn)物FeS呈固體沉積，因此取水樣分析時(shí)，其結(jié)果也存在較大偏差。

8）電化學(xué)噪聲技術(shù)是通過對(duì)超聲波的反射變化，監(jiān)測金屬是否存在裂紋、空洞等的技術(shù)［11］。電化學(xué)噪聲技術(shù)的最大特點(diǎn)是自然、真實(shí)地反映金屬表面狀態(tài)，是一種原位無損的監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)有助于研究局部腐蝕、表面膜的動(dòng)態(tài)特征等，可以監(jiān)測均勻腐蝕、孔蝕、裂蝕、應(yīng)力腐蝕開裂等腐蝕，并且能夠判斷金屬腐蝕的類型。國際上電化學(xué)噪聲技術(shù)已經(jīng)成熟，但價(jià)格昂貴。

9）管道全周向監(jiān)測方法（FSM）也稱為“電指紋法”。通過在給定范圍內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)次數(shù)的電位測量，對(duì)局部進(jìn)行監(jiān)測和定位。FSM是一種非插入式的監(jiān)測方法，通過一段與管道材質(zhì)完全一致的測試短管與工藝管道焊接或法蘭連接在一起，其壽命與管道的設(shè)計(jì)壽命匹配，在管道的運(yùn)行過程中不需要更換測試電極［12］。但成本非常高。

凈化廠各單元服役管道具有各種酸氣負(fù)荷、各種流速、各種溫度及不同的相態(tài)特征，這些都將影響腐蝕監(jiān)測的效果。管線腐蝕監(jiān)測需根據(jù)其腐蝕環(huán)境特點(diǎn)和服役工況進(jìn)行選擇。同時(shí)，因不同腐蝕監(jiān)測方法在監(jiān)測設(shè)備管理與監(jiān)測數(shù)據(jù)管理方面造成了不便，因此建議采用適應(yīng)性較強(qiáng)的單一的在線腐蝕監(jiān)測方法。在流場有變化的管段推薦采用定點(diǎn)全周向柔性超聲波測厚監(jiān)測法，取代昂貴的全周向監(jiān)測方法（FSM）。

2 腐蝕監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置及監(jiān)測結(jié)果

凈化廠主要裝置如脫硫、脫水、硫磺回收、尾氣處理、硫磺成型和酸性水汽提裝置等單元，均以金屬管或雙金屬復(fù)合管作為輸送介質(zhì)的通道。雙金屬復(fù)合管在防腐蝕方面具有很高的可靠性和良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益［13］，因此該凈化廠某些管線（如液力透平出口管線、再生塔底重沸器氣相返回口管線、胺液再生塔頂空冷器出口管線和第二級(jí)硫冷凝器酸性氣入口管線）采用的是不銹鋼襯里的復(fù)合管。

由前分析可知，電感探針監(jiān)測和失重掛片監(jiān)測能滿足高含硫凈化廠管線服役工況。為節(jié)約投資，裝置采用同一種腐蝕監(jiān)測方法——電感探針監(jiān)測，同時(shí)在各監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置了失重掛片監(jiān)測。腐蝕監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置情況及監(jiān)測周期為1年的監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1～3所示。

表1 公用部分監(jiān)測單元設(shè)置及對(duì)應(yīng)監(jiān)測結(jié)果表

表2 脫硫單元監(jiān)測單元設(shè)置及對(duì)應(yīng)的監(jiān)測結(jié)果表

表3 其他單元監(jiān)測單元設(shè)置及對(duì)應(yīng)監(jiān)測結(jié)果表

表1中A為西區(qū)高空放空總管，B為東區(qū)高空放空總管，C為低壓放空總管?？梢钥闯?，東、西區(qū)高空放空總管腐蝕速率較大。其腐蝕速率在0.030 4～0.075 3mm／a之間，按照 NACE RP0775標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，屬于中度腐蝕。從現(xiàn)場掛片分析來看，清洗后兩處試片厚度減薄，表面腐蝕變得不均勻，存在局部腐蝕。主要腐蝕產(chǎn)物為鐵的氧化物和少量鐵的硫化物。

表2中D為天然氣進(jìn)裝置管線，E為進(jìn)料過濾分離器底部液體出口管線，F(xiàn)為水解反應(yīng)器出口空冷器出口管線，G為液力透平出口管線，H為再生塔底重沸器氣相返回管線，I為胺液再生塔頂空冷器出口管線，J為酸性氣自胺液再生塔頂回流罐至硫磺回收單元管線，K為胺液再生塔頂回流管線。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，整個(gè)脫硫單元腐蝕速率都很低，有些部位未監(jiān)測出腐蝕。

表3中L為脫水塔天然氣入口管線，M為脫水塔出口富TEG管線，N為第二級(jí)硫冷凝器酸性氣入口管線，O為末級(jí)硫冷凝器尾氣出口管線，P為急冷水泵出口管線，Q為酸水汽提塔頂氣管線。由表3可見，第二級(jí)硫冷凝器酸性氣入口管線，急冷水泵出口管線和酸水汽提塔頂氣管線腐蝕速率較大。按照NACE RP0775標(biāo)準(zhǔn)對(duì)腐蝕程度的規(guī)定，第二級(jí)硫冷凝器酸性氣入口管線和酸水汽提塔頂氣管線為中度腐蝕，急冷水泵出口管線腐蝕速率在0.125～0.254mm／a之間屬于嚴(yán)重腐蝕。從掛片結(jié)果來看，第二級(jí)硫冷凝器酸性氣入口管線掛片和酸水汽提塔頂氣處掛片清洗后兩處試片厚度減薄，表面腐蝕變得不均勻，存在局部腐蝕；急冷水泵出口管線掛片去除表面腐蝕產(chǎn)物后，表面已經(jīng)凹凸不平，存在嚴(yán)重的局部腐蝕，掛片明顯因腐蝕而變薄。

各監(jiān)測點(diǎn)兩種方法監(jiān)測結(jié)果見圖1。探針監(jiān)測結(jié)果和掛片結(jié)果基本一致，僅在腐蝕速率數(shù)值上存在一定偏差。可見，凈化廠第二級(jí)硫冷凝器酸性氣入口管線（N）、急冷水泵出口管線（Q）、酸水汽提塔頂管線（P）和東西區(qū)高空放空總管（A、B、C）為腐蝕薄弱環(huán)節(jié)。而腐蝕薄弱部位的管線材質(zhì)均為碳鋼（L245、20號(hào)鋼和20R），因此在這些薄弱部位需加強(qiáng)腐蝕監(jiān)測或采取相應(yīng)防腐措施。

圖1 各監(jiān)測點(diǎn)掛片和腐蝕探針腐蝕數(shù)據(jù)對(duì)比圖

現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測結(jié)果表明，通過分析在線探針腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)，可找出工藝管線腐蝕的薄弱環(huán)境，為凈化系統(tǒng)腐蝕控制技術(shù)措施的優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。而在一些彎頭、大小頭、三通和閥門附近，介質(zhì)流場變化，電感探針和失重掛片的安裝難于實(shí)施，且難以真實(shí)反映管道在圓周方向和軸向的腐蝕狀況。對(duì)此類可能發(fā)生嚴(yán)重腐蝕的區(qū)域，應(yīng)采用全周向監(jiān)測方法（FSM）或全周向柔性超聲波定點(diǎn)測厚監(jiān)測方法。但FSM監(jiān)測價(jià)格更高，故推薦使用柔性超聲波定點(diǎn)測厚監(jiān)測方法，避免多人次間歇測量造成的測量誤差。

3 結(jié)論及建議

1）建議采用適應(yīng)性較強(qiáng)的單一在線腐蝕監(jiān)測方法進(jìn)行凈化廠管線腐蝕監(jiān)測，并使用失重掛片法校正所用監(jiān)測方法的腐蝕數(shù)據(jù)。

2）從腐蝕掛片和探針監(jiān)測結(jié)果來看，該凈化廠第二級(jí)硫冷凝器酸性氣入口管線，急冷水泵出口管線，酸性水汽提塔頂和東西區(qū)高空放空總管為腐蝕薄弱環(huán)節(jié)；其他監(jiān)測單元腐蝕速率都很低。

3）現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，電感探針監(jiān)測和失重掛片監(jiān)測是管線監(jiān)測的良好手段，能夠滿足高含硫凈化廠管線各個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的服役工況，且其投資相對(duì)較低，便于現(xiàn)場應(yīng)用。電感探針腐蝕監(jiān)測結(jié)果與失重掛片腐蝕速率基本一致，監(jiān)測數(shù)據(jù)可信。

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