Журнал "В Мире НК" (№3 сентябрь 2008)а
Автоматизированные системы комплексного коррозионного мониторинга и перспективы применения метода акустической эмиссии в их составе
Харебов Владимир Георгиевич - генеральный директор ООО "ИНТЕРЮНИС"
Попков Юрий Сергеевич - старший специалист научно-исследовательского отдела
Введение
В современных экономических условиях одним из основных способов повышения рентабельности предприятий нефтегазовой, нефтехимической и химической отраслей промышленности с непрерывным производственным циклом является снижение издержек на эксплуатацию технологического оборудования и ликвидацию последствий аварий. Главным фактором повреждаемости и внезапного выхода из строя технологического оборудования таких предприятий является коррозионный износ [1,2,3,4].
На сегодняшний день существует ряд методов, позволяющих произвести оценку интенсивности и определить характер коррозионных повреждений. На практике наибольшее распространение имеют весовой метод, метод электрического сопротивления и метод линейной поляризации [3]. До сих пор применение этих методов осуществляется преимущественно в ручном режиме, основными недостатками которого являются периодичность съема данных контроля и погрешность измерений, обусловленная человеческим фактором. Автоматизация мероприятий по борьбе с коррозией позволяет избавиться от указанных недостатков.
Целью внедрения автоматизированных систем комплексного коррозионного мониторинга (ККМ) является безаварийная эксплуатация технологического оборудования и повышение экономической эффективности предприятий. При этом решаются следующие задачи: оптимизация подачи химических реагентов при защите оборудования от внутренней коррозии, своевременная реакция на изменение коррозионной активности, сбор и хранение данных коррозионного мониторинга и прогнозирование изменения коррозионного состояния конструкций во время эксплуатации, автоматизация мероприятий по защите оборудования от внутренней коррозии и снижение роли человеческого фактора в оценке результатов коррозионного мониторинга.
Определяющими признаками необходимости внедрения ККМ являются: значительный коррозионный износ технологического оборудования, частое непериодичное изменение коррозионной активности рабочей среды, опасность разрушения конструкции, которое может привести к значительным материальным и экологическим потерям, человеческим жертвам, низкая эксплуатационная живучесть конструкции при работе в агрессивных средах, необходимость увеличения межремонтного пробега оборудования.
Комплексный коррозионный мониторинг на практике
Под комплексностью коррозионного мониторинга подразумевается применение максимально эффективных методов и средств по борьбе с коррозией для каждого конкретного объекта, которые можно разделить на следующие основные группы: методы определения скорости коррозии, методы определения коррозионной активности среды и управление исполнительным оборудованием (рис.1).
Основными областями применения автоматизированных систем ККМ являются нефтеперерабатывающие и нефтехимические предприятия, нефтедобывающие и газоконденсатные месторождения, предприятия химической отрасли.
Рис.1. Концепция построения систем ККМ
На сегодняшний день предлагается ряд готовых решений построения систем ККМ для предприятий нефтепереработки и нефтедобычи, использующие различные методы определения скорости коррозии, определения уровня кислотности рабочей среды и управления исполнительным оборудованием.
В статье рассмотрена реализация системы ККМ на установке АВТ нефтеперерабатывающего завода [5] и на системе сбора нефти на нефтяном месторождении.
Функционально система ККМ для установки АВТ делится на три части: измерительная, вычислительная и исполнительная (рис.2). Структурно система выглядит следующим образом (рис.3): измерительные элементы и исполнительное оборудование соединяются кабельными линиями со шкафом управления, измерения и коммутации, который в свою очередь передает данные по кабельным линиям на центральную вычислительную станцию (ЦВС). По показаниям датчиков коррозии и рН-метров в автоматическом режиме осуществляется регулировка подачи химических реагентов (ингибитора, нейтрализатора, щелочи).
Рис.2. Функциональная схема системы коррозионного мониторинга установки АВТ
Рис.3. Структурная схема системы коррозионного мониторинга установки АВТ
Основное отличие системы ККМ для нефтяных месторождений от предыдущей заключается в распределении узлов оборудования на значительном расстоянии (от единиц до десятков километров), поэтому структурно система ККМ разбита на автономные блоки измерения скорости коррозии и блоки дозировки реагентов (рис.4). Передача данных и сигналов управления между этими блоками и ЦВС может осуществляться как по кабельным линиям, так и по радиоканалу.
Рис.4. Структурная схема системы коррозионного мониторинга для нефтяного месторождения
Данные мониторинга непрерывно поступают в модули управления, где они подвергаются предварительной обработке и передаются на ЦВС для окончательной обработки и отображения на дисплее в диспетчерской в режиме реального времени. На дисплее ЦВС представлены основные информационные окна, в которых выводятся: технологическая схема объекта мониторинга с указанием местоположения измерительных и управляемых устройств (рис.5), значения измеряемых параметров (рис.6), подробный протокол действий системы ККМ и действий персонала, прогноз текущего технического состояния объекта, рекомендации по дальнейшей эксплуатации, временные тренды показаний измерительных и дозирующих устройств.
Рис.5. Основное окно программного обеспечения системы ККМ
Рис.6. Временные тренды показаний датчиков и уровня подачи химических реагентов
В 2005г. в результате совместной работы с компанией «Кортехника» был разработан проект и осуществлено внедрение системы коррозионного мониторинга на установке АВТ Волгоградского НПЗ.
Результатом внедрения системы коррозионного мониторинга явилась существенная экономия дорогостоящих химических реагентов, применяемых при антикоррозионных мероприятиях, за счет оптимизации их подачи. По данным заказчика на сегодняшний день расход щелочи составляет 0,0084 кг/т, ингибитора – 1,47 кг/т, нейтрализатора – 2,21 кг/т, до внедрения системы коррозионного мониторинга расход составлял 0,015 кг/т, 4,5 кг/т, 5,5 кг/т соответственно.
Применение метода акустической эмиссии
Наряду с перечисленными методами определения скорости коррозии, большим потенциалом для применения в системах ККМ обладает метод акустической эмиссии (АЭ).
В настоящее время ведутся работы по исследованию развития коррозионных повреждений с применением метода АЭ. Коррозия и физико-химические процессы, протекающие при ее развитии, исследуются как возможные источники АЭ [6,7]. Зная АЭ особенности коррозионных процессов, можно обнаруживать коррозию непосредственно во время ее зарождения и развития.
В результате проведенных исследований намечено перспективное направление определения глубины проникновения и оценки скорости роста коррозионного дефекта (питтинга или язвы) по соотношению энергий антисимметричной и симметричной мод волн Лэмба нулевого порядка. На рис.7 приведены дисперсионные кривые для A0 и S0 мод волн Лэмба при толщине пластины 5 мм. Красным цветом выделены области соответствующие частотам и скоростям, на которых переносится основная часть энергии волны. При этом установлено, что при нахождении дефекта на поверхности объекта преобладает энергия A0 моды с более низкой частотой (НЧ), а при нахождении дефекта вблизи глубины 50% преобладает S0 мода с более высокой частотой (ВЧ).
Рис.7. Дисперсионные кривые групповых скоростей волн Лэмба
В ходе работ был поставлен эксперимент на двух образцах из Стали 20 размером 500х50х5мм. Для получения преимущественно симметричной моды волны Лэмба на образце №1 коррозии был подвержен участок с торца размером 10х1мм – поверхность среза образца (рис.8а). Для получения преимущественно антисимметричной моды волны Лэмба на образце №2 коррозии была подвержена регулярная поверхность размером 30х10мм (рис.8б). Подготовка образцов осуществлялась следующим образом. Один конец каждого образца заливался расплавленным парафином, затем в парафине очищался участок для воздействия кислотой.
Образцы устанавливались в раздельные емкости, в которые затем заливался 1%-ый раствор серной кислоты. Наблюдение и регистрация АЭ сигналов производились на протяжении восьми суток.
Для анализа коррозионного повреждения использовались осциллограммы АЭ сигналов и их частотные спектры.
Рис.8 (а) образец №1 с поверхностью среза для коррозионных испытаний
Рис. 8 (б) образец №2 с регулярной поверхностью для коррозионных испытаний.
ПАЭ№1, №4 – GT300 (частотный фильтр предусилителя 30-500 кГц)
ПАЭ№2, №5 – GT200 (частотный фильтр предусилителя 125-500 кГц)
ПАЭ№3, №6 – GT200 (частотный фильтр предусилителя 30-500 кГц)
Данный эксперимент показал, что симметричная мода волны Лэмба постоянно присутствовала на первом образце. Однако на втором образце, предназначенном для моделирования антисимметричной моды, через некоторое время тоже стала появляться симметричная составляющая. Это объясняется тем, что на втором образце при проведении эксперимента образовался коррозионный дефект язвенного типа. В процессе его роста изменялась доля высокочастотной составляющей (300-500кГц) сигнала АЭ (рис.9а,б,в,г). Окончательная максимальная глубина проникновения коррозионного дефекта составила 2мм при толщине образца 5мм. Доля энергии высокочастотной составляющей достигла 95% от общей энергии.
Рис.9. Увеличение доли высокочастотной составляющей АЭ сигналов с ростом язвенного дефекта
Полученные результаты согласуются с результатами численного моделирования в статье [8,9], где источник, расположенный в середине пластины, излучал преимущественно симметричную моду с максимумом спектра на частоте 522 кГц, а по мере приближения источника к поверхности пластины энергия симметричной моды уменьшалась, и большая часть энергии переносилась антисимметричной модой с максимумом спектра на частоте 50 кГц.
Таким образом, теория об определении глубины проникновения и оценки скорости роста коррозионного дефекта (питтинга или язвы) по соотношению энергий антисимметричной и симметричной мод волн Лэмба частично подтверждается.
Выводы
Применение систем ККМ:
- позволяет вести непрерывный аппаратный контроль состояния объектов и работы всей системы с выводом результатов непосредственно к диспетчеру и повышает уровень прогнозируемости текущего коррозионного состояния технологического оборудования;
- обеспечивает снижение уровня преждевременного коррозионного износа узлов технологического оборудования, увеличение межремонтного пробега технологического оборудования и повышение уровня безопасной эксплуатации технических устройств;
- снижает затраты на проведение мероприятий по защите оборудования от коррозионного износа.
Применение метода АЭ в составе систем ККМ позволит:
- следить в режиме реального времени за развитием локальных коррозионных повреждений;
- фиксировать глубину проникновения локальной коррозии и производить оценку скорости ее развития.
Список литературы
1. Медведева М.Л. Коррозия и защита оборудования при переработке нефти и газа: Учебное пособие для вузов нефтегазового профиля. – М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. 2005. – 312с.
2. Бурлов В.В., Алцыбеева А.И., Парпуц И.В. Защита от коррозии оборудования НПЗ. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2005. – 248 с.: ил.
3. Маркин А.Н., Низамов Р.Э. СО2-коррозия нефтепромыслового оборудования. – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ». – 2003. – 188 с.
4. Семенова И.В., Хорошилов А.В., Флорианович Г.М. Коррозия и защита от коррозии / Под ред. И.В. Семеновой. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. – 376 с.
5. Монахов А.Н., Трофимов П.Н., Алякритский А.Л., Елизаров С.В. Система комплексного коррозионного мониторинга установки первичной переработки нефти. – СТА. 2006. №2.
6. Баранов В.М., Губина Т.В. Применение акустической эмиссии для исследования и контроля коррозионных процессов: Учебн. пособие. М.: МИФИ, 1990. 72 с.
7. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В.Клюева. Т.7: В 2 кн. Кн.1: В.И. Иванов, И.Э. Власов. Метод акустической эмиссии / Кн. 2: Ф.Я. Балицкий, А.В. Барков, Н.А. Баркова и др. Вибродиагностика. – М.: Машиностроение, 2005. – 829 с.: ил.
8. Hamstad, M. A., A. O’Gallagher and J. Gary, “Examination of the Application of a Wavelet Transform to Acoustic Emission Signals: Part 1. Source Identification”, Journal of Acoustic Emission, 20, 2002, 39-61.
9. Hamstad, M. A., A. O’Gallagher and J. Gary, “Examination of the Application of a Wavelet Transform to Acoustic Emission Signals: Part 2. Source Location”, Journal of Acoustic Emission, 20, 2002, 62-81.
Версия для печати
