集氣站加熱爐腐蝕情況及建模分析

劉藝臻

（長(zhǎng)慶油田采氣四廠，內(nèi)蒙古烏審旗 017300）

集氣站加熱爐腐蝕情況及建模分析

劉藝臻

（長(zhǎng)慶油田采氣四廠，內(nèi)蒙古烏審旗 017300）

針對(duì)加熱爐隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)而容易發(fā)生腐蝕泄露的情況，對(duì)集氣站加熱爐設(shè)備的腐蝕情況進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算腐蝕的速率，對(duì)腐蝕程度進(jìn)行分析，根據(jù)腐蝕過程建立數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：腐蝕前期為第一區(qū)間，其腐蝕深度與使用時(shí)間呈線性關(guān)系，第二區(qū)間為腐蝕中期，呈多項(xiàng)式變化關(guān)系，腐蝕后期也為線性變化，但是腐蝕速度相對(duì)于第一區(qū)間較慢；加熱爐的彎管段的腐蝕程度要比直管段的腐蝕程度更為嚴(yán)重，直管段和彎管段的厚度變化符合數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)規(guī)律。

加熱爐；腐蝕；數(shù)學(xué)模型

在采氣的工藝流程中，天然氣通過管道輸送到各個(gè)集氣站和凈化廠，在運(yùn)輸所經(jīng)的所有的管線和設(shè)備都有可能發(fā)生被腐蝕的現(xiàn)象，主要原因之一是管道和設(shè)備內(nèi)的天然氣中含有硫化氫和二氧化碳等酸性氣體，這些酸性隨著年限的延長(zhǎng)會(huì)對(duì)設(shè)備造成一定的腐蝕，加之采取井中還會(huì)攜帶出來(lái)一定的液體和固體雜質(zhì)，會(huì)對(duì)設(shè)備和管道造成一定的沖刷和磨損，加劇腐蝕程度。國(guó)內(nèi)外對(duì)于設(shè)備管道的防腐進(jìn)行了大量的研究，有研究加入緩蝕劑來(lái)對(duì)設(shè)備、管道和閥門進(jìn)行防腐保護(hù)，進(jìn)行腐蝕的機(jī)理分析、動(dòng)力學(xué)、過程模擬等研究[1-5]，通過金屬腐蝕機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)金屬的腐蝕通常是由多種因素綜合影響導(dǎo)致的，金屬腐蝕缺陷有3種情況，第1種是均勻腐蝕，是指腐蝕的面積比較大，平均分布在整個(gè)金屬表面上，第2種局部腐蝕是指在金屬表面的某一區(qū)域發(fā)生腐蝕，其他區(qū)域腐蝕程度較輕或沒有腐蝕，第3種點(diǎn)腐蝕是指腐蝕發(fā)生在管道表面的某些局部的點(diǎn)，呈小孔狀，通常點(diǎn)腐蝕會(huì)造成穿孔泄露。隨著油氣田的不斷開發(fā)，油氣田設(shè)備因?yàn)槭褂脮r(shí)間的增長(zhǎng)而會(huì)造成被腐蝕穿孔或產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致泄露事故的發(fā)生[5-8]。掌握油氣設(shè)備的腐蝕情況，分析設(shè)備腐蝕的影響因素，找出設(shè)備腐蝕的規(guī)律，對(duì)評(píng)測(cè)設(shè)備的安全狀態(tài)、制定相應(yīng)的檢修計(jì)劃和保證油氣田的安全方面十分重要，這已成為國(guó)內(nèi)外對(duì)于安全生產(chǎn)的非常關(guān)注的問題。

本文對(duì)集氣站加熱爐設(shè)備的腐蝕情況進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算腐蝕的速率，對(duì)腐蝕程度進(jìn)行分析，根據(jù)腐蝕過程建立數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行驗(yàn)證，以便找出加熱爐腐蝕的規(guī)律。

1 腐蝕過程的數(shù)學(xué)模型

集氣站將來(lái)自不同采氣井的天然氣匯集并進(jìn)行脫水和凈化處理，最主要的設(shè)備有加熱爐和脫水分離器，集氣站的加熱爐采用多井式，由筒體、換熱管、排氣管組成，通過水為載熱體對(duì)盤管內(nèi)的天然氣加熱，以防止天然氣中出現(xiàn)水合物。加熱爐中的盤式換熱管由于長(zhǎng)期處于高溫沸水中，管外表面會(huì)出現(xiàn)大量的銹，將銹剝除后會(huì)出現(xiàn)連續(xù)密集的蝕坑，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，腐蝕的情況更為嚴(yán)重。

針對(duì)工業(yè)上金屬被腐蝕的情況較為復(fù)雜，將腐蝕過程可劃分成3個(gè)理想?yún)^(qū)間[9-10]，第一區(qū)間為無(wú)腐蝕層的階段，第二個(gè)區(qū)間為有部分腐蝕的階段，第三個(gè)區(qū)間為腐蝕積累到一定程度的階段。

1.1 第一區(qū)間的數(shù)學(xué)模型

第一區(qū)間的腐蝕是氧與鐵發(fā)生氧化反應(yīng)，腐蝕主要的因素是氧的侵蝕，氧的擴(kuò)散速率可以表示為氧的傳遞速率等于氧的擴(kuò)散通量與氧在總體流動(dòng)中傳遞通量的和，氧的傳質(zhì)速率No=K+DCo，氧化反應(yīng)速度與氧的擴(kuò)散速度成零級(jí)反應(yīng)，腐蝕深度與時(shí)間成線性關(guān)系：y=kx+b。

1.2 第二區(qū)間的數(shù)學(xué)模型

氧通過腐蝕的垢層擴(kuò)散到鐵的表面，此過程稱為第二區(qū)間。擴(kuò)散過程相對(duì)于第一區(qū)間要更為復(fù)雜，隨著氧化反應(yīng)的持續(xù)推進(jìn)，垢層的厚度逐漸增加，垢層也會(huì)進(jìn)一步阻止腐蝕的加速，擴(kuò)散速度隨著厚度的增加而變慢，腐蝕速度減緩。假設(shè)氧通過垢層的擴(kuò)散速率為u=dl/dt=ΔP/rΦμl，采用參數(shù)并歸，dl/dt=K/l，通過積分變換，得到l2=2Kt+C，根據(jù)偏離情況的修正可得到下列多項(xiàng)式：yn=axm+a′×m′+ax′m′+…+apxmp+C，對(duì)上式進(jìn)行求偏導(dǎo)數(shù)得到腐蝕速率與使用時(shí)間的函數(shù)：

1.3 第三區(qū)間的數(shù)學(xué)模型

第三區(qū)間隨著垢層的厚度越來(lái)越大，氧的滲透變得非常困難，腐蝕速率也在大幅的降低，因此，第二區(qū)間的速度變?yōu)椋悍e分后，腐蝕過程的數(shù)學(xué)模型為y=k′x+b，腐蝕速率與使用時(shí)間的變化關(guān)系為y′=k′。

2 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證及規(guī)律

對(duì)加熱爐的盤管彎管段和直管段管壁進(jìn)行厚度檢測(cè)，取5個(gè)點(diǎn)取平均值，根據(jù)壁厚檢測(cè)的厚度換算成腐蝕深度和腐蝕速率，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，隨著使用年限的增長(zhǎng)，彎管的受侵蝕的厚度一直都是大于直管段被侵蝕的厚度，這可能是由于彎管段的經(jīng)常收到受到的沖刷作用力更大，導(dǎo)致腐蝕程度更嚴(yán)重。從腐蝕速率來(lái)看，第一區(qū)間的腐蝕速率較大，而在第二區(qū)間腐蝕影響因素較為復(fù)雜，腐蝕速度呈不規(guī)則性，腐蝕速率仍是減弱的趨勢(shì)，第三區(qū)間的腐蝕速率也是在逐漸變小，趨于平緩。

2.1 第一區(qū)間模型的驗(yàn)證

由于第一區(qū)間的時(shí)間較短，取一年后的壁厚數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)2個(gè)不同腐蝕深度的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合比較。圖1為彎管段腐蝕深度與使用時(shí)間的變化，圖2為彎管段的腐蝕深度與使用時(shí)間的變化。由圖1和圖2可以看出，線性擬合方程的關(guān)系數(shù)約為1，兩段的腐蝕深度與使用時(shí)間均呈較好的線性關(guān)系，符合腐蝕初始階段的線性規(guī)律。對(duì)彎管和直管的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合：y=0.4424x+0.007，R2=0.992 0（彎管段），y= 0.379 4x+0.004，R2=0.997 0（直管段）。

表1 加熱爐使用時(shí)間與腐蝕深度

圖1 彎管段腐蝕深度與使用時(shí)間的變化

圖2 彎管段的腐蝕深度與使用時(shí)間的變化

2.2 第二區(qū)間模型的驗(yàn)證

從數(shù)學(xué)模型可知道，第二區(qū)間的腐蝕符合多項(xiàng)式規(guī)律，對(duì)檢測(cè)的彎管和直管段的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合如圖3和圖4所示。并將測(cè)得的腐蝕厚度與使用時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從擬合的關(guān)系曲線可以看出，在第二區(qū)間，腐蝕的垢層厚度符合多項(xiàng)式規(guī)律，腐蝕規(guī)律進(jìn)入第三區(qū)間的時(shí)間大約為5~8a，腐蝕速率變?yōu)榫徛碾A段。

圖3 第二區(qū)間的彎管段腐蝕厚度與使用時(shí)間的變化

圖4 第二區(qū)間的直管段腐蝕厚度與使用時(shí)間的變化

2.3 第三區(qū)間模型的驗(yàn)證

第三區(qū)間的數(shù)學(xué)模型也是符合線性規(guī)律，對(duì)腐蝕層厚度與使用時(shí)間進(jìn)行擬合，擬合方程的相關(guān)系數(shù)也都接近于1，符合腐蝕后期階段的線性規(guī)律，根據(jù)測(cè)量到的數(shù)據(jù)，彎管和直管在8a左右呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，彎管的腐蝕速度也稍大，從三個(gè)區(qū)間來(lái)看，第三區(qū)間的腐蝕速度要小于第一區(qū)間的腐蝕速度。

3 結(jié)論

對(duì)加熱爐的腐蝕情況進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)腐蝕過程的三個(gè)理想化區(qū)間建立數(shù)學(xué)模型，分別對(duì)3個(gè)區(qū)間進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)和曲線擬合，并結(jié)合檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證分析，得到加熱爐的腐蝕規(guī)律。

1）腐蝕前期為第一區(qū)間，其腐蝕深度與使用時(shí)間呈線性關(guān)系，第二區(qū)間為腐蝕中期，呈多項(xiàng)式變化關(guān)系，腐蝕后期也為線性變化，但是腐蝕速度相對(duì)于第一區(qū)間較慢；

2）加熱爐的彎管段的腐蝕程度要比直管段的腐蝕程度更為嚴(yán)重，直管段和彎管段的厚度變化復(fù)合數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)規(guī)律。

3）針對(duì)加熱爐的防腐蝕，加入緩蝕劑可以減少對(duì)設(shè)備的腐蝕，同時(shí)保持對(duì)加熱爐腐蝕情況的監(jiān)測(cè)，利用加熱爐腐蝕的規(guī)律預(yù)測(cè)設(shè)備腐蝕可能發(fā)生的情況，以便能及時(shí)的對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，保證加熱爐的安全運(yùn)行。

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Study on Corrosion Behavior of Heating Furnace in Gas Gathering Station

LIU Yi-zhen

Aiming at the furnace gas gathering station increase with time and prone to corrosion leaks，to measure the corrosion of the gas gathering station heating equipment，calculate the corrosion rate，corrosion degree of analysis，establish the mathematical model according to the corrosion process，and verify.The results show that the corrosion early for the first interval，there is a linear relationship between the corrosion depth and corrosion time，middle variation polynomial，corrosion period is also linear change，but the corrosion rate more slowly；the degree of corrosion of the pipe section of the heating furnace is more serious than that of the corrosion degree of straight pipe，straight pipe and elbow the thickness change of the composite mathematical model of law.

heating furnace；corrosion；mathematical model

TE977

B

1003–6490（2017）05–0130–02

2017–04–04

劉藝臻（1992—），男，陜西渭南人，助理工程師，主要從事采氣設(shè)備維護(hù)工作。