哈法亞油田CPF3的腐蝕監測技術應用

程 明

(1.中國石油工程建設有限公司西南分公司,成都 610041; 2. 中國石油工程建設有限公司中東地區公司，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，可采儲量約為41億桶。根據2010年簽署的《哈法亞油田開發生產服務合同》，該油田由以中國石油為首的聯合作業體進行為期20 a的開發生產作業。

2012年6月，哈法亞油田一期竣工投產(年產能500萬t)；2014年8月，二期建設投產，年產能提升至1 000萬t；2017年5月24日，三期原油中央處理廠(CPF3)及配套系統項目正式開工，建成后實現年產能2 000萬t。

哈法亞油田產出油為重質高含硫原油，產出水中氯離子含量極高，產出氣中H2S、CO2含量均較高，油田地面生產設施面臨嚴重的腐蝕風險[1]。結合哈法亞油田一期、二期的建設及運營經驗，CPF3項目致力于構建全面、準確且實時的腐蝕監測網絡，在運營中獲取各流程的腐蝕狀況，進而優化調整生產工藝和設備管道檢維修計劃。

1 腐蝕監測技術簡介

用于油田開發生產的腐蝕監檢測技術分為離線檢測和在線監測兩大類[2]。離線檢測指在特定時間段獲取管道、設備的裂紋或剩余壁厚等腐蝕數據，評估管道腐蝕風險。離線檢測需要定期、定點測試，具有周期長、不能連續測試等缺點。在線監測技術可實時、連續獲取管道及設備不同時期的腐蝕信息(如腐蝕失重、腐蝕電流等)，以及生產操作參數(包括加工工藝、腐蝕防護措施)與設備運行狀態間相互聯系的數據，并依此調整生產操作參數，最終實現控制腐蝕的發生與發展，使設備處于良性運行狀態。

常用的離線檢測技術包括：腐蝕掛片、超聲波定點測厚、漏磁檢驗、渦流法等。常用的在線腐蝕監測技術包括：電阻探針、線性極化電阻探針、電感探針、交流阻抗探針、電化學噪聲探針等。

在現實生產中，單一的腐蝕監測方法不能滿足用戶的要求，通常需要同時采用多種方法才能獲得比較準確可靠的腐蝕監測信息。通過哈法亞油田一期、二期的運行實踐，三期項目腐蝕監測系統采用電阻探針進行在線腐蝕監測，同時也使用腐蝕掛片、超聲波定點測厚等離線檢測技術。工藝介質分析和腐蝕產物分析也十分重要，可以反映出腐蝕發生的主要原因和腐蝕狀況，與腐蝕監測數據關聯后，可用于預測可能發生的腐蝕及其程度。

2 腐蝕監測方法

2.1 腐蝕掛片

腐蝕掛片法，將相同材質的腐蝕掛片直接置于腐蝕環境中，定期取出掛片測量腐蝕速率、觀察腐蝕形貌，是一種原始且被廣泛接受的腐蝕監測方法。該方法具有原理簡單、價格低廉、適用介質廣等特點，但監測周期長,通常在1個月以上。腐蝕掛片監測數據主要用于評估設備選材和監測工藝防腐蝕措施的應用效果，也可作為其他腐蝕監測數據比較的基礎。

哈法亞油田CPF3項目選用的腐蝕掛片安裝結構見圖1，并提出了如下技術要求：1) 選材滿足NACE MR0175-2015標準[3]要求，產品的制造滿足NACE SP0775-2013標準[4]要求；2) 高壓承載器安裝在12點鐘方向，選用實心插體,其設計應滿足帶壓操作的需要；3) 采用長7.62 cm的條狀標準掛片，表面磨光處理，暴露面積為33 cm2。

圖1 腐蝕掛片安裝結構示意

當高壓承載器與回收工具和伺服閥一起使用時，可在帶壓狀態下安全、便捷地插入和取出多種腐蝕監測設備，也可帶壓插入和取出緩蝕劑注入或取樣設備。

2.2 電阻探針

當金屬元件在工藝介質中被腐蝕時，金屬橫截面面積會減少，使單位長度的電阻相應增加。電阻探針技術是利用監測電阻變化來測定腐蝕或磨蝕引起的金屬損耗，并把金屬損耗作為時間的函數繪制曲線圖，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間間隔內的平均腐蝕速率。

圖2 金屬損耗與平均腐蝕速率的關系曲線

上述工作原理決定了電阻探針只能用于監測均勻腐蝕情況下的腐蝕速率，而不能用于監測點蝕。該方法可適用于除液態金屬或某些電導性熔鹽之外的任何實際環境中，具有監測周期短、價格較低、易于操作等優點，且監測時無需取出探針就能獲得實時腐蝕數據，可用于構建在線腐蝕監測網絡。在電阻探針使用過程中需注意，當具有導電性的腐蝕產物、氧化皮等沉積到探針表面時，電阻探針的測試準確度會受到影響。

結合哈法亞油田CPF3運行溫度變化的特點，選用的電阻探針需滿足自動溫度補償、靈敏度高、可帶壓拆卸等要求。電阻探針外形結構見圖3，主要技術要求如下：1) 選材滿足NACE MR0175-2015標準要求，產品的性能滿足NACE SP0192-2012標準[5]要求；2) 高壓承載器安裝在12點鐘方向，選用空心插體,其設計應滿足帶壓操作的需要；3) 電阻探針形狀為管狀,預期壽命2 a，厚度為0.508 mm，測量范圍0.254 mm,分辨率不低于元件厚度的1/100 000，精度1.27 nm,響應時間小于24 h。

圖3 電阻探針外形結構

電阻探針使用一個受保護的免于腐蝕的參比元件來實現電阻率隨溫度變化的補償。當測量元件的電阻隨溫度升高而增加時，參比元件的電阻也會增加，但兩種元件的電阻比值保持不變，即可實現自動補償因溫度變化帶來的電阻變化。

選擇正確的探頭靈敏度，是按照最優的性價比實現腐蝕監視系統最佳效果的關鍵。靈敏度高的探頭對于過程擾動具有更快的響應。當預期的腐蝕速率較低，或者要求對過程變化快速響應時，需選擇敏感度較高的探頭。當預期的腐蝕速率為中等或高，且監測系統的目標是確保腐蝕處在一個可接受的限度，而不是快速探測過程擾動時，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個月。

2.3 超聲波定點測厚

管道測厚包括普查測厚和定點測厚。定點測厚監測主要用于監測管道腐蝕速率，通常采用超聲波定點測厚(US-CP)的方法。這種方法是利用壓電換能器產生的高頻聲波穿過材料，再測量回聲返回探頭的時間或記錄產生共鳴時聲波的振幅，以檢測壁厚。定點測厚分為在線定點、定期測厚和檢修期間定點測厚。測厚監測主要針對設備、管道的均勻腐蝕和沖刷腐蝕，對于氫腐蝕、應力腐蝕等需通過其他檢測手段進行監測。在高溫硫腐蝕環境中，應重點對碳鋼、鉻鉬合金鋼制設備、管道進行測厚監測。新建或新投用的設備及管道，在投用前應確定定點測厚的位置，并取得原始壁厚數據。

哈法亞油田CPF3項目選用的超聲波測厚系統結構見圖4，主要技術要求如下：1) 超聲波測厚儀使用RTD溫度補償的標準超聲波傳感器，測量范圍為2.5～50 mm，分辨率為 2.54×10-3mm；2) 每個測量點設置5個超聲波傳感器，3個位于6點鐘方向、1個位于4點鐘方向、1個位于10點鐘方向；3)通過便攜式測量儀，可以讀取、存儲測量數據。

圖4 超聲波測厚系統

3 腐蝕監測點位置

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、公用工程等幾個主要系統，主工藝流程包括原油工藝和產出水工藝。原油和產出水中含有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酸性氣體產生的腐蝕。通常，隨著溶液中H2S、CO2含量的增加，pH降低，環境的腐蝕性增強。

腐蝕監測點的選取應遵循“區域性、代表性、系統性”的原則，圍繞整個油田生產系統的各個環節合理選擇監測點。在介質或操作條件發生改變的典型區域，需集中布設監測點,且腐蝕掛片與電阻探針宜成套對應設置。定點測厚優先設置在易腐蝕和沖刷部位，并根據介質腐蝕性在典型區域集中布設。

3.2 現場分布

通過工藝分析，在哈法亞油田CPF3具有代表性的油1區、油2區、水處理區、氣工藝區、外輸區共計設置51套腐蝕掛片、50套電阻探針和20處定點測厚監測。這些腐蝕監測點分別建在原油進口、分離后原油、脫鹽后原油、分離后的水、脫鹽后的水、脫鹽后的循環水、穩定態原油、外輸原油、原料氣、凝析油、產出水等流程及管線處，對油、氣生產系統全過程進行監測，具體分布情況見表1。

4 在線腐蝕監測系統

哈法亞油田CPF3的在線腐蝕監測系統由電阻探針、變送器、接線盒、智能接口單元(IIU)和腐蝕監測服務器(ICMS)組成，其組成系統見圖5。圖中：CP-034320等表示腐蝕監測點位號，JB表示接線箱，RS485表示通訊電纜。

變送器能高分辨率腐蝕測量、快速響應、在線傳輸或數據記錄探針獲取的腐蝕數據，它通過標準防爆認證，且能通過RS485現場總線進行通訊。變送器有效輸出的是金屬損耗、標準計算的腐蝕速率、公制或英制的每日腐蝕速率、以及變送器狀態。單根RS485電纜可通過接線盒串接最多32個變送器。這單根多點電纜包含了給變送器供電的24 V直流電源和RS485通信總線，以避免每一個變送器都需要一根連接電纜的情況。

表1 腐蝕監測點分布

智能接口單元的主要用途是提供腐蝕速率的計算，而用于腐蝕速率計算的數據源于變送器測出的金屬損耗。智能接口單元是為中小規模的在線系統設計的，易于集成到已有的數據采集與監視控制(SCADA)系統和集散控制(DCS)系統中。多臺變送器通過RS485通信總線將腐蝕監測數據傳輸到智能接口單元，在此處理匯總，最后通過RS485通信總線傳向腐蝕監測服務器(ICMS)。

圖5 在線腐蝕監測系統圖

腐蝕監測服務器(ICMS)是一個綜合性的腐蝕數據管理解決方案,提供了腐蝕數據的輸入手段，可接收來自智能接口單元、變送器、便攜式數據記錄儀等多種數據源輸入數據，以及來自探頭及掛片的人工輸入數據。腐蝕監測服務器能通過DCS系統進行數據交換，腐蝕數據與工藝過程數據的關聯計算，并通過腐蝕管理軟件以圖形方式繪制各探頭的腐蝕數據與時間的關聯圖，用于腐蝕規劃管理和各種報表的準備。通常，DCS系統是為了工藝過程控制而優化的，很難進行關聯計算并調用過去數天及數周的過程數據，而這恰恰是腐蝕控制與管理要求作到的。該服務器能便捷地找出腐蝕數據與來自DCS系統各種過程參數之間的相關性。

5 結論與建議

哈法亞油田CPF3同時采用三種腐蝕監測技術，互為補充，使數據解釋更為準確可信。腐蝕監測點數量眾多并具有代表性，使得生產運行中可獲得大量有效數據，有利于全面腐蝕數據庫的建立。

項目投產后，可利用在線腐蝕監測系統的便捷與高效，結合腐蝕監測服務器所具備的綜合性腐蝕數據管理能力，為生產工藝調整及緩蝕劑加注等生產作業提供技術支持，并降低生產裝置腐蝕事故的發生概率。