壁厚在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在煤化工壓力管道中的應(yīng)用研究

趙軍

（中煤陜西榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719000）

1 前言

中煤陜西榆林能源化工有限公司化工分公司的建設(shè)規(guī)模如下：4×60000Nm3/h制氧空分裝置、（6+2）×1500t/d投煤量氣化裝置、54Nm3/h（CO+H2）凈化裝置、180萬噸/年甲醇合成裝置、60萬噸/年甲醇制烯烴（MTO）裝置、30萬噸/年聚丙烯裝置、30萬噸/年聚乙烯裝置等主生產(chǎn)裝置，配套建設(shè)4臺(tái)480t/h循環(huán)流化床鍋爐、2臺(tái)100MW發(fā)電機(jī)組的自備熱電站以及凈水場(chǎng)、循環(huán)水場(chǎng)、污水處理裝置、回用水裝置、罐區(qū)、倉庫等公用工程、輔助設(shè)施、廠外工程等。項(xiàng)目于2011年8月開工建設(shè)，2014年7月竣工投產(chǎn)。主要采用；額美國GE公司水煤漿氣化技術(shù)、德國Linde公司低溫甲醇洗凈化技術(shù)、英國Davy公司甲醇合成技術(shù)，荷蘭荷豐的克勞斯工藝技術(shù)，中科院大連化物所甲醇制低碳烯烴技術(shù)（DMTO）、美國ABB Lummus公司烯烴分離技術(shù)、美國Univation 公司UNPIO PE技術(shù)、美國DOW化學(xué)公司UNIPOL TM PP工藝技術(shù)路線。

從2014年7月開車至今約7年，裝置始終保持安穩(wěn)長滿優(yōu)運(yùn)行。

其間，各裝置的管道在運(yùn)行過程中不同程度地出現(xiàn)了沖刷、沖蝕、腐蝕減薄、沙眼、穿孔等各類缺陷，給裝置的安穩(wěn)運(yùn)行帶來了很大的隱患。近年來，對(duì)化工裝置的安全運(yùn)行、安全管理、智能化管理等工作都提出了更高更嚴(yán)格的要求，因此有必要針對(duì)上述管道運(yùn)行中存在缺陷進(jìn)行智能化在線監(jiān)測(cè)。

2 監(jiān)測(cè)技術(shù)路線選擇

壁厚是壓力管道完整性評(píng)價(jià)重要參量之一，《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則—工業(yè)管道》（TSG D7005-2018）中明確壁厚測(cè)定是定期檢驗(yàn)項(xiàng)目之一。《承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)》（GB/T 35013-2018）規(guī)定了含減薄缺陷承壓部件的壁厚測(cè)定、表征方法，以及含均勻減薄型缺陷的承壓部件合于使用評(píng)價(jià)方法。隨著傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，壁厚實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛使用于壓力管道安全保障領(lǐng)域。高酸氣田管道容易腐蝕，馬文明等在管道易腐蝕部位安裝超聲波壁厚監(jiān)測(cè)傳感器，并借助無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸上云端，實(shí)現(xiàn)壁厚實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。賴海濤等通過壁厚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了站場(chǎng)管道腐蝕監(jiān)測(cè)，并根據(jù)90組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出腐蝕速率為剩余壽命和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算提供依據(jù)。

中煤陜西公司在日常運(yùn)行、定期檢驗(yàn)（采用RBI檢驗(yàn)）中發(fā)現(xiàn)壓力管道某些區(qū)域腐蝕減薄較快，為企業(yè)安全生產(chǎn)帶來較大危害。為了掌握壁厚減薄規(guī)律，根據(jù)日常檢驗(yàn)記錄，并采用RBI檢驗(yàn)手段進(jìn)行篩選，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)普遍的監(jiān)測(cè)手段，如腐蝕掛片、在線探針、在線超聲壁厚監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段，鑒于煤化工的物料為含固物料等因素，決定選用在線超聲的壁厚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)掌握壓力管道壁厚變化情況。

3 RBI檢驗(yàn)技術(shù)及管道測(cè)厚點(diǎn)選取

基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)（RBI）是一種追求系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一的理念與方法，它是在對(duì)系統(tǒng)中固有的或潛在的危險(xiǎn)發(fā)生的可能性與后果進(jìn)行科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，給出風(fēng)險(xiǎn)排序，找出薄弱環(huán)節(jié)，以確保本質(zhì)安全和減少運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)，優(yōu)化檢驗(yàn)策略的一種管理方式。

RBI風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)基本方法有定性分析、半定量分析、定量分析等。定性和半定量分析結(jié)果比較粗糙，定量分析可以給出精確地檢驗(yàn)策略。

要實(shí)現(xiàn)良好的腐蝕控制，最重要的是在整個(gè)裝置合理的布置現(xiàn)場(chǎng)腐蝕測(cè)厚點(diǎn)，監(jiān)測(cè)整個(gè)裝置的腐蝕情況。中煤陜西公司對(duì)全廠的壓力管道臺(tái)賬進(jìn)行了梳理，結(jié)合歷年運(yùn)行中管道曾經(jīng)出現(xiàn)的泄漏、穿孔等情況，對(duì)曾經(jīng)出現(xiàn)過的泄漏的部位進(jìn)行布置，對(duì)于部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)根據(jù)RBI檢驗(yàn)機(jī)理中設(shè)備失效模式的分析，也對(duì)其進(jìn)行了適時(shí)布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，涵蓋了渣水、水煤氣、冷凝液、合成氣、酸性氣、丙烯、粗甲醇、急冷水、碳四、鍋爐給水等介質(zhì)，結(jié)合管道的材質(zhì)、操作條件、介質(zhì)等隱私，選取部分管道的彎頭、三通、大小頭等流蘇、流向發(fā)生突變的位置以及容器管線高溫部位，設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)。梳理后的監(jiān)測(cè)點(diǎn)情況見表1：

表1 化工分公司在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置表

4 壓力管道壁厚監(jiān)測(cè)應(yīng)用

系統(tǒng)主要由傳感器、無線網(wǎng)關(guān)和中心服務(wù)器組成，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示，軟件采用B/S架構(gòu)，通過瀏覽器可以遠(yuǎn)程訪問中心服務(wù)器上壁厚數(shù)據(jù)。

圖1 在線測(cè)厚系統(tǒng)拓?fù)鋱D

針對(duì)高溫管道情況，采用耐高溫傳感器，通過導(dǎo)波桿提供彈性波收發(fā)方式以達(dá)到高溫環(huán)境適用性目的。傳感器配置可更換充電電池，以滿足長周期監(jiān)測(cè)需要。壁厚測(cè)量范圍：3～50mm，測(cè)量精度0.01mm，溫度范圍-180～600℃，防爆等級(jí)Ex ia II CT4 Ga，滿足煤化工現(xiàn)場(chǎng)防爆要求，采集頻率一般設(shè)置24小時(shí)/次，可以定制化設(shè)置。

安裝方式為卡箍式和螺柱式。螺柱式安裝通過在管道壁厚測(cè)試位置焊接螺柱，傳感器探頭固定牢固，超聲信號(hào)損失少，適合長周期監(jiān)測(cè)，缺點(diǎn)是測(cè)點(diǎn)位置布設(shè)不靈活；卡箍式安裝靈活，方便改變測(cè)點(diǎn)位置，但是對(duì)安裝工藝要求更高，只適用于溫度100℃以下的管道。圖2為2種安裝方式。

圖2 傳感器安裝方式

同時(shí)為了減小信號(hào)損失，監(jiān)測(cè)管道表面需要滿足一定光滑度要求，管道表面打磨處理，清理出管線探頭安裝區(qū)域，確保表面應(yīng)無可見的油脂、污物、氧化皮、鐵銹、油漆涂層和雜質(zhì)，并呈現(xiàn)出金屬光澤。打磨區(qū)域幾何尺寸見圖3所示。

無線網(wǎng)關(guān)防爆等級(jí)Ex ia II CT4 Ga，與傳感器傳輸距離最遠(yuǎn)達(dá)到50m，最多支持7個(gè)傳感器信號(hào)傳輸，滿足煤化工企業(yè)距離和安全需求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝點(diǎn)位分布情況，確定網(wǎng)關(guān)具體的安裝位置，確保所有探頭可接入該網(wǎng)關(guān)。無線網(wǎng)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖3所示。

圖3 探頭安裝打磨區(qū)域圖

圖4 無線網(wǎng)關(guān)安裝現(xiàn)場(chǎng)

中心服務(wù)器用于接收、存儲(chǔ)、備份網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)；管理在線測(cè)厚數(shù)據(jù)庫；向?yàn)g覽站發(fā)布在線測(cè)厚數(shù)據(jù)。中心服務(wù)器采用雙硬盤冗余熱備份，保障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全。安裝在中心服務(wù)器上主要軟件為：網(wǎng)關(guān)管理器Gateway manager、數(shù)據(jù)庫軟件SQL server express、基于Web瀏覽器的數(shù)據(jù)瀏覽軟件Data Manger。

在線測(cè)厚軟件系統(tǒng)為中文界面，具備B/S遠(yuǎn)程瀏覽器模式，可以在局域網(wǎng)網(wǎng)頁上瀏覽。具備讀取現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)厚數(shù)據(jù)功能，對(duì)比分析各個(gè)測(cè)點(diǎn)壁厚變化趨勢(shì)，并能判斷和評(píng)估其壽命和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。軟件界面如圖5所示。

圖5 軟件界面

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

以氣化裝置1號(hào)排渣管線為例，管道材料為A106，管線壁厚為33mm。

選擇2020年9月至今的壁厚監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖6所示。管道溫度波動(dòng)將導(dǎo)致導(dǎo)波桿中波速變化，因此壁厚數(shù)值需要結(jié)合溫度變化一起考慮。壁厚系統(tǒng)給出該時(shí)間段內(nèi)溫度同步采集結(jié)果，如圖7所示。

圖6 壁厚數(shù)據(jù)

圖7 溫度數(shù)據(jù)

綜合溫度和壁厚數(shù)據(jù)，8個(gè)月的時(shí)間，壁厚從33mm降至27mm，腐蝕速率為0.96mm/月，監(jiān)測(cè)表明該部位的壁厚值減薄較為明顯，應(yīng)作為重點(diǎn)部位予以觀察。此數(shù)據(jù)與離線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)比對(duì)一致。

6 結(jié)語

通過加裝壁厚在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)壁厚數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析，主要結(jié)論如下：（1）超聲波測(cè)厚模式具有測(cè)量精度高、耐高溫適用性強(qiáng)，安裝方式靈活，受現(xiàn)場(chǎng)影響小等優(yōu)點(diǎn)；（2）通過壁厚實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)人工勞動(dòng)成本，提高工作效率，尤其是對(duì)某些高危型區(qū)域，提高了人工安全性；（3）超聲波壁厚在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確率達(dá)到99%以上，能夠?yàn)槊夯す艿栏g防控提供穩(wěn)定和可靠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；（4）超聲波壁厚在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無線傳輸技術(shù)，避免增加線路或者打開接線盒，降低安裝成本，提高安裝效率，具有較高的工程使用價(jià)值。