Прогнозирование максимальной точечной коррозии на магистральных трубопроводах, транспортирующих высокосернистую нефть

Введение
Питтинговая коррозия - один из опасных видов локального коррозионного разрушения, характерного для условий, когда пассивное состояние поверхности металла или сплава может частично нарушаться. При этом коррозии подвергаются весьма ограниченные участки металла, а вся остальная поверхность находится в устойчивом пассивном состоянии, что приводит к появлению точечных язв или глубоких питтингов. Обычно такой коррозии подвергаются легкопассивирующиеся металлы и сплавы: хромистые и хромоникелевые стали, алюминий и его сплавы, никель, титан и др.
Питтинговая коррозия возникает в растворах, содержащих окислители (например, кислород) и одновременно активирующие анионы (Cl-, Br-, I-), например, в растворах хлорного железа, в морской воде, в смесях азотной и соляной кислот и др.
Зачастую в течение нескольких лет они находятся в состоянии покоя и становятся активными при изменении условий эксплуатации, при этом их глубина увеличивается с очень высокой скоростью – несколько милов в год (1 мил/год = 25,4 мкм/год – Прим. ред.). В настоящее время для определения критических участков специалисты опираются на регулярную внутритрубную диагностику и опыт эксплуатации. Изучению основных физико-химических механизмов точечной коррозии посвящены обширные исследования. Несмотря на важность понимания термодинамики и кинетики процесса точечной коррозии, ограничения механических подходов проистекают из их сложности (зачастую исходные данные недоступны) и большого разнообразия коррозионных сред. Эмпирические модели, основанные на доступных рабочих параметрах, становятся более предпочтительными по сравнению с механическими моделями. В научной литературе представлено крайне мало моделей для прогнозирования скорости точечной коррозии в трубопроводах из углеродистой стали.
Рассматриваемая в настоящей работе эмпирическая модель разработана на основе тщательных экспериментов как в лаборатории, так и на действующих канадских трубопроводах, транспортирующих нефть без использования ингибиторной защиты. Входные данные, требующиеся для этой модели, как правило, являются доступными: температура, расход, данные об обводненности нефти, о химическом составе воды и конструкции трубопровода. Целью настоящей работы является оценка ее применимости для прогнозирования максимальной точечной коррозии на магистральных трубопроводах, транспортирующих высокосернистую нефть.
1. Сбор эксплуатационных данных для оценки модели
40005303276000Данные о скорости точечной коррозии, использованные для тестирования и верификации численной модели, были получены посредством рассеяния магнитного потока. Этот метод был применен на десяти нефтепроводах, выбранных на основе данных внутритрубной диагностики (in-line inspection, ILI), полученных с интервалом 2 и 4 года. Метод рассеяния магнитного потока позволяет получить карту глубины коррозионных повреждений по всей длине трубопровода. Для получения оценки скорости точечной коррозии требуется как минимум два пропуска диагностического снаряда. Синхронизация обоих сигналов необходима для оценки скорости точечной коррозии по изменению глубины язв следующим образом:
Синхронизацию предпочтительно проводить автоматически, поскольку обработке подлежит большое количество язв. Впоследствии можно провести уточняющий ручной визуальный контроль их характеристик (глубины, положения, соотношения длины и глубины), полученных в результате автоматической синхронизации. В данном случае для оценки качества автоматической синхронизации было выбрано по 25 элементов каждого из десяти трубопроводов. Значения максимальной скорости точечной коррозии, полученные при автоматической синхронизации и не подвергавшиеся ручному контролю, систематически отличаются от проверенных вручную и являются более высокими. Процентная доля из 25 элементов каждого трубопровода, чья скорость точечной коррозии была правильно рассчитана автоматически, также показана в рис.1. Данный показатель варьируется от 0 % до 64 % со средним значением 14,4 %. Этот уровень слишком низок, чтобы использовать максимальные значения скорости точечной коррозии, полученные в результате автоматической синхронизации. Для тестирования модели в качестве контрольных значений для всех десяти трубопроводов были взяты лишь максимальные значения 17716556769000скорости точечной коррозии, подтвержденные результатами ручного контроля.
Рис.1

. Максимальная скорость точечной коррозии по результатам автоматической синхронизации ручной проверки и процент соответствия полученных этими методами значений
2. Мониторинг коррозии в режиме реального времени
С помощью сигнала с током 4-20 мА оператор установки может следить за состоянием коррозии в режиме реального времени. Оператор может сравнить текущие показания с предыдущими и быстро определить изменения качества воды, ее состава, а также оценить эффективность работы ингибитора (антиокислителя). Все перечисленные факторы, влияющие на интенсивность коррозии трубопровода, можно контролировать и управлять ими более эффективно с помощью системы мониторинга коррозии. Более того, оператор, использующий такую систему, может планировать замену оборудования, вызывающего сомнения, в рамках упреждающего техобслуживания.
Традиционный метод контрольных пластин, основанный на оценке коррозийного эффекта за некоторый промежуток времени, не позволяет выделить связь коррозии с остальными процессами. Он не идет ни в какое сравнение с передовыми технологиями коррозийных датчиков, которые позволяют измерять интенсивность общей и точечной коррозии в реальном времени. Теперь интенсивность коррозии, как и любой параметр процесса (такой как давление, поток, уровень, температура и pH), может отслеживаться оператором установки или инженером системы управления с помощью пользовательского интерфейса.
Технология коррозийных датчиков позволяет обнаруживать питтинг даже при низком уровне общей коррозии. Это очень важно, так как точечная коррозия, не обнаруженная и не устраненная на ранней стадии, становится особенно опасной.
Для управления процессом критически важен непрерывный контроль параметров, таких как давление, температура и уровень (смотри рисунки: непрерывный и дискретный контроль давления и коррозии). Поэтому трудно переоценить необходимость непрерывного контроля степени коррозии, ведь последствия возможного затопления, выхода системы из-под контроля, даже просто проржавевшие трубы, могут привести к большим убыткам.
Стандартные зонды, используемые для обнаружения коррозии, состоят их трех электродов: два измерительных и один опорный. Для достижения высокой точности измерений, электроды должны быть сделаны из того же материала, что и контролируемый трубопровод или резервуар. На электродах создается небольшое напряжение, после чего их помещают непосредственно в коррозийную среду. Датчик снимает и анализирует показания электродов с семиминутной периодичностью, предоставляя точные данные о процессе коррозии.
В наличии имеются различные типы механических зондов фиксированной и регулируемой длины, как для непосредственной, так и для удаленной установки. Температура коррозийной среды может достигать 125 °C, а сам датчик функционирует при температурах от -28 до +70 °C. Вещество внутри трубопровода или резервуара должно содержать, по крайней мере, 1% воды. Датчики коррозии подходят для любых промышленных задач: от очистки сточных вод до химической переработки нефти. Если датчики не установлены в зоне повышенной опасности (во взрывоопасных зонах), их можно подключить к аналоговым вводам системы сбора данных или программируемому логическому контроллеру согласно местным и общегосударственным нормам.
Для задач второй категории риска (Division 2 applications) маломощность датчиков допускает их непосредственную установку в зонах повышенной опасности, если вещество в трубопроводе не является легко воспламеняющимся. В этом случае контрольный сигнал (ток 4-20 мА) должен подключаться согласно нормам второй категории опасности государственного стандарта по установке электрооборудования.
3. Оценка модели точечной сероводородной коррозии
Обсуждаемая модель была разработана в начале 2000-х годов для прогнозирования внутренней точечной коррозии нефте- и газопроводов. Ее преимущества: применимость к трубопроводам, транспортирующим как сернистые, так и бессернистые углеводороды, доступность большинства входных параметров и эмпирический компонент модели. Последний был разработан в лабораторных условиях, подобных эксплуатационным, при высоком давлении и высокой температуре, при этом основан на данных о темпах роста 144 коррозионных точечных повреждений, собиравшихся в течение четырех лет на шести трубопроводах