基于灰色系统理论的常压蒸馏装置腐蚀预测

王正方,王 勇,刘秀华

(1.中国石油大学机电工程学院,山东东营 257061;2.山东大学机械工程学院,山东济南 250061; 3.淄博市特种设备检验研究所,山东淄博 255030)

基于灰色系统理论的常压蒸馏装置腐蚀预测

王正方1,2,王 勇1,刘秀华3

(1.中国石油大学机电工程学院,山东东营 257061;2.山东大学机械工程学院,山东济南 250061; 3.淄博市特种设备检验研究所,山东淄博 255030)

针对某炼油厂炼制中东进口原油后常压蒸馏装置设备冲刷腐蚀明显加重的问题,在常压蒸馏塔顶换热器入口分配管弯头处进行定点测厚,对其厚度减薄情况进行监测。弯头壁厚数列是准光滑序列,它的一次累加生成具有准指数规律,可以建立灰色微分方程。针对此灰色腐蚀系统建立 G M(1,1)模型,利用此模型对原始数据序列进行模拟的平均相对误差为 1.90%,而通过对原始数据序列加上 100进行平移,然后再从预测结果中扣除增加量的方法得到改进的 G M(1,1)模型,平均相对误差为 1.31%,模型精度得到提高。采用全部数据建立改进的 G M(1,1)模型,对弯头的壁厚进行模拟,对未来可能的壁厚进行区间预测。结果表明:弯头在 2 a的使用期内是安全的,3 a后弯头极有可能蚀穿;采用灰色系统理论对冲刷严重的部位进行寿命预测是可行的,有助于制定合理的检修周期,保障设备的安全。

腐蚀预测;灰色系统模型;G M(1,1)模型;弯头

长期以来,我国炼化企业的生产装置一直沿用一年一次停车大检修的做法。目前常减压催化裂化等主要生产装置已经部分实现了三年一修[1-2]。某炼油厂第三常减压装置加工进口中东原油,硫含量超过 1.5%,酸值在 0.3 mg/g左右。中东原油轻油收率高,符合我国对燃料油的需求,但是常压蒸馏塔顶气相产品流量大,设备冲刷腐蚀严重。常压蒸馏装置塔顶低温部位属于 HCl—H2S—H2O型腐蚀[3-4]。塔顶换热器入口分配管弯头处由于流体产生湍流,冲刷腐蚀特别严重[5-8]。采用 RB I(Risk Based Inspection-基于风险的检测),可以对常减压装置进行风险评价,但是费用十分昂贵。RB I只能评估整台设备或者整条管道风险的等级,不能对管线分段分析,对于这种由于冲刷腐蚀造成局部失效的形式并不适用[9]。在生产中只能通过加强操作工人巡检的力度,发现泄露之后进行带压堵漏,或者采用外面包盒子处理,有时不得不停掉该组换热器,造成非计划检修,严重影响企业效益。灰色系统理论成功地用于社会系统、经济系统等不确定系统[10]。进口原油由于产地不同,性质相差很大,影响腐蚀速度变化的因素很多,数据无规律性,笔者采用灰色系统理论的方法对常压蒸馏装置的腐蚀问题进行研究。

1 腐蚀监测情况

炼制进口原油,采用一脱三注工艺,可以有效地减缓整个装置设备的腐蚀。用电阻探针在常压蒸馏塔顶测得的腐蚀速度最高达 2.6 mm/a,平均约为 1 mm/a,说明采用碳钢材料是可以的。但是,分配管弯头等部位由于流体的冲刷作用,局部腐蚀速度远高于直管段,多次发生泄露,造成非计划停车。塔顶换热器入口分配管弯头规格为Φ219 mm×9 mm,材料为 20#钢。在弯头外部拐弯部位 100 mm范围内,采用超声波测厚仪定点测厚的方法,每隔一个月测量弯头的壁厚,共测 18次,数据见表 1。

表1 弯头壁厚Table 1 Elbow thickness mm

2 GM(1,1)模型的建立

取弯头的壁厚为 X(0),这是一个非负的序列, X(0)=(x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)),n=1～18。X(1)为 X(0)的一次累加生成,表示为

对 X(0)进行准光滑性检验,

当ρ(k)∈[0,ε],ε<0.5时,称 X(0)是准光滑序列。计算得当 k>2时,弯头壁厚数列为准光滑序列。

检验 X(1)是否具有准指数规律:

当σ(1)(k)<2时,称 X(1)具有准指数规律。计算得σ(1)(k)<2,因此弯头壁厚数列是准光滑序列,它的一次累加生成具有准指数规律,满足光滑条件,可以建立灰色微分方程。

Z(1)为 X(1)的紧邻均值生成,Z(1)=(Z(1)(2), Z(1)(3),…,Z(1)(n)),其中

Z(1)(k)=0.5x(1)(k)+0.5x(1)(k-1),

k=2～18,则

称为 G M(1,1)模型,一阶方程一个变量

为灰色微分方程的白化方程,其中 a,b为待识别参数,称 a为发展系数,b为灰色作用量。a,b通过X(1)的最小二乘法求得:

其中

白化方程的解为

灰色微分方程的时间响应序列为

累减还原得到 X(0)的预测值采用Matlab语言编程计算出 x(0)的值,见表 2。

表 2 误差检验结果Table 2 Error test results

3 误差检验

预测模型的精度可以采用相对误差检验、关联度检验和后验差检验等方法[1]进行检验,本文中采用相对误差检验 (表 2),预测模型精度达到合格级别。残差为

残差平方和为

相对误差为

平均相对误差为

4 GM(1,1)模型的改进

腐蚀系统是一个广义的能量系统,建立的 G M (1,1)模型是一个指数函数,用来建模的数据较小时,曲线靠近坐标轴,预测误差较大。在原始数据序列中加上一个数,建立改进的 G M(1,1)模型,使曲线偏离坐标轴,然后从预测结果序列中减去所加的数,可以提高预测精度,本文加数为 100。从表 2可以看出,改进的 G M(1,1)模型平均相对误差为1.3084%,模型的精度有所提高。原始数列平移对误差的影响见表3。

随着平移的加大,残差平方和与平均相对误差均呈减小趋势,平移距离超过 100 000时,对提高模型精度失去作用。

表 3 原始数据数列平移对误差的影响Table 3 I nfluence of original data series translation on error

5 部分信息模型和新陈代谢模型

取全部 18个月的数据建立模型,改进的 G M (1,1)模型平均相对误差为 1.31%,相对误差最大为 2.98%。事实上任何一个灰色系统在发展过程中随着时间的推移,会有一些随机的扰动因素加入其中,使系统的发展受到影响。在原油加工过程中,原油的含硫量、活性硫的含量、氯化钠、氯化钙等杂质的含量不同,性质有很大差异,在蒸馏前需要进行脱盐处理,脱盐的程度也不同。操作人员在加工过程中需要加入缓蚀剂、水、碱液进行中和,这个灰色系统的参数时刻都在变化。取原始数列中第 1～6月份的数据建立模型,预测第 7～18个月的壁厚,见表 4。可以看出用部分数据建立模型短期内预测精度较高。

表 4 GM(1,1)模型误差检验结果Table 4 Error test results of GM(1,1)model

表 4中误差平均值为 1.569 6,7～10月的误差平均值为 1.2682,7～18月的平均误差为 2.038 5。由于炼制的原油来自十几个国家,混到一起炼制,腐蚀环境变化较大,对弯头的腐蚀速度也不一样,越早的腐蚀数据对弯头冲刷腐蚀速度的影响越小。保持用来建摸的数据为 6个,建立的模型为新陈代谢模型。新陈代谢模型是部分数据模型的一种,但是它通过增加最新的信息,去掉旧的信息,更能反映灰色系统未来短期内的变化情况,提高短期内预测的精度。

6 弯头壁厚的区间预测

由于整个装置的设备是按计划检修的,弯头的寿命是否可以坚持到下一次停车检修,是灰色预测需要解决的问题。弯头的承压管子的计算厚度[12-13]为

式中,δ为计算厚度,mm;pc为承受压力,MPa;Do为外径,mm;[σ]t为设计温度下材料的许用应力, MPa。计算得:δ=1.2538 mm。

采用第 1～18月的全部数据,用改进的 G M(1, 1)模型预测第 19～36个月的弯头可能的壁厚,见表5。

表 5 弯头壁厚区间预测结果Table 5 Prediction results of elbow thickness i nterval mm

到 36个月的时候预测弯头壁厚为 1.038～1.771 mm,也就是说弯头的使用寿命可达 36个月,但是十分危险。从表 5中可以看出,将检修周期定为 24个月是安全的,如果计划延长到 3 a,是十分危险的,需要提前采取一些措施,例如在外面包盒子处理,增加加强板等。实际上弯头的平均腐蚀速度达到了 2.51 mm/a,要实现常压蒸馏装置达到 3 a一次停车检修的目标,应该对弯头的材料进行升级,选择更加耐蚀的材料,例如 Cr5Mo或者不锈钢。

冲刷腐蚀是由于油品的不稳定引起的,设备出入口、弯头、三通等部位腐蚀速率远大于直管段,虽然平均腐蚀速率最大为 2.6 mm/a,但是设备局部由于流体冲刷的作用,远大于电阻探针测得的腐蚀速率。基于风险的检测可以给出整个装置的风险等级,但是不能解决局部冲刷腐蚀的问题。在常压蒸馏装置遭受冲刷腐蚀严重的部位,象常一线、常二线、常三线、常压炉转油线等部位,可以凭经验确定,或者利用 GARMB IT建模,采用 FLUENT进行数值模拟找出冲刷腐蚀严重的部位,进行定点测厚,取得数据建立灰色模型,进行灰色预测,制定合理的检修计划,避免安全事故的发生。

7 结束语

弯头遭受冲刷腐蚀,其残余壁厚的时间序列是准光滑序列,一次累加生成符合准指数规律,可以建立灰色 G M(1,1)模型,进行剩余壁厚的预测。通过对模型的预测值与原始数据的误差检验,可以看出预测模型具有较好的精度。通过对原始数据序列增加一个数值,使模型曲线偏离坐标轴,得到改进的G M(1,1)模型,可以提高灰色系统模型的预测精度。预测结果表明弯头寿命在 24个月内是安全的,要想达到 36个月的使用寿命,需要在下次改造时对弯头的材料进行升级。灰色预测模型可以解决 RB I不能对管道分段的问题,可用来单独对常压蒸馏装置冲刷严重的部位进行寿命的预测。

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(编辑 沈玉英)

Grey system prediction of corrosion on oil atmospheric distillation equipment

WANG Zheng-fang1,2,WANG Yong1,L IU Xiu-hua3
(1.College of M echanical and Electronic Engineering in China University of Petroleum,Dongying257061,China; 2.School ofM echanical Engineering in Shandong University,Ji´nan250061,China; 3.Boiler&Pressure Vessel Inspection Institute of Zibo,Zibo255030,China)

A refineryplantprocessesMiddle East crude oil,so the equipment is exposed towashing erosion seriously.The elbow on the entrance of the atmospheric distillation tower top exchangerswas al ways eroded.The thicknessof elbow wasmeasured everymonth,and the thickness change wasmonitored.The thickness series is quasi smooth sequence,and G M(1,1) modelwas established by grey system theory according to quasi exponent law.The average relative error is 1.90%using the model.Adding a number 100 to the thickness series of the elbow,then subtracting it from the result,the improved G M(1, 1)modelwas established.The average relative error is 1.31%,and the prediction precision was increased.The full data were used to create an improved G M(1,1)model to predict the thickness of elbow in the future.The results show that the elbow life can reach 2 a,but can not reach 3 a.It is feasible to predict the elbow life using the grey system model for eroding corrosion,can help for setting down overhaul period and ensure the safety of equipment.

corrosion prediction;grey system model;G M(1,1)model;elbow

TE 62;TE 985.9

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.02.023

1673-5005(2010)02-0114-05

2009-06-16

国家质量监督检验检疫总局科技项目(2005QK112)

王正方(1971-),男(汉族),山东淄博人,高级工程师,博士,研究方向为压力容器与管道安全工程。