王正方,王 勇,劉秀華

(1.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東東營(yíng) 257061;2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山東濟(jì)南 250061; 3.淄博市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究所,山東淄博 255030)

基于灰色系統(tǒng)理論的常壓蒸餾裝置腐蝕預(yù)測(cè)

王正方1,2,王 勇1,劉秀華3

(1.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東東營(yíng) 257061;2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山東濟(jì)南 250061; 3.淄博市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究所,山東淄博 255030)

針對(duì)某煉油廠煉制中東進(jìn)口原油后常壓蒸餾裝置設(shè)備沖刷腐蝕明顯加重的問(wèn)題,在常壓蒸餾塔頂換熱器入口分配管彎頭處進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)厚,對(duì)其厚度減薄情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。彎頭壁厚數(shù)列是準(zhǔn)光滑序列,它的一次累加生成具有準(zhǔn)指數(shù)規(guī)律,可以建立灰色微分方程。針對(duì)此灰色腐蝕系統(tǒng)建立 G M(1,1)模型,利用此模型對(duì)原始數(shù)據(jù)序列進(jìn)行模擬的平均相對(duì)誤差為 1.90%,而通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)序列加上 100進(jìn)行平移,然后再?gòu)念A(yù)測(cè)結(jié)果中扣除增加量的方法得到改進(jìn)的 G M(1,1)模型,平均相對(duì)誤差為 1.31%,模型精度得到提高。采用全部數(shù)據(jù)建立改進(jìn)的 G M(1,1)模型,對(duì)彎頭的壁厚進(jìn)行模擬,對(duì)未來(lái)可能的壁厚進(jìn)行區(qū)間預(yù)測(cè)。結(jié)果表明:彎頭在 2 a的使用期內(nèi)是安全的,3 a后彎頭極有可能蝕穿;采用灰色系統(tǒng)理論對(duì)沖刷嚴(yán)重的部位進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)是可行的,有助于制定合理的檢修周期,保障設(shè)備的安全。

腐蝕預(yù)測(cè);灰色系統(tǒng)模型;G M(1,1)模型;彎頭

長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)煉化企業(yè)的生產(chǎn)裝置一直沿用一年一次停車(chē)大檢修的做法。目前常減壓催化裂化等主要生產(chǎn)裝置已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)了三年一修[1-2]。某煉油廠第三常減壓裝置加工進(jìn)口中東原油,硫含量超過(guò) 1.5%,酸值在 0.3 mg/g左右。中東原油輕油收率高,符合我國(guó)對(duì)燃料油的需求,但是常壓蒸餾塔頂氣相產(chǎn)品流量大,設(shè)備沖刷腐蝕嚴(yán)重。常壓蒸餾裝置塔頂?shù)蜏夭课粚儆?HCl—H2S—H2O型腐蝕[3-4]。塔頂換熱器入口分配管彎頭處由于流體產(chǎn)生湍流,沖刷腐蝕特別嚴(yán)重[5-8]。采用 RB I(Risk Based Inspection-基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)),可以對(duì)常減壓裝置進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),但是費(fèi)用十分昂貴。RB I只能評(píng)估整臺(tái)設(shè)備或者整條管道風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí),不能對(duì)管線(xiàn)分段分析,對(duì)于這種由于沖刷腐蝕造成局部失效的形式并不適用[9]。在生產(chǎn)中只能通過(guò)加強(qiáng)操作工人巡檢的力度,發(fā)現(xiàn)泄露之后進(jìn)行帶壓堵漏,或者采用外面包盒子處理,有時(shí)不得不停掉該組換熱器,造成非計(jì)劃?rùn)z修,嚴(yán)重影響企業(yè)效益?；疑到y(tǒng)理論成功地用于社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等不確定系統(tǒng)[10]。進(jìn)口原油由于產(chǎn)地不同,性質(zhì)相差很大,影響腐蝕速度變化的因素很多,數(shù)據(jù)無(wú)規(guī)律性,筆者采用灰色系統(tǒng)理論的方法對(duì)常壓蒸餾裝置的腐蝕問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 腐蝕監(jiān)測(cè)情況

煉制進(jìn)口原油,采用一脫三注工藝,可以有效地減緩整個(gè)裝置設(shè)備的腐蝕。用電阻探針在常壓蒸餾塔頂測(cè)得的腐蝕速度最高達(dá) 2.6 mm/a,平均約為 1 mm/a,說(shuō)明采用碳鋼材料是可以的。但是,分配管彎頭等部位由于流體的沖刷作用,局部腐蝕速度遠(yuǎn)高于直管段,多次發(fā)生泄露,造成非計(jì)劃停車(chē)。塔頂換熱器入口分配管彎頭規(guī)格為Φ219 mm×9 mm,材料為 20#鋼。在彎頭外部拐彎部位 100 mm范圍內(nèi),采用超聲波測(cè)厚儀定點(diǎn)測(cè)厚的方法,每隔一個(gè)月測(cè)量彎頭的壁厚,共測(cè) 18次,數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1。

表1 彎頭壁厚Table 1 Elbow thickness mm

2 GM(1,1)模型的建立

取彎頭的壁厚為 X(0),這是一個(gè)非負(fù)的序列, X(0)=(x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)),n=1～18。X(1)為 X(0)的一次累加生成,表示為

對(duì) X(0)進(jìn)行準(zhǔn)光滑性檢驗(yàn),

當(dāng)ρ(k)∈[0,ε],ε<0.5時(shí),稱(chēng) X(0)是準(zhǔn)光滑序列。計(jì)算得當(dāng) k>2時(shí),彎頭壁厚數(shù)列為準(zhǔn)光滑序列。

檢驗(yàn) X(1)是否具有準(zhǔn)指數(shù)規(guī)律:

當(dāng)σ(1)(k)<2時(shí),稱(chēng) X(1)具有準(zhǔn)指數(shù)規(guī)律。計(jì)算得σ(1)(k)<2,因此彎頭壁厚數(shù)列是準(zhǔn)光滑序列,它的一次累加生成具有準(zhǔn)指數(shù)規(guī)律,滿(mǎn)足光滑條件,可以建立灰色微分方程。

Z(1)為 X(1)的緊鄰均值生成,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,則

稱(chēng)為 G M(1,1)模型,一階方程一個(gè)變量

為灰色微分方程的白化方程,其中 a,b為待識(shí)別參數(shù),稱(chēng) a為發(fā)展系數(shù),b為灰色作用量。a,b通過(guò)X(1)的最小二乘法求得:

其中

白化方程的解為

灰色微分方程的時(shí)間響應(yīng)序列為

累減還原得到 X(0)的預(yù)測(cè)值采用Matlab語(yǔ)言編程計(jì)算出 x(0)的值,見(jiàn)表 2。

表 2 誤差檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 Error test results

3 誤差檢驗(yàn)

預(yù)測(cè)模型的精度可以采用相對(duì)誤差檢驗(yàn)、關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)和后驗(yàn)差檢驗(yàn)等方法[1]進(jìn)行檢驗(yàn),本文中采用相對(duì)誤差檢驗(yàn) (表 2),預(yù)測(cè)模型精度達(dá)到合格級(jí)別。殘差為

殘差平方和為

相對(duì)誤差為

平均相對(duì)誤差為

4 GM(1,1)模型的改進(jìn)

腐蝕系統(tǒng)是一個(gè)廣義的能量系統(tǒng),建立的 G M (1,1)模型是一個(gè)指數(shù)函數(shù),用來(lái)建模的數(shù)據(jù)較小時(shí),曲線(xiàn)靠近坐標(biāo)軸,預(yù)測(cè)誤差較大。在原始數(shù)據(jù)序列中加上一個(gè)數(shù),建立改進(jìn)的 G M(1,1)模型,使曲線(xiàn)偏離坐標(biāo)軸,然后從預(yù)測(cè)結(jié)果序列中減去所加的數(shù),可以提高預(yù)測(cè)精度,本文加數(shù)為 100。從表 2可以看出,改進(jìn)的 G M(1,1)模型平均相對(duì)誤差為1.3084%,模型的精度有所提高。原始數(shù)列平移對(duì)誤差的影響見(jiàn)表3。

隨著平移的加大,殘差平方和與平均相對(duì)誤差均呈減小趨勢(shì),平移距離超過(guò) 100 000時(shí),對(duì)提高模型精度失去作用。

表 3 原始數(shù)據(jù)數(shù)列平移對(duì)誤差的影響Table 3 I nfluence of original data series translation on error

5 部分信息模型和新陳代謝模型

取全部 18個(gè)月的數(shù)據(jù)建立模型,改進(jìn)的 G M (1,1)模型平均相對(duì)誤差為 1.31%,相對(duì)誤差最大為 2.98%。事實(shí)上任何一個(gè)灰色系統(tǒng)在發(fā)展過(guò)程中隨著時(shí)間的推移,會(huì)有一些隨機(jī)的擾動(dòng)因素加入其中,使系統(tǒng)的發(fā)展受到影響。在原油加工過(guò)程中,原油的含硫量、活性硫的含量、氯化鈉、氯化鈣等雜質(zhì)的含量不同,性質(zhì)有很大差異,在蒸餾前需要進(jìn)行脫鹽處理,脫鹽的程度也不同。操作人員在加工過(guò)程中需要加入緩蝕劑、水、堿液進(jìn)行中和,這個(gè)灰色系統(tǒng)的參數(shù)時(shí)刻都在變化。取原始數(shù)列中第 1～6月份的數(shù)據(jù)建立模型,預(yù)測(cè)第 7～18個(gè)月的壁厚,見(jiàn)表 4?？梢钥闯鲇貌糠?jǐn)?shù)據(jù)建立模型短期內(nèi)預(yù)測(cè)精度較高。

表 4 GM(1,1)模型誤差檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 Error test results of GM(1,1)model

表 4中誤差平均值為 1.569 6,7～10月的誤差平均值為 1.2682,7～18月的平均誤差為 2.038 5。由于煉制的原油來(lái)自十幾個(gè)國(guó)家,混到一起煉制,腐蝕環(huán)境變化較大,對(duì)彎頭的腐蝕速度也不一樣,越早的腐蝕數(shù)據(jù)對(duì)彎頭沖刷腐蝕速度的影響越小。保持用來(lái)建摸的數(shù)據(jù)為 6個(gè),建立的模型為新陳代謝模型。新陳代謝模型是部分?jǐn)?shù)據(jù)模型的一種,但是它通過(guò)增加最新的信息,去掉舊的信息,更能反映灰色系統(tǒng)未來(lái)短期內(nèi)的變化情況,提高短期內(nèi)預(yù)測(cè)的精度。

6 彎頭壁厚的區(qū)間預(yù)測(cè)

由于整個(gè)裝置的設(shè)備是按計(jì)劃?rùn)z修的,彎頭的壽命是否可以堅(jiān)持到下一次停車(chē)檢修,是灰色預(yù)測(cè)需要解決的問(wèn)題。彎頭的承壓管子的計(jì)算厚度[12-13]為

式中,δ為計(jì)算厚度,mm;pc為承受壓力,MPa;Do為外徑,mm;[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力, MPa。計(jì)算得:δ=1.2538 mm。

采用第 1～18月的全部數(shù)據(jù),用改進(jìn)的 G M(1, 1)模型預(yù)測(cè)第 19～36個(gè)月的彎頭可能的壁厚,見(jiàn)表5。

表 5 彎頭壁厚區(qū)間預(yù)測(cè)結(jié)果Table 5 Prediction results of elbow thickness i nterval mm

到 36個(gè)月的時(shí)候預(yù)測(cè)彎頭壁厚為 1.038～1.771 mm,也就是說(shuō)彎頭的使用壽命可達(dá) 36個(gè)月,但是十分危險(xiǎn)。從表 5中可以看出,將檢修周期定為 24個(gè)月是安全的,如果計(jì)劃延長(zhǎng)到 3 a,是十分危險(xiǎn)的,需要提前采取一些措施,例如在外面包盒子處理,增加加強(qiáng)板等。實(shí)際上彎頭的平均腐蝕速度達(dá)到了 2.51 mm/a,要實(shí)現(xiàn)常壓蒸餾裝置達(dá)到 3 a一次停車(chē)檢修的目標(biāo),應(yīng)該對(duì)彎頭的材料進(jìn)行升級(jí),選擇更加耐蝕的材料,例如 Cr5Mo或者不銹鋼。

沖刷腐蝕是由于油品的不穩(wěn)定引起的,設(shè)備出入口、彎頭、三通等部位腐蝕速率遠(yuǎn)大于直管段,雖然平均腐蝕速率最大為 2.6 mm/a,但是設(shè)備局部由于流體沖刷的作用,遠(yuǎn)大于電阻探針測(cè)得的腐蝕速率?；陲L(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)可以給出整個(gè)裝置的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),但是不能解決局部沖刷腐蝕的問(wèn)題。在常壓蒸餾裝置遭受沖刷腐蝕嚴(yán)重的部位,象常一線(xiàn)、常二線(xiàn)、常三線(xiàn)、常壓爐轉(zhuǎn)油線(xiàn)等部位,可以憑經(jīng)驗(yàn)確定,或者利用 GARMB IT建模,采用 FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬找出沖刷腐蝕嚴(yán)重的部位,進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)厚,取得數(shù)據(jù)建立灰色模型,進(jìn)行灰色預(yù)測(cè),制定合理的檢修計(jì)劃,避免安全事故的發(fā)生。

7 結(jié)束語(yǔ)

彎頭遭受沖刷腐蝕,其殘余壁厚的時(shí)間序列是準(zhǔn)光滑序列,一次累加生成符合準(zhǔn)指數(shù)規(guī)律,可以建立灰色 G M(1,1)模型,進(jìn)行剩余壁厚的預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)模型的預(yù)測(cè)值與原始數(shù)據(jù)的誤差檢驗(yàn),可以看出預(yù)測(cè)模型具有較好的精度。通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)序列增加一個(gè)數(shù)值,使模型曲線(xiàn)偏離坐標(biāo)軸,得到改進(jìn)的G M(1,1)模型,可以提高灰色系統(tǒng)模型的預(yù)測(cè)精度。預(yù)測(cè)結(jié)果表明彎頭壽命在 24個(gè)月內(nèi)是安全的,要想達(dá)到 36個(gè)月的使用壽命,需要在下次改造時(shí)對(duì)彎頭的材料進(jìn)行升級(jí)?；疑A(yù)測(cè)模型可以解決 RB I不能對(duì)管道分段的問(wèn)題,可用來(lái)單獨(dú)對(duì)常壓蒸餾裝置沖刷嚴(yán)重的部位進(jìn)行壽命的預(yù)測(cè)。

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(編輯 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

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技項(xiàng)目(2005QK112)

王正方(1971-),男(漢族),山東淄博人,高級(jí)工程師,博士,研究方向?yàn)閴毫θ萜髋c管道安全工程。