Автор: Д.А. Каковкин, В.Г. Харебов, А.Н. Мисейко (ООО «Научно-технический центр «ЭгидА»)

Опубликовано в журнале Химическая техника №5/2017

В настоящее время для химических предприятий актуальной является проблема оптимизации эксплуатации основных фондов за счет снижения производственных затрат на техническое обслуживание и ремонты (ТОиР), сокращения потерь от аварий и простоев, реализации других методов повышения фондоотдачи. На ряде ведущих химических предприятий начинают осуществляться мероприятия по совершенствованию ТОиР и увеличению межремонтных пробегов оборудования.
Во всех случаях в качестве определяющего условия для достижения положительного эффекта от реализуемых мероприятий выступает освоение методов эффективного управления надежностью технологического оборудования. Особое внимание при этом должно быть уделено совершенствованию процедур контроля технического состояния оборудования и, в частности, применению комплексного мониторинга оборудования в процессе его непрерывной эксплуатации. Оперативность получения информации о техническом состоянии объектов контроля, ее полнота и достоверность, безусловно, увеличивают своевременность и повышают качество управленческих решений по обеспечению надежности оборудования и эффективность процесса управления в целом.
Условия эффективности комплексного мониторинга оборудования химических предприятий
Комплексный мониторинг оборудования в процессе непрерывной эксплуатации химических производств отличается от методов контроля состояния и режимов работы оборудования, предусмотренных проектом и регламентированных в технологических инструкциях. Функция такого мониторинга как метода контроля состоит
в дополнении следующего:
  • действующих стационарных систем контроля, предусмотренных проектом и реализованных при монтаже оборудования (проектных АСУ ТП, КИПиА, ПАЗ и пр.);
  • типовых процедур периодического контроля технического состояния и условий работы оборудования, предписанных регламентной и нормативно-технической
    документацией и реализуемых на практике.
Среди видов мониторинга, обслуживающих задачу обеспечения надежности, наибольшую роль играют:
  • мониторинг параметров технического состояния оборудования (прямой контроль деградации);
  • мониторинг факторов и условий эксплуатации, изменение которых может неблагоприятно отразиться на техническом или функциональном состоянии оборудования (контроль условий развития деградации).
Максимальной информативностью и эффективностью обладают системы контроля и управления, совмещающие оба вида мониторинга. Как метод дополнительного контроля мониторинг не должен быть избыточным и приводить к излишним затратам. В связи с этим область применения комплексного мониторинга оборудования ограничивается совокупностью случаев (ситуаций), когда такой вид дополнительного контроля является, во-первых, необходимым, предотвращает значительные убытки и ущербы, а во-вторых – целесообразным, приносит положительный экономический эффект.
При выборе объектов для внедрения систем комплексного мониторинга необходимо учитывать следующие факторы:
  • категорийность оборудования по показателю риска его эксплуатации (опасности). Мониторинг эффективен для химико-технологических объектов, в которых могут реализовываться сценарии аварий с масштабными последствиями и нанесением крупных ущербов;
  • возможности действующих штатных и традиционных систем контроля. Мониторинг эффективен там, где возможности штатных систем АСУ ТП, КИПиА и традиционных методов периодического контроля технического состояния химико-технологического оборудования являются недостаточными;
  • возможности оперативного реагирования на результаты мониторинга. Мониторинг имеет смысл применять, если на его результаты можно реагировать с той же скоростью, с какой происходит регистрация информации. Если нет потребности или возможности ответного оперативного вмешательства в ход событий, а также методов такого вмешательства (приходится ждать очередного планового останова технологического процесса), то эффект от внедрения мониторинга снижается.
Ключевым условием эффективности комплексного мониторинга химико-технологического оборудования в процессе его эксплуатации является наличие полноценной системы (методологии, программы) управления надежностью оборудования.
Функция комплексного мониторинга
в системе управления надежностью
В основу любой системы управления надежностью должна быть положена модель деградации контролируемого объекта, которая на качественном и количественном уровнях достаточно полно и достоверно отображает неблагоприятные процессы, происходящие или возможные при его эксплуатации, а также факторы и условия, влияющие на эти процессы. На основе такой модели определяются:
  • характер проявления, места локализации деградационных процессов и расположение точек контроля;
  • параметры и методики контроля (измерения), расчетно-аналитические процедуры и критерии оценки результатов измерений;
  • необходимая (достаточная) периодичность, режимы выполнения контрольных процедур;
  • меры и сроки реагирования на все виды критических отклонений параметров контроля.
После этого формируется методология управления надежностью и программа контроля объекта, при необходимости также определяются функциональные и метрологические требования к системе мониторинга, выбору датчиков, приборов, оборудования, программного обеспечения и пр.
Неполнота и(или) недостоверность модели деградации, недостаточное знание закономерностей развития деградации и факторов, ее определяющих, приводят к ошибкам в управлении оборудованием, снижению его надежности.
Основной функцией комплексного мониторинга химико-технологического оборудования является оперативное информационное обеспечение процесса управления объектом или процесса защиты его от деградации. При правильной организации мониторинг позволяет выявить и устранить недостатки системы управления надежностью объекта. В идеале мониторинг за счет предоставления полного объема данных может и должен использоваться для постоянного совершенствования управления объектом и защитой его от деградации.
Роль мониторинга в разработке
и совершенствовании системы управления надежностью. Исследовательский мониторинг
В случаях, когда система управления надежностью объекта отсутствует или не дает заданного результата, оборудование не отрабатывает проектный ресурс по неизвестным причинам, регламентные меры защиты от деградации не срабатывают должным образом, тогда мониторинг может быть использован совместно с лабораторными методиками в качестве дополнительного исследовательского инструмента для идентификации механизма деградации, выявления закономерностей
и факторов ее возникновения и развития, а также для корректировки существующих способов ее предотвращения, либо выбора и отработки новых способов.
Таким образом, комплексный мониторинг может выполнять исследовательскую функцию, использоваться для разработки корректных моделей деградации, эффективных систем и программ управления надежностью оборудования.
С учетом сложностей полноценного лабораторного воспроизведения механизмов деградации оборудования, применение в химическом производстве исследовательского мониторинга реальных объектов при их эксплуатации является весьма полезным и во многих случаях безальтернативным вариантом выполнения исследований в области обеспечения эксплуатационной надежности технологического оборудования.
Виды коррозионного мониторинга
В общем смысле «коррозионный мониторинг» – это деятельность по контролю коррозии оборудования, включающая, в том числе, использование измерительных программно-аппаратных комплексов (систем) с различными областями применения и видами контроля. Коррозионный мониторинг позволяет эффективно управлять мерами антикоррозионной защиты и особо актуален в случаях, когда условия и скорость развития коррозии могут скрытым образом изменяться.
Коррозия как результат взаимодействия материала и среды приводит к изменению параметров технического состояния (повреждению, деградации) материала оборудования и определяется достаточно широким рядом факторов и условий, влияющих на характер (природу) и кинетику этого взаимодействия.
В зависимости от того, что контролируется, следует различать виды контроля коррозии при мониторинге:
а) контроль параметров коррозионной ситуации – прямой контроль первичных внешних факторов коррозии (состав и показатели коррозионной активности технологических сред, температура, давление, скорость потоков и др.). Контролируются параметры, которые можно замерить мгновенно или в течение короткого интервала времени, поэтому такой контроль позволяет в режиме on-line в максимально короткое время или
с любой необходимой периодичностью выявлять неблагоприятные изменения в условиях возникновения и протекания коррозии и реагировать на них. Реагирование может осуществляться на ранней стадии, в превентивном порядке, прежде, чем оборудование получит ощутимые коррозионные повреждения. Малое время отклика на управляющие воздействия позволяет в короткий период их отрегулировать (оптимизировать), быстро вернуть коррозионную ситуацию в штатные рамки и даже автоматизировать управление ею. Это является основным достоинством данного вида коррозионного контроля.
Недостатком этого вида контроля является то, что его надежность зависит от качества заложенной в систему программной модели коррозионного процесса и достаточности перечня контролируемых параметров и контрольных точек. Недоучет, пропуск каких-либо значимых для коррозии факторов и условий, их бесконтрольное (скрытое) изменение могут привести к нештатному, скрытому развитию коррозии при благополучных результатах контроля.
б) контроль показателей коррозионного состояния оборудования – прямой контроль степени и скорости коррозионного повреждения оборудования (состояния, толщины стенки) в репрезентативных точках, позволяющий получать «прямые», объективные сведения о коррозионном состоянии оборудования и его изменении во времени (данные получаются по конкретным точкам, поэтому их выбор должен быть обоснован).
Главное достоинство этого вида мониторинга – чувствительность к любой, в том числе непрогнозируемой, коррозии, условия возникновения и факторы развития которой заранее невозможно определить и проконтролировать.
Главный недостаток – большое время отклика измерительной системы, необходимое для выхода значений контролируемых параметров за границы интервала погрешности измерения, и, соответственно, большое запаздывание по реагированию. Последнее здесь может осуществляться постфактум, когда оборудование уже подверглось повреждению, ощутимому для датчиков измерительной системы. В случае обнаружения ускоренной коррозии придется подбирать, оптимизировать меры реагирования, после каждого шага дожидаясь завершения цикла измерения, отклика системы. Все это время может протекать ускоренная коррозия.
в) косвенный контроль коррозионной активности сред и скорости коррозии посредством различных средств, позволяющих сократить задержку по времени реагирования, например:
  • образцов-свидетелей, датчиков (коррозиметров) с активным (растворяющимся) элементом (общий признак – размещение в полости оборудования специальных, периодически заменяемых элементов, корродирующих в рабочей среде по идентичному механизму);
  • электрометрических, электрохимических и других датчиков, показания которых косвенно отображают скорость коррозионного процесса (например, водородные зонды, датчики линейного поляризационного сопротивления).
Общий признак методов косвенного контроля – измеряется параметр, величина, связанная с интенсивностью коррозионного процесса, но не сама скорость коррозии материала оборудования.
Косвенным можно считать также контроль содержания продуктов коррозии в технологических средах, например ионов или соединений железа, поскольку он позволяет выявлять улучшение или ухудшение коррозионной ситуации в целом, но не показывает, насколько и где коррозия локализовалась, с какой скоростью она протекает в различных участках.
Эта группа видов контроля является промежуточной между первыми двумя, в том числе по достоинствам и недостаткам.
г) контроль вторичных факторов коррозии – наличия и количества осадков, отложений солей, содержания взвешенных частиц и других обстоятельств и факторов, возникающих в результате эксплуатации оборудования и влияющих на развитие коррозии. Этот вид контроля нужно рассматривать как дополняющий предыдущие.
Системы коррозионного мониторинга можно комбинировать, включать разные виды контроля.
По характеру реагирования на получаемые данные можно различать:
  • активный коррозионный мониторинг, обеспечивающий автоматическое реагирование (например, управляющий подачей реагентов и ингибиторов для защиты от коррозии);
  • пассивный (информационный, исследовательский) коррозионный мониторинг, выдающий значения показаний датчиков в систему и на пульт оператора, в том числе, сигнализирующий о выходе контролируемых параметров за допускаемые пределы. Реагирование на отклонения здесь осуществляется эксплуатационным персоналом в «ручном режиме» в соответствии с технологическими инструкциями.
Проблемы коррозионного мониторинга
Возможности коррозионного мониторинга в части информационного обеспечения управления надежностью химико-технологического оборудования определяются решением ряда проблем:
  • проблемы обеспечения скорости измерения, отвечающей реальным темпам изменения коррозионной ситуации. Эффективно управлять защитой от коррозии невозможно, если в течение одного цикла измерения коррозионная ситуация изменяется несколько раз.
  • проблемы выбора контролируемых параметров и, соответственно, выбора видов контроля и типов датчиков является, по сути, проблемой разработки функционала системы мониторинга.
Если механизм, причины и факторы коррозии хорошо изучены, то несложно теоретически выбрать ключевые показатели коррозионного процесса и наиболее значимые факторы, воздействуя на которые, можно было бы эффективно управлять его кинетикой. Однако нередко для контроля нужных параметров не находится надежных датчиков или приемлемых по стоимости способов измерения, а для регулирования доминирующих факторов – эффективных решений. В связи с этим приходится искать другие измеряемые параметры и регулируемые факторы коррозионного процесса. Приемлемый вариант построения и оформления систем защиты от коррозии и мониторинга будет найден как компромисс между идеалом, существующими реальными техническими возможностями и потребностью в такой системе.
Проблемы датчиков, касающейся обеспечения следующих характеристик:
  • чувствительность, точность, скорость, диапазон измерений;
  • стабильность показаний во времени, низкая чувствительность к загрязнениям рабочей поверхности и возможность ее очистки;
  • стойкость против отравления (стабильность показаний после многократного превышения значения измеряемого параметра);
  • срок службы (относительно межремонтного пробега объекта), возможность и частота замены на работающем объекте, воспроизводимость показаний при замене;
  • возможность поверки, калибровки и др.
Сложность заключается в том, что многие из перечисленных характеристик не совместимы. Например, чтобы определять малые (следовые) количества коррозионно-активных веществ или выявлять отклонения значимых параметров на ранней стадии, нужна высокая чувствительность. Но высокочувствительный датчик будет, скорее всего, иметь узкий диапазон измерения, малый срок службы, «отравляться» после сильного или продолжительного «зашкаливания», снижать точность показаний при загрязнениях и пр.
Проблемы выбора точек контроля. На любом участке технологической схемы, повергающемся одному определенному виду коррозии, скорость деградации материала неоднородна. Максимальная скорость коррозии имеет место в малом количестве точек или позиций данного участка, средняя скорость коррозии будет характерна для большинства точек.
При разработке системы защиты от коррозии необходимо определиться с принципом выбора точек контроля. Либо выбрать наиболее критичные точки, где скорость коррозии максимальна, и при управлении защитой от коррозии добиваться, чтобы в этих точках она не превышала допустимых значений, либо выбрать наиболее репрезентативные «средние» точки, управляя коррозией по ним.
Можно пойти на удорожание системы мониторинга, контролировать и те, и другие точки, получая расширенный объем информации и принимая решение каждый раз в ручном режиме с учетом существующей конъюнктуры и принятых критериев оптимизации управления оборудованием. Но, возможно, экономически более оправданно будет управлять коррозией по «средним» точкам, которые представляют, например, ~90% контролируемого участка, зная при этом точное расположение остальных 10% критичных отрезков и обеспечивая их надежность в рамках отдельной стратегии защиты от коррозии (увеличенная толщина стенки, усиленное материальное исполнение, повышенная частота контроля и ремонта).
Наилучшим вариантом представляется выполнение исследовательского мониторинга с накоплением данных по соотношениям скоростей коррозии в критичных и средних точках при различных технологических режимах и их отклонениях с тем, чтобы потом в случае плотной корреляции максимально сократить число точек контроля без ущерба для надежности оценки данных эксплуатационного мониторинга и реализуемых мер защиты от коррозии.
Проблемы способа установки и замены датчиков. Дело не только в возможности замены датчиков «на режиме». Для внутренних датчиков имеют значение точность расположения чувствительного элемента в полости оборудования, в объеме или потоке среды, его ориентации относительно потока и другие моменты. Нередко после снятия и немедленной установки того же датчика его показания существенно изменяются. Еще большее изменение показаний бывает после очистки датчика.
В случае переустановки и замены датчика должна быть обеспечена либо воспроизводимость показаний, либо возможность его калибровки. Это особенно важно для автоматизированных систем мониторинга.
Проблемы интерпретации показаний датчиков и адекватного выбора мер реагирования. Система коррозионного мониторинга приносит положительный эффект за счет повышения оперативности и точности реализации мер по защите от коррозии. В связи с этим данные мониторинга должны обеспечивать возможность однозначной идентификации природы коррозии, доминирующих факторов ее развития, чтобы исключить ошибки в выборе мер реагирования на отклонения.
Система коррозионного мониторинга должна в течение периода, заданного стратегией ремонтного и технического обслуживания установки (межремонтного интервала), обеспечивать оперативность, корректность, стабильность, полноту показаний, достаточные для эффективного управления коррозией и надежностью оборудования в целом, т.е. обладать необходимой функциональной достаточностью и надежностью.
Заключение
На химических предприятиях развитие коррозионных процессов является доминирующим видом деградации оборудования. На многих технологических установках имеются позиции оборудования и технологических трубопроводов, которые по причине коррозии не отрабатывают проектный ресурс, несмотря на заложенные в проекты и технологические регламенты и реализуемые на практике решения и меры по защите от коррозии. В значительной степени это обусловлено недостатком информации о механизмах, причинах, факторах и закономерностях развития коррозионных процессов и их особенностях в конкретных технологических установках.
В целях совершенствования борьбы с коррозией на таких проблемных технологических объектах перспективно разрабатывать и внедрять системы комплексного мониторинга, содержащие подсистемы коррозионного мониторинга информационного и исследовательского назначения. Применение таких систем на начальном этапе позволит выполнить накопление и анализ наблюдений за общей картиной и частными особенностями развития коррозии, в том числе при реализации антикоррозионных мероприятий, уточнить все необходимые взаимосвязи и нюансы, чтобы выявить существующие недостатки и усовершенствовать существующие или определить новые эффективные решения и меры по защите от коррозии. При необходимости на этой основе может быть впоследствии разработана и внедрена рациональная система эксплуатационного коррозионного мониторинга, в том числе активного, например, с автоматизацией подачи антикоррозионных реагентов.
СХОЖИЕ СТАТЬИБОЛЬШЕ ОТ АВТОРА