Επιθεώρηση και συντήρηση βιομηχανικού εξοπλισμού με γνώμονα την επικινδυνότητα των διεργασιών

Abstract

The present work was prepared by Mr. Nikolaos K. Defteraios, Ph.D. Candidate of the School of Chemical Engineering of the National Technical University of Athens, Department of Process Analysis and Plant Design, under the supervision of the Institute of Nuclear & Radiological Sciences and Technology, Energy & Safety of the National Center for Scientific Research “Demokritos”. Recent studies have thoroughly examined the effects of plant explosion-related events on hydrogen production and management, confirming catastrophic loss scenarios for both humans, the environment and assets, as well as any medium- to a long-term operational shutdown of these facilities. In recent decades, hydrogen production has been greatly exploited, as it is now one of the main processes in refineries, where the hydrogen produced is utilized in further stages of refining to optimize the production of petroleum fractions both quantitatively and qualitatively.The production of hydrogen from light hydrocarbon fractions (such as natural gas or a mixture of naphtha or liquefied petroleum gas, or even methanol) by applying steam reforming is a common technique, utilizing state-of-the-art technologies involving improved metallurgy in the construction of these units, to minimize the possibility of causing material failure resulting in explosion events, as well as to reduce, as practically possible, the maintenance costs due to plant degradation as a result of the corrosion phenomenon. However, the corrosion rate is still high in certain areas of piping and equipment of these units.The doctoral dissertation aims to develop and propose an innovative methodology, which is based on the development of semi-quantitative modeling of inspection and maintenance by means of risk analysis. This has been achieved by adopting a family of linear regression prediction models that reflect the different annual corrosion rate per loop reflecting different operating conditions (for example temperature, pressure, and fluid velocity), the type of metallurgy, and the prevailing physicochemical variables as well as the particularities of the equipment components.This methodology is based on the collection and examination of metal wall thickness measurements with the application of ultrasound methodology (ultrasound - UT) and the subsequent examination of the possible quantitative correlation of the overall corrosion effect with the physicochemical and other properties prevailing per installation under consideration.The plant from which the wall thickness data was gathered is part of a Greek refinery, which has been operating for about 13-years, as the hydrogen produced is mainly used in various processes such as hydrogen desulfurization of oil (diesel), hydrogen cracking, hydrogen isomerization, and hydrogen alkylation. The wall thickness measurements were performed using appropriate portable ultrasonic emission equipment, which were then grouped by sector by type of metallurgy (steel alloy), type, shape, volume or any other specificity of equipment, nature of the fluid, etc. Then, a repeated analysis of multiple regression variables was performed, based on these factors and their associated combinations.The result of the regression analysis is an extended family of multivariate functions that accurately determine the annual corrosion rate per corrosion loop and per piece of equipment examined. The results were further used as a basis for the design and development of a custom-made software (database) utilizing the proposed regression models, and predicting the annual corrosion rate and life expectancy per loop. The database was developed for easy use by refinery operators and can be used as an additional loss prevention tool. Finally, the dissertation presents the results of the evaluation of the suggested tool’s effectiveness and associated benefits.

H παρούσα εργασία εκπονήθηκε από τον κ. Νικόλαο Κ. Δευτεραίο, Υποψήφιο Διδάκτορα της Σχολής Χημικών Μηχανικών Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, του Τομέα Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων, υπό την επίβλεψη του Ινστιτούτου Πυρηνικών και Ακτινολογικών Επιστημών & Τεχνολογίας, Ενέργειας & Ασφάλειας του Εθνικού Κέντρου Έρευνας Φυσικών Επιστημών «Δημόκριτος»Οι πρόσφατες μελέτες έχουν εξετάσει ενδελεχώς τις επιδράσεις των συμβάντων έκρηξης εγκαταστάσεων που συσχετίζονται με την παραγωγή, και διαχείριση υδρογόνου, επιβεβαιώνοντας τα καταστροφικά σενάρια απώλειας τόσο για τον άνθρωπο, το περιβάλλον, όσο και για και τα περιουσιακά στοιχεία, καθώς και την τυχόν μεσο-μακροπρόθεσμη επιχειρησιακή διακοπή των εγκαταστάσεων αυτών. Τις τελευταίες δεκαετίες η παραγωγή του υδρογόνου έχει αξιοποιηθεί κατά μεγάλο βαθμό, καθώς αποτελεί πλέον μια από τις βασικές διεργασίες στα διυλιστήρια, όπου το παραγόμενο υδρογόνο χρησιμοποιείται σε περαιτέρω στάδια της διύλισης, με σκοπό την αριστοποίηση παραγωγής κλασμάτων πετρελαίου, τόσο ποσοτικά όσο και ποιοτικά.Η παραγωγή υδρογόνου από ελαφρά κλάσματα υδρογονανθράκων (όπως για παράδειγμα το φυσικό αέριο ή μείγμα νάφθας ή υγραερίου, η ακόμα και μεθανόλης) με την εφαρμογή την αναμόρφωση ατμού, αποτελεί μια κοινή τεχνική, όπου οι πλέον σύγχρονες τεχνολογίες υιοθετούν βελτιωμένες μεταλλουργίες στην κατασκευή των μονάδων αυτών, έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται η πιθανότητα πρόκλησης αστοχίας υλικού με επακόλουθη την έκρηξη, καθώς επίσης και να μειώνεται, όσο πρακτικά είναι δυνατόν, το κόστος συντήρησης λόγω υποβάθμισης των εγκαταστάσεων εξαιτίας του φαινομένου της διάβρωσης. Ωστόσο, ο ρυθμός διάβρωσης εξακολουθεί να είναι αρκετά μεγάλος σε συγκεκριμένες περιοχές σωληνώσεων, καθώς επίσης και σε τομείς εξοπλισμού αυτών των μονάδων.Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι να αναπτύξει και να προτείνει μια καινοτόμα μεθοδολογία, η οποία είναι βασισμένη στην ανάπτυξη ημιποσοτικής μοντελοποίησης των ελέγχων και της συντήρησης μέσω της ανάλυσης επικινδυνότητας, υιοθετώντας μια οικογένεια μοντέλων πρόβλεψης γραμμικής παλινδρόμησης που απεικονίζουν τον ετήσιο ρυθμό διάβρωσης ανά βρόχο υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας (για παράδειγμα θερμοκρασία, πίεση, και ταχύτητα ρευστού), το είδος μεταλλουργίας, καθώς και τις επικρατούσες φυσικοχημικές μεταβλητές καθώς και τις ιδιαιτερότητες των στοιχείων του εξοπλισμού. Η μεθοδολογία αυτή βασίζεται στην συλλογή και εξέταση των μετρήσεων πάχους μεταλλικών τοιχωμάτων σωληνώσεων με την εφαρμογή της μεθοδολογίας υπερήχων (ultrasound - UT), και στην μετέπειτα εξέταση της πιθανής ποσοτικής συσχέτισης του συνολικού αποτελέσματος της διάβρωσης με τις φυσικοχημικές και λοιπές ιδιότητες που επικρατούν ανά βρόχο της εξεταζόμενης εγκατάστασης.Η εγκατάσταση από την οποία προέκυψαν τα δεδομένα παχυμετρήσεων αποτελεί μέρος ενός Ελληνικού διυλιστηρίου, η οποία λειτουργεί περίπου 13έτη, καθώς το παραγόμενο υδρογόνο χρησιμοποιείται κυρίως σε διάφορες διεργασίες όπως η υδρογονο-αποθείωση του πετρελαίου (ντίζελ), η υδρογονο-πυρόλυση, ο υδρογονο-ισομερισμός, και η υδρογονο-αλκυλίωση. Οι παχυμετρήσεις των τοιχωμάτων έλαβαν χώρα με χρήση κατάλληλου φορητού εξοπλισμού εκπομπής υπερήχων, οι οποίες κατόπιν ομαδοποιήθηκαν χρονικά ανά τομέα, τύπο μεταλλουργίας (κράματος χάλυβα), τύπο, σχήματος, όγκου η τυχόν άλλης ιδιαιτερότητας εξοπλισμού, φύση ρευστού, κλπ. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε μια επαναλαμβανόμενη ανάλυση πολλαπλών μεταβλητών παλινδρόμησης με βάση τους παράγοντες αυτούς και των σχετικών συνδυασμών τους.Το τελικό αποτέλεσμα της ανάλυσης παλινδρόμησης είναι μια εκτεταμένη οικογένεια συναρτήσεων πολλαπλών μεταβλητών που προσδιορίζουν με προκαθορισμένη ακρίβεια, τον ετήσιο ρυθμό διάβρωσης ανά βρόχο διάβρωσης και ανά εξεταζόμενο τμήμα εξοπλισμού. Τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν ως βάση για το σχεδιασμό και την ανάπτυξη εξατομικευμένου λογισμικού (βάσης δεδομένων), χρησιμοποιώντας τα προτεινόμενα μοντέλα παλινδρόμησης, και προβλέποντας τον ρυθμό διάβρωσης και την αναμενόμενη διάρκεια ζωής ανά βρόχο. Η βάση δεδομένων αναπτύχθηκε με σκοπό να χρησιμοποιηθεί με εύχρηστο τρόπο από χειριστές αντίστοιχων μονάδων, και δύναται να εφαρμοσθεί ως πρόσθετο εργαλείο πρόληψης απωλειών. Στην εν λόγω διατριβή παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της αξιολόγησης σχετικά με την αποτελεσματικότητα του εργαλείου αυτού.