오늘날 부식은 오일 및 가스업계 즉, 업스트림의 오프쇼어 생산 및 다운스트림의 정유사 양자모두에 있어 위협으로 작용한다. 특히, 많은 파이프라인과 정유 공정시설이 노화되고 있는 아프리카에서 부식은중대한 사안이다. 사업체들이 최적의 생산에 초점을 두고 있기 때문에 파이프라인 무결성 및 정확한 모니터링에대한 중요성이 과거 어느 때보다 부각되고 있다.

케냐 에너지부 패트릭 뇨이케(Patrick Nyoike) 사무차관은 몸사바지역의 케냐 페트롤륨 리파이너리(Kenya Petroleum Refinery)사의 시설을 업그레이드하기로결정했다고 발표하면서, “노화 및 약화, 부식으로 인해 심각한파열을 때때로 경험한 바 있다”고 시인한 바 있다.

부식의 원인에는 여러 가지가 있다. 원유 및 천연가스의 경우 종종 부식 가능성이높은 불순물을 포함하고 있으며, 전도성 매체에 영향을 받은 금속은 전기 화학적 부식을 일으킬 수 있다. 파이프 연결부 사이의 차이와 유체 조성 성분의 변화 역시 부식으로 이어질 수 있다.
정유업계의 경우 나프텐산 등과 같은 상이한 유형의 부식이 발생할 가능성도 존재한다. 업스트림에서오일과 가스 생산시 부식은 유체 내 수분, 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S)의 존재 여부와 가장 큰 관련이 있다.
염수는 내식과 수화, 부식의 원인이 되는데,일례로 알제리와 이집트 등지의 오프쇼어에서 발견되는 습식 가스전의 경우 가스 내 이산화탄소와 수분 침투로 인해 부식이 주로 발생한다. 황화수소 농도가 높은 현장 역시 인프라에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다.

마지막으로, 모래로 인한 침식 문제도 간과할 수 없다. 모래로 인한 침식은 일반적으로 금속 표면이나 보호층을 제거하는 입자로 인해 종종 부식이 일어난다. 세너지그룹(Senergy Group)에 따르면, 세계 오일 및 가스 매장량의 약 70%는 사암 저류층에 포함돼 있는데, 해당 저장소(Reservoir)의 수명주기 동안 모래는 일정 시점에서문제가 될 가능성이 높다고 한다. 침식 및 부식에 이어, 모래는직접적으로 완제 성분을 침식시키고, 유정 접근을 방해하며, 다양한석유 및 가스 인프라에 저해가 될 수도 있다.

부식의 원인이 무엇이든 그 결과는 엄청난 손상으로 나타날 수 있다. 오프쇼어에서의부식은 생산량 손실, 금속 손실, 안전성 및 환경 저해로이어질 수 있으며, 정유사에서 부식은 정유 공정 경제성 및 플랜트의 안전성 및 유지보수 전반에 상당한영향력을 미칠 수 있다. 확하고 비용 효율적인 부식 모니터링 기술의 배치는과거 어느 때보다 중요해졌으며, 부식 손상과 갑작스런 셧다운, 누출및 사고를 방지할 수 있는 필수적인 수단이 됐다.

여기에서는 오프쇼어 및 업스트림 운전에 특히 초점을 맞춰, 현재 출시된 부식모니터링 기술 일부와 이 기술이 겪고 있는 부식 문제를 어떻게 해결할 수 있는지 고찰하고, 또한 부식모니터링에서의 무선기술 적용 및 발전에 대해서도 구체적으로 설명해 본다.

관입식 부식 모니터링
지난 몇 년 동안 가장 일반적인 부식 모니터링의 형태는 내부 관입식 부식 모니터링 방식이었다. 관입식 부식 모니터링은 테스트와 Weight Loss Type 쿠폰(Coupon)으로 구성된다. 부식의 정도는 시간 경과에 따라 전기저항(ER) 프로브나 선형 편광 저항(LPR) 프로브를 통해무게의 손실로 결정된다. 더불어, 쿠폰 및 프로브는 Topside 및 Subsea 양측의 유체라인, 공정 배관, 인수 및 인출 파이프라인 내부에 배치된다. Weight Loss Type 쿠폰을 제외한 상기 모든 방법은 분석이 쉽고 부식률 변화에 신속하게 반응하는능력을 갖고 있는데, 이러한 특징은 부식 방지에 유용하다.

반면, 관입식 모니터링 방법의 한계로는 회수의 어려움, 접근성, 설치비용 등이 있는데, 이문제는 서아프리카의 오프쇼어와 같은 Subsea 오프쇼어 현장에 영향을 미친다. 육상이 아닌 Subsea에 설치된 모니터링 장치의 회수는 상당한문제를 야기할 수 있다. 또한, 파이프 내부 부식만이 아니라, 프로브 관입시 파이프상의 구멍이나 용접 부분에 부식을 초래하는 경우도 있어 잠재적인 위험이 있음도 간과할 수없다. 따라서 현재 파이프 위에 직접 설치가 가능한 비관입(Non-instrusive)방식 부식 모니터링 방법에 대한 집중 개발도 증가되는 추세다.

전기장 신호 측정
오늘날 존재하는 비관입 방식 부식 모니터링 중 가장 민감하고 정확한 측정을 가능케 하는 것 중 하나는 전기장 신호 측정(FSM) 기술이다. FSM은 비관입 방식의 부식 및 침식, 특히 국부적인 부식 및 침식 모니터링 방법 중 하나로, Subsea의파이프라인 및 유동선, 지하 파이프라인, 공정 배관, 고온 애플리케이션에서 사용 가능하다.

FSM은 전류를 파이프상에 위치하도록 한 다음 전류가 특정한 패턴을 형성하게 만든다(전기장신호). 이후 각 쌍의 핀(하나의 매트릭스에 최대 384개의 핀이 쌍으로 사용될 수 있음)에 대한 전압을 측정해 ‘전기장 신호’와 비교한다. 이방법을 통해 그래픽 플롯(Plot)이 생성되는데, 이는 부식의정도 및 위치를 나타내고, 결과적으로 부식 동향 및 비율을 계산할 수 있도록 한다.
고온의 유체를 다루는 공정, 그리고 작은 부식이라도 빠른 대처가 요구되는 애플리케이션의경우 비관입 방식 부식 모니터링은 상당한 혜택을 제공하고 있다.

온라인 부식 모니터링 및 스마트 무선 자산관리 시스템의추구

온라인 부식 모니터링은 관입식 및 비관입식 방식 모니터링 양측에 핵심적인 사항으로, 이는보다 빈번한 데이터 수집과 데이터 및 정확성의 개선, 여타 공정 변수와의 상관관계 구축을 더욱 손쉽게수행할 수 있도록 한다.
에머슨프로세스매니지먼트에서는 FSM에 온라인 실시간 부식 모니터링을 도입했다. 오늘날 에머슨의 부식 모니터링 시스템은 광범위한 무선 통신 솔루션과 함께 사용할 수 있는 온라인 데이터 로거(Logger)를 포함하고 있으며, 데이터 역시 ER, LPR, 직류 프로브와 같은 관입식 부식 프로브로부터 온라인으로 전송이 가능하다.
현재 부식 모니터링은 부식 및 모래 모니터링의 관입식 센서를 위해 개발된 스마트 무선 자산관리시스템을 통해 더욱 발전하고 있다. 이러한 무선기술은 온라인 부식 모니터링에 대한 비용과 한계점을 줄일 수 있으며, 복합 부식 모니터링 시스템 및 동일한 무선 그물망 내 여타 무선 모니터링 애플리케이션 모두와 통합이 가능하다.

Roxar CorrLog & SandLog 무선 트랜스미터는 업스트림과 다운스트림 양측 모두에서 사용할 수 있는 부식 무선트랜스미터로 구성될 예정이다. 또한, 이 장치는 에머슨의스마트 무선기술과 Roxar 부식 계측기를 결합시켜 업체들의 자산을 보호할 수 있는 완벽한 무선 무결성관리 솔루션을 제공할 것으로 기대된다. 이 같은 트랜스미터 기반 시스템은 액세스 피팅 시스템(Access Fittings System)을 통해 파이프나 베슬 내부에 설치되는 관입식 센서를 토대로 한다. 액세스 시스템은 정유사나 화학 플랜트에서 빈번하게 사용되는 개폐식 프로브와 같은 저압 시스템과 고압 Subsea 시스템으로 구분된다.

이 시스템의 주요 특징으로는 WirelessHart 네트워크로의 직접 통합은 물론높은 정확도 및 민감도(28비트 해상도, 프로브 요소 두께의 10~100ppm에 해당하는 실제 정확성), 보다 편리한 설치와 유지보수를가능하게 하는 프로브와 트랜스미터 사이의 20m 길이 케이블, 무선신호 라우팅의 최적화, -40~+70℃(-40~158℉) 범위의 온도에서도 작동이 가능한 능력 등이포함된다.

이 시스템은 유선 온라인 시스템과 비교해 설치비용이 현저하게 감소한 것으로 나타났다. 에머슨의최근 연구에 따르면, 공정제어 시스템의 여타 기술과 함께 설치한 무선 시스템은 최대 7% 혹은 100만달러 이상을 절감할 수 있다고 한다. 또한, 이 시스템은 위험성 높은 애플리케이션에서 신호 손실의 위험성을낮춤으로써 정확성 및 신뢰성 증진, 데이터 및 동향 분석 향상, 이전에는접근이 불가능했던 영역에서도 모니터링이 가능한 것으로 조사됐다. 이처럼 이 새로운 시스템은 앞서 언급한관입식 센서의 전통적인 많은 한계점들을 해결하고 있다.

단일 자산관리시스템
Roxar CorrLog & SandLog 무선 트랜스미터는 스마트 무선게이트웨이(Smart Wireless Gateway) 및 에머슨의 윈도 기반 현장 모니터링 시스템인 Roxar Fieldwatch를 통해 고급 데이터 분석을 목적으로 완벽한 자산 무결성 시스템(AMS)을 통합하는 한 가지 요소에 불과하다.
프로브는 다른 업체에서도 판독할 수 있다. 예를 들어, 금속 손실가를 현장 모니터링 시스템으로 직접 전송해 모니터링 및 분석을 향상시킬 수 있다.

다양한 솔루션에서 산출된 모니터링 데이터는 동일한 소프트웨어 및 하드웨어를 통해 처리가 가능하다. 즉, 부식 모니터링이나 음향 검출 기법 모래 모니터링(Acoustic Sand Monitor), FSM, Pig 감지기(AcousticPig Detector)를 모두 하나의 통합된 시스템으로 제공할 수 있다는 의미다. 여기에서동일한 인프라(케이블, 캐비닛, 소프트웨어 등) 역시 전체 모니터링 기능을 사용할 수 있기 때문에운영비용을 절감할 수 있다.

관입식 부식, 모래/침식 프로브와 FSM 시스템을 포함해 다양한 유형의 계기는 데이터 분석 소프트웨어 인터페이스를 지원한다. 예를 들어, FSM의 경우 시스템은 쌍을 이루고 있는 핀 전체의상세 뷰(View)와 부식 및 침식 후의 3D 뷰를 비롯해구성 설정 및 진단 도구까지 포함하고 있다. 이와 더불어 국부적인 부식 및 침식의 결과로 나타나는 금속손실도 실시간으로 볼 수 있다.

또한, 에머슨의 최신 버전 현장 모니터링 시스템은 부식에 직접적인 영향을 미치는모래 침식 제어 영역을 위해 신규 기능들도 추가했다. 여기에는 각 모래 침식 측정의 신뢰도를 평가하는새로운 필터링 및 온도 보상 알고리즘으로 구성된 신규 스마트 경보 소프트웨어와 운영자가 생산 시스템 내에 가상 부식 센서를 배치할 수 있도록 하는기능이 포함된다. 이는특별히 물리적으로 센서를 설치하기 어려운 구역, 예를 들어 굴곡 및T형 굴곡, 감속기 등을 모니터링하는 데 유용하다. 가상침식 모델은 실제 센서처럼 정밀하진 않지만, 유량 정보 및 압력, 온도데이터를 입력함으로써 중요한 정보를 계산할 수 있다.

다운스트림 및 업스트림 운영 업체들에게 자사의 자산 무결성(AMS)을 보호하고 자산수명 주기를 확장하는 것이 얼마나 중요한지는 모두들 잘 알고 있다. 또한, 부식에 대한 위험이 효율적인 생산에 심각한 걸림돌이 된다는 점 역시 주지하고 있을 것이다. 관입식 및 비관입식 방식 부식모니터링에 보다 향상된 지능, 정보 통합, 무선기술을 부여함으로써많은 업체들은 현재 직면하고 있는 문제를 보다 강력하게 대처할 수 있는 위치를 선점할 수 있을 것으로 판단한다.

Key Solution
Roxar 소프트웨어 솔루션

Roxar는 에머슨프로세스매니지먼트의브랜드로서 유량 계측 및 Reservoir 소프트웨어 솔루션을 제공하고 있다.
유량 계측 분야에서는 실시간으로 유정의 유량을 측정하고 데이터를 수집할 수 있도록 제품을 개발해 왔으며, 고온의 Reservoir 모니터링에서 Multiphase 유체 계량기, 모래 침식 센서, 물과 기름이 혼합된 유체 모니터링, 부식 탐지 기능까지 다양한 기술을제공함으로써 고객이 유체에 대해 정확히 이해하고 Reservoir를 효율적으로 관리할 수 있도록 도움을주고 있다. Roxar 소프트웨어 솔루션에는 Reservoir 모델링인 Irap RMS, Tempest Reservoir 시뮬레이션소프트웨어 등이 있으며, 과거 불확실한 영역이었던 Reservoir 상태를 3D 모델링 소프트웨어로 분석해 통합 시뮬레이션을 제공한다.

FA Journal 편집국 (fa@infothe.com)

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