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石化裝置保溫層下腐蝕檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展！

2021-04-13 11:23:39 作者：百若來(lái)源：設(shè)備管理與防腐分享至：

設(shè)備和管道的保溫層下腐蝕（CUI）問(wèn)題變得日益突出，嚴(yán)重威脅裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在分析CUI成因的基礎(chǔ)上，綜述了傳統(tǒng)CUI檢測(cè)方法和新型無(wú)損監(jiān)檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展，對(duì)比分析了各種CUI檢查方法的優(yōu)缺點(diǎn)。選擇CUI的檢查方法時(shí)應(yīng)從可操作性、工作量、效率、效果、成本及安全等方面進(jìn)行綜合評(píng)判和分析，選擇出最合適的監(jiān)檢測(cè)技術(shù)或方法，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效監(jiān)檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：保溫層下腐蝕（CUI）；檢測(cè)；石油化工裝置；應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

基金項(xiàng)目：中國(guó)石化集團(tuán)公司科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（CLY19141）

在石油化工行業(yè)中，出于節(jié)能和工藝考慮，多數(shù)設(shè)備和管道需要采取絕熱保溫層措施。然而，設(shè)備和管道運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)發(fā)生保溫層下腐蝕（CUI），特別是沿海企業(yè)，CUI問(wèn)題更為突出，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生腐蝕泄漏，導(dǎo)致非計(jì)劃停工，嚴(yán)重威脅了裝置的安全穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行，影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益［1-3］。由于CUI具有一定的偶然性和隱蔽性，很難在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是拆除保溫層結(jié)構(gòu)，進(jìn)行目視檢查、滲透檢測(cè)和超聲波測(cè)厚等，這些方法檢測(cè)效率低，且拆除保溫層結(jié)構(gòu)成本較高，難以滿足企業(yè)的檢測(cè)需求。

該文綜述了不同CUI監(jiān)檢測(cè)方法，對(duì)比分析了不同CUI檢測(cè)方法的應(yīng)用情況和優(yōu)缺點(diǎn)，提出CUI檢測(cè)方法的發(fā)展趨勢(shì)，為石油化工企業(yè)CUI檢測(cè)提供借鑒。

1 CUI成因分析

采用了保溫層結(jié)構(gòu)的設(shè)備或管道，由于水分的滲入而又無(wú)法及時(shí)揮發(fā)導(dǎo)致保溫層下金屬發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象稱為保溫層下腐蝕（CUI）。CUI分為兩種類型：一是碳鋼或低合金鋼發(fā)生的均勻腐蝕或坑蝕，其腐蝕產(chǎn)物通常為松散的片狀腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)；另一種是奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。CUI腐蝕形貌見(jiàn)圖1。

1.1 腐蝕機(jī)理

在裝置運(yùn)行中，保溫層的結(jié)構(gòu)被破壞導(dǎo)致水分進(jìn)入，保溫材料的多孔結(jié)構(gòu)對(duì)水分起到一定的滯留作用，從而在保溫層下形成電化學(xué)腐蝕環(huán)境。同時(shí)保溫材料中含有一定量的Cl和S等元素，加劇了腐蝕，其電化學(xué)腐蝕反應(yīng)方程式如下：

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陽(yáng)極和陰極反應(yīng)的 Fe2+和 OH-生成Fe（OH）2，在氧氣作用下進(jìn)一步生成 Fe（OH）3和Fe3O4，腐蝕產(chǎn)物疏松易脫落，缺乏保護(hù)性，從而進(jìn)一步加劇腐蝕。

圖1 保溫層下腐蝕形貌

1.2 影響因素

CUI主要受水分、溫度和保溫材料類型等因素的影響［5］。保溫層結(jié)構(gòu)中水分的滯留是導(dǎo)致CUI發(fā)生的直接原因，水分的來(lái)源主要包括保溫層結(jié)構(gòu)被破壞后雨水的滲入和金屬表面產(chǎn)生的冷凝水。保溫層下水分的滯留和氧含量受溫度影響較大，碳鋼和低合金鋼CUI的敏感溫度區(qū)間為-12～175℃，奧氏體不銹鋼保溫層下應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感溫度區(qū)間為60～205℃，而雙相不銹鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性較低。圖2為碳鋼在水中的腐蝕速率與溫度的關(guān)系。從圖2可以看出：在開(kāi)放系統(tǒng)中，溫度升高，水中氧含量降低，在80℃以上時(shí)，碳鋼的腐蝕速率開(kāi)始明顯降低；但是在封閉系統(tǒng)中，隨著溫度的升高，碳鋼的腐蝕速率持續(xù)增大直至達(dá)到水分可以快速蒸發(fā)的溫度為止［5-6］。

圖2 溫度對(duì)碳鋼腐蝕速率的影響

保溫材料具有一定的吸水性，其中含有的氯化物、硫酸鹽等可溶性鹽類增加了水溶液的導(dǎo)電性，且金屬鹽類的水解會(huì)導(dǎo)致溶液pH值降低，這些均對(duì)電化學(xué)腐蝕過(guò)程具有促進(jìn)作用。在大量水分存在的區(qū)域，CUI的溫度上限也會(huì)隨之升高。此外，設(shè)備或管道在冷熱循環(huán)、干濕交替等工況下運(yùn)行也會(huì)加速 CUI。

2 CUI監(jiān)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 目視檢查

目視檢查是通過(guò)拆除設(shè)備或管道的外保溫層結(jié)構(gòu)，直接觀察并配合超聲波測(cè)厚獲得保溫層下金屬材料的腐蝕及裂紋狀況的檢測(cè)方法。該方法的突出特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、直接、有效，但是，由于拆除保溫層結(jié)構(gòu)工作周期長(zhǎng)、工作量大導(dǎo)致成本較高，且恢復(fù)后的保溫層質(zhì)量也難以得到保證，易發(fā)生二次腐蝕。鑒于以上原因，該方法在實(shí)施過(guò)程中通常又適宜于進(jìn)行局部的單點(diǎn)檢測(cè)，難以實(shí)現(xiàn)全面檢查，檢查結(jié)果存在片面性，不能真實(shí)地反映保溫層下腐蝕狀況。因此，該方法更適合于企業(yè)生產(chǎn)管理人員的日常巡檢，針對(duì)發(fā)現(xiàn)保溫層結(jié)構(gòu)破損的部位實(shí)現(xiàn)快速篩查。

2.2 滲透檢測(cè)技術(shù)

滲透檢測(cè)技術(shù)是利用毛細(xì)作用的原理，將溶有熒光染料和著色染料的液體涂覆到管道或設(shè)備表面，形成放大了的缺陷，有效地實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的方法。滲透檢測(cè)技術(shù)可用于不銹鋼保溫層下應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（ESCC）檢測(cè)，具有操作簡(jiǎn)便、快速和檢測(cè)結(jié)果直觀等特點(diǎn)，成本較低。然而，實(shí)施滲透檢測(cè)技術(shù)前需要拆除保溫層結(jié)構(gòu)，適用于局部小范圍檢查，若用于大面積檢查則效率偏低。此外，該方法僅能檢測(cè)出表面的裂紋分布，難以確定裂紋深度并做出定量評(píng)價(jià)。

2.3 紅外熱成像技術(shù)

紅外熱成像的原理是將不同溫度物體輻射出的不可見(jiàn)紅外能量以熱圖像的形式呈現(xiàn)出來(lái)，可精準(zhǔn)識(shí)別保溫層結(jié)構(gòu)中異常的溫度區(qū)域［14］。保溫層進(jìn)水后，其導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)明顯提高，與未發(fā)生進(jìn)水部位的溫差明顯增大，通過(guò)紅外圖像可以直觀地發(fā)現(xiàn)進(jìn)水部位，針對(duì)異常部位及早檢查處理，防患于未然。

馬永明［15］采用紅外熱成像的方法對(duì)某企業(yè)常壓塔頂部位進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該處存在異常溫度，溫差達(dá)到20℃以上，兩個(gè)月后該處出現(xiàn)油氣泄漏引發(fā)火災(zāi)導(dǎo)致裝置停工，由此可知，紅外熱成像技術(shù)在一定程度上能夠及早發(fā)現(xiàn)溫度異常部位，識(shí)別潛在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

紅外熱成像儀便于攜帶、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)效率高，且不受檢測(cè)距離的限制，避免了高處保溫層結(jié)構(gòu)檢測(cè)耗時(shí)耗力的缺點(diǎn)，檢測(cè)范圍較廣，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和管道的大面積掃查，有效避免局部疏漏。紅外熱成像法屬于間接檢測(cè)，通過(guò)發(fā)現(xiàn)保溫層結(jié)構(gòu)的溫度異常點(diǎn)，拆除保溫結(jié)構(gòu)，并結(jié)合目視檢查進(jìn)一步確定腐蝕狀況。紅外熱成像法不適合用于埋地保溫層結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。

2.4 脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)

脈沖渦流檢測(cè)原理：對(duì)被測(cè)物體施加一個(gè)具有一定占空比的脈沖方波信號(hào)，當(dāng)迅速切斷方波信號(hào)時(shí)，被測(cè)物體周圍的磁場(chǎng)會(huì)迅速衰減，被測(cè)物體在衰減的磁場(chǎng)中感應(yīng)出脈沖渦流，脈沖渦流進(jìn)而產(chǎn)生二次磁場(chǎng)，此時(shí)切斷激勵(lì)電流產(chǎn)生的一次磁場(chǎng)為零，如果被測(cè)物體表面有缺陷，就會(huì)反映出二次磁場(chǎng)的變化，通過(guò)檢測(cè)線圈將二次磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，可以判斷出被測(cè)物體表面的缺陷狀況。

仇朝軍等［20］對(duì)帶有保溫層結(jié)構(gòu)的Q235B壓力容器進(jìn)行了脈沖渦流檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與容器實(shí)際缺陷的分布和大小一致。脈沖渦流檢測(cè)不需要將探頭與試樣表面直接接觸，在保持一定距離的情況下仍然具有較高的準(zhǔn)確度，因此該方法可以在不拆除保溫層的條件下實(shí)施CUI檢查。此外，通過(guò)使用繩索或移動(dòng)傳感器連接，脈沖渦流檢測(cè)儀可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)爬行檢測(cè)，大幅度提高檢測(cè)效率，降低人工成本。脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)僅適用于碳鋼或低合金鋼等鐵磁性材料，對(duì)于非磁性的奧氏體不銹鋼及帶有鍍鋅板覆層的保溫層檢測(cè)效果欠佳，因而其應(yīng)用范圍也受到限制。

2.5 X射線成像技術(shù)

X射線成像技術(shù)的原理：利用X射線對(duì)不同材料的穿透能力不同（對(duì)保溫材料穿透能力強(qiáng)、對(duì)金屬材料穿透能力弱），通過(guò)激發(fā)的X射線將管道及其保溫層結(jié)構(gòu)進(jìn)行投影成像，獲得保溫層滲水和管道表面腐蝕情況等直觀圖像信息，達(dá)到CUI無(wú)損檢測(cè)的目的。

董聰?shù)龋?3］采用X射線成像技術(shù)對(duì)某管道進(jìn)行保溫層下腐蝕檢測(cè)見(jiàn)圖3。其中圖3右下側(cè)暗色部位為管道主體；亮色與暗色交界面為管道的外表面輪廓，該線條越不光滑，說(shuō)明管線表面腐蝕越嚴(yán)重；亮色區(qū)域?yàn)楸夭牧希涣辽休^暗的部位為保溫層進(jìn)水區(qū)域。從圖片中直觀的獲得管道表面腐蝕狀況和保溫材料進(jìn)水情況，獲得了良好的檢測(cè)效果。

圖3 某管道X射線檢測(cè)照片

X射線成像技術(shù)在不拆除保溫層結(jié)構(gòu)的情況下，可以快速、真實(shí)、直觀地反映設(shè)備或管道表面的腐蝕以及保溫層結(jié)構(gòu)的滲水情況，是一種直觀、高效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。但是，由于X射線穿透能力較強(qiáng)，該方法僅能針對(duì)小范圍區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，不適用于大面積的篩查。并且X射線對(duì)人體有一定的輻射傷害，操作人員應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)。

2.6 超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)

超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的原理是將磁性鐵鈷薄條粘貼在被測(cè)物體表面上并施加超聲波，該超聲波沿被測(cè)物體傳播并被其表面的形狀所約束。當(dāng)被測(cè)物體表面存在缺陷時(shí)會(huì)反射回相應(yīng)的信號(hào)，并在接收線圈上產(chǎn)生變化的電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷部位的定位。

廣東省特檢院季鵬等［27］采用超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)7條管道實(shí)施保溫層下腐蝕檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)多處缺陷部位，檢測(cè)效率高。謝浩平等［28］采用同樣的方法對(duì)導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，認(rèn)為該技術(shù)可用于保溫層下管道缺陷的檢出和辨識(shí)。超聲導(dǎo)波較傳統(tǒng)超聲波傳播距離長(zhǎng)，通常在20～30 m的范圍內(nèi)衰減很小，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)拆除一段保溫層結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的檢測(cè)，擴(kuò)大了檢測(cè)范圍，提高了檢測(cè)效率；但是，超聲波受溫度、保溫層結(jié)構(gòu)、涂層、支架及彎頭等因素影響，適用于-20～120℃的溫度，因此，在布置探頭位置時(shí)需要進(jìn)行合理的選擇［29］。

此外，超聲導(dǎo)波檢測(cè)設(shè)備價(jià)格較高，雖然能夠提供被測(cè)物體的整體腐蝕狀況（平均壁厚），但檢測(cè)結(jié)果不能區(qū)分出內(nèi)外壁的缺陷，且對(duì)點(diǎn)蝕等孤立缺陷的檢出率較低。因此，在采用超聲導(dǎo)波檢測(cè)前，應(yīng)進(jìn)行綜合分析，設(shè)置合理的閾值，從而更高效地檢測(cè)出缺陷的位置和大小［30］。

2.7 基于金屬電位差的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

基于金屬電位差在線監(jiān)測(cè)技術(shù)采用的是電化學(xué)原理，其原理如圖4所示。兩種金屬材料之間存在電位差，將其同時(shí)浸入電解質(zhì)溶液中時(shí)，二者與溶液之間形成了電極電位。該技術(shù)通過(guò)將設(shè)備或管道與金屬保護(hù)層用導(dǎo)線連接，采用萬(wàn)用表定期監(jiān)測(cè)二者之間電位的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)保溫層結(jié)構(gòu)進(jìn)水情況的監(jiān)測(cè)［31］。

圖4 基于金屬電位測(cè)試原理

基于金屬電位差在線監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)施方法簡(jiǎn)單，在不破壞保溫層結(jié)構(gòu)的前提下，僅需要使用導(dǎo)線將其引出，節(jié)約了監(jiān)測(cè)成本，而且該技術(shù)響應(yīng)快、檢測(cè)靈敏度高，可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)保溫層進(jìn)水情況，并配合目視檢查進(jìn)一步確認(rèn)。但是，該技術(shù)無(wú)法對(duì)已經(jīng)進(jìn)水的保溫層進(jìn)行進(jìn)水程度量化評(píng)定，因此更適合用于石油化工企業(yè)保溫層下腐蝕的日常監(jiān)測(cè)。

3 檢測(cè)技術(shù)對(duì)比分析

基于前文對(duì)保溫層下腐蝕各種檢測(cè)方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析和評(píng)價(jià)，從可操作性、工作量、效率、效果、成本費(fèi)用及安全等方面對(duì)不同CUI檢查方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 不同CUI檢測(cè)方法的對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著石油化工裝置運(yùn)行年限的增加，設(shè)備和管道的保溫層下腐蝕問(wèn)題變得突出，逐漸受到越來(lái)越多的重視。目視檢查和滲透檢測(cè)等傳統(tǒng)檢測(cè)方法雖然有一定的直觀性，但是在檢查效率、成本等方面存在著明顯的不足。未來(lái)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)將在保溫層下腐蝕的預(yù)防和檢測(cè)方面發(fā)揮更大的作用，采用多種檢測(cè)技術(shù)的組合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)各種檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)將成為未來(lái)CUI檢測(cè)的主流形式。此外，針對(duì)不銹鋼保溫層下應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的新型檢測(cè)方法的研究和應(yīng)用也將取得突破。

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