保溫層下管道腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及應(yīng)用研究

熊 亮，孫玉江

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300456)

0 引言

帶保溫層管道是由50～200 mm厚的保溫層和0.5～2 mm厚的鋁板或鍍鋅鐵皮所包覆，已廣泛應(yīng)用于石油化工和建筑等多個(gè)行業(yè)[1]。但基于保溫層的多孔吸水結(jié)構(gòu)，很容易與雨水等腐蝕性液體、氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致保溫層下腐蝕(CUI)[2-4]。CUI是石油石化等行業(yè)中常見的最嚴(yán)重問題之一[3]。通常，檢測(cè)保溫層下管道需要去除外部保溫層，檢測(cè)完成后重新加裝保溫層。由于此過程需要企業(yè)停產(chǎn)，不僅增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)成本而且降低了生產(chǎn)效率，更可能因拆裝保溫層導(dǎo)致二次腐蝕[4-6]。為解決CUI問題，中石化青島安全工程研究院研發(fā)了保溫層下涂層腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)裝置[7]，可模擬不同溫度和濕度交替變化條件下的涂層腐蝕情況；姜瑩潔等[8]的研究表明，對(duì)保溫層下20號(hào)鋼腐蝕起主要作用的因素為溫度，而且干濕交替環(huán)境相對(duì)于冷熱交替和恒溫環(huán)境的鋼材腐蝕更為嚴(yán)重；在CUI預(yù)防研究方面，國(guó)內(nèi)外主要集中在對(duì)保溫材料的設(shè)計(jì)、選型、研制以及帶保溫層管道的缺陷分析與檢測(cè)等領(lǐng)域[9-12]。目前，針對(duì)管道腐蝕的監(jiān)測(cè)方法主要有電化學(xué)測(cè)量、電阻探頭、電感探頭和超聲波監(jiān)測(cè)等。電化學(xué)測(cè)量主要基于線性極化法或弱極化法，數(shù)據(jù)采集時(shí)間短，但受電化學(xué)介質(zhì)環(huán)境和測(cè)量誤差的限制，無法實(shí)現(xiàn)高精度的腐蝕監(jiān)測(cè)[13-14]；電阻探頭的原理主要是根據(jù)探針被腐蝕后橫截面積變化和探針電阻值之間變化的關(guān)系得出腐蝕速率，缺點(diǎn)是對(duì)腐蝕不太敏感，且局部腐蝕的應(yīng)用誤差很大[15-16]；電感式探頭具有快速響應(yīng)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣，但此監(jiān)測(cè)方法壽命短，不適于局部腐蝕，精度易受到材料和環(huán)境的影響[17-18]；超聲波監(jiān)測(cè)的原理是利用超聲波測(cè)厚方法，按照固定周期檢測(cè)管道壁厚，通過壁厚差來計(jì)算管道的腐蝕速率，該監(jiān)測(cè)方法僅適用于監(jiān)測(cè)壁厚相對(duì)較大的管道，且監(jiān)測(cè)效果很容易受管道內(nèi)表面腐蝕以及管道高溫或低溫的影響[19-21]。

GSDT(γ-ray Digital Scanning Detection Technology，γ射線數(shù)字掃描檢測(cè)技術(shù))是1種基于TRT射線檢測(cè)方法的新型射線照相技術(shù)，此方法可以通過不破壞保溫層獲取管道的壁厚數(shù)據(jù)。TRT射線檢測(cè)方法放射性活度可能會(huì)高達(dá)1×1011Bq，安全距離大于20 m，不利于現(xiàn)場(chǎng)的安全應(yīng)用。采用GSDT可以降低放射性活度至1×108Bq，安全距離控制在1 m左右，大大提高了檢測(cè)的便利性。目前，GSDT已用于管道的檢測(cè)，其測(cè)量精度達(dá)到0.2 mm。本文將利用GSDT分析和測(cè)試自主研發(fā)的保溫層下腐蝕管道無線監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)量精度，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)保溫層下腐蝕在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算保溫層下腐蝕速率。

1 GSDT的基本原理

γ射線是放射性源衰變而放射出的低波長(zhǎng)電磁波，其在透射過程中的衰減過程按照Lambert-Beer定律[22]如式(1)所示：

I=I0e-μmρt

(1)

式中：I為射線透過檢測(cè)物后的強(qiáng)度，Bq；I0為射線透過檢測(cè)物前的強(qiáng)度，Bq；μm為吸收物質(zhì)對(duì)γ射線的質(zhì)量吸收系數(shù)；ρ為物質(zhì)(指吸收物質(zhì))的密度，kg/m3；t為透過物質(zhì)的厚度，m。

從式(1)可知，射線的剩余強(qiáng)度主要與穿透物體的厚度和密度有關(guān)。當(dāng)經(jīng)過2種不同物質(zhì)(如保溫層與金屬管道本體)的邊界時(shí)，射線強(qiáng)度會(huì)發(fā)生突變。因此可以根據(jù)射線的衰減情況確認(rèn)射線所經(jīng)過的保溫層、金屬管道等區(qū)域。按照管道的截面切線方向掃描示意如圖1所示。

圖1 管道截面切線方向掃描示意Fig.1 Schematic diagram for tangential direction of pipe section

保溫管道的切向厚度如式(2)所示：

(2)

式中：T為被測(cè)保溫管道的切向厚度，m；t0為被測(cè)保溫管道的法向厚度，m；D0為被測(cè)保溫管道邊界層處的曲率半徑,m。從式(2)可以看出，當(dāng)D0>1.25t0時(shí)，切線方向的厚度T將大于法線方向的厚度t0，此時(shí)，切向方向的射線劑量衰減將大于法線方向，射線劑量的信號(hào)突變也更加明顯，更容易識(shí)別。因此，理論上切向照射的邊界層識(shí)別敏感性和精度將高于法線方向。

同時(shí)，若在邊界層法線方向上采用步進(jìn)電機(jī)，那么2個(gè)邊界層之間的距離(物質(zhì)厚度或管道壁厚)可由式(3)得到。

s=pN

(3)

式中：s為邊界間的距離，m；p為步進(jìn)電機(jī)步距，m；N為2個(gè)突變信號(hào)之間步進(jìn)電機(jī)所移動(dòng)的步數(shù)。

結(jié)合式(1)～(3)，與TRT射線照相方法相比，GSDT只需要相對(duì)較少的放射強(qiáng)度就能滿足管道檢測(cè)的需要，故使得射線檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用安全性大大提高。

2 GSDT監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度測(cè)試

2.1 GSDT在線監(jiān)測(cè)裝置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)帶保溫層管道的要求，研發(fā)了1套基于GSDT保溫層下管道在線腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)軸、γ射線源驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、無線控制機(jī)構(gòu)、監(jiān)控驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)等組成，系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 帶保溫層管道腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)Fig.2 Core structure of online monitoring system for corrosion of pipeline with insulation layer

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由同步步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠、蝸桿和齒輪組成，2個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別控制著射線源機(jī)和探測(cè)器同步移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間距離可隨管徑大小調(diào)整。檢測(cè)時(shí)，計(jì)算機(jī)通過控制機(jī)構(gòu)同時(shí)向γ射線源驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和探測(cè)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)出移動(dòng)指令。然后，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，γ射線源和探測(cè)器在驅(qū)動(dòng)軸方向沿管道的切線方向同步向上或向下移動(dòng)掃描帶保溫層管道。γ射線源發(fā)出的射線經(jīng)過管道后，被探測(cè)器吸收轉(zhuǎn)化為粒子數(shù)記錄在計(jì)算機(jī)中。

2.2 GSDT監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度測(cè)試

為驗(yàn)證自主研發(fā)的保溫層下管道腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能否監(jiān)測(cè)保溫層下管道的壁厚及精度，將對(duì)保溫層管道進(jìn)行測(cè)試。因?yàn)樯渚€在穿過物質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生折射、吸收、散射等現(xiàn)象，因此，系統(tǒng)的檢測(cè)精度會(huì)受到保溫層影響，且影響程度會(huì)隨著管道直徑的增加、保溫層厚度的增加而變大。為了驗(yàn)證保溫層的影響，測(cè)試了一段直徑50 mm、壁厚6 mm的管道外包覆有20 mm厚度的保溫層，電機(jī)的步進(jìn)距離為0.20 mm。檢測(cè)曲線如圖3所示。檢測(cè)得到的管壁厚度為6.24 mm，測(cè)量誤差為0.24 mm，更多不同帶包覆層管道的測(cè)量結(jié)果見表1。

圖3 50 mm直徑保溫層管道測(cè)量曲線Fig.3 Measurement curve of 50 mm diameter pipeline with insulation layer

根據(jù)表1的測(cè)量結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于保溫層管道，其測(cè)量總誤差的平均值約為0.20 mm，計(jì)算得到測(cè)量誤差的方差為0.09 mm。結(jié)果表明，保溫層下管道腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以應(yīng)用于保溫管道的腐蝕監(jiān)測(cè)。

表1 不同直徑保溫層管道測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement results of pipeline with insulation layer under different diameters

介質(zhì)密度會(huì)影響射線隨機(jī)漲落幅值，從而影響測(cè)量精度，本文以水作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)部分含水管道進(jìn)行了測(cè)試，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同直徑含水管道檢測(cè)結(jié)果Table 2 Measurement results of pipeline containing water under different diameters

從表2可以看出，當(dāng)管道內(nèi)有水時(shí)，其測(cè)量總誤差的平均值約為0.18 mm，測(cè)量誤差的方差為0.07 mm，測(cè)量總誤差接近本次實(shí)驗(yàn)中步進(jìn)電機(jī)的設(shè)置精度0.20 mm(誤差為0.02 mm)。從數(shù)據(jù)來看，水介質(zhì)可能影響了測(cè)量結(jié)果。

利用數(shù)據(jù)分析方法判斷保溫層和內(nèi)部高密度介質(zhì)是否對(duì)壁厚測(cè)量精度產(chǎn)生影響。根據(jù)數(shù)據(jù)量有限，且單次測(cè)量誤差基本接近高斯分布的特點(diǎn)，本文采用t-分布分析方法，綜合考慮均值和方差的影響，其計(jì)算方程如式(4)所示，其判定方程如式(5)所示。

(4)

ts>t(α,u+v-2)

(5)

式中：ts為計(jì)算t-值；avgi為第i組測(cè)試數(shù)據(jù)的誤差平均值，mm;avgj為第j組測(cè)試數(shù)據(jù)的誤差平均值,mm；σi為第i組測(cè)試數(shù)據(jù)的誤差方差,mm;σj為第j組測(cè)試數(shù)據(jù)的誤差方差,mm;u為第i組測(cè)試數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總量;v為第j組測(cè)試數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總量;t(α,u+v-2)為置信度等級(jí)α條件下的t-值臨界值;α為置信度等級(jí)，為迎合95%的置信度水平，其取值為5%。

ts和t(α,u+v-2)的計(jì)算結(jié)果見表3。

根據(jù)表3，結(jié)合綜合測(cè)量誤差的均值和方差，說明保溫層下管道腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在這2種因素影響下測(cè)量精度依然可以得到有效保證。

表3 各影響因素對(duì)于測(cè)量精度的影響結(jié)果分析Table 3 Analysis on influence of each influencing factor on measurement precision

3 現(xiàn)場(chǎng)保溫管道腐蝕監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

選取某化工企業(yè)一段保溫管道作為腐蝕監(jiān)測(cè)試驗(yàn)對(duì)象，如圖4所示，保溫管道的直徑為500 mm。將保溫層下管道腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)固定在管道上一點(diǎn)，系統(tǒng)將按設(shè)定周期采集保溫管道的壁厚數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)無線傳送至管道腐蝕管理中心。

圖4 帶保溫層管道腐蝕監(jiān)測(cè)Fig.4 Corrosion monitoring on pipeline with insulation layer

試驗(yàn)過程中，采集管壁厚度的采樣頻率設(shè)定為每周1次，監(jiān)測(cè)總時(shí)間為1 a。每次采樣將連續(xù)測(cè)量5次，5次的平均值代表1個(gè)周期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。將這1年的腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分為月腐蝕率和季度腐蝕率。腐蝕速率計(jì)算如式(6)：

(6)

式中：Δd為2個(gè)監(jiān)測(cè)周期的管道壁厚差值，mm；Δt為2個(gè)周期的時(shí)間間距。

保溫管道腐蝕的監(jiān)測(cè)記錄始于2018年3月，并于次年2月結(jié)束。共收集了72組壁厚數(shù)據(jù)。每個(gè)月的管道剩余壁厚如圖5所示。按照腐蝕速率公式(6)計(jì)算，得到每個(gè)月和每個(gè)季度的管道腐蝕速率如圖6～7所示。

圖5 每月的管道剩余壁厚Fig.5 Monthly residual wall thickness of pipeline

由圖6可知，該段保溫層管道每月的腐蝕速率非常小，基本在0.00～0.02 mm/月之間，其中只有6月和7月的腐蝕嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查，監(jiān)測(cè)段保溫層有破損，受此2月的潮濕氣候和雨水的影響，導(dǎo)致管道腐蝕速率增加。由圖7可知，第一和第四季度的保溫管道腐蝕速率幾乎為0.00 mm/季度，第二和第三季度腐蝕速率相對(duì)較高，均為0.02 mm/季度。綜合來看，所監(jiān)測(cè)保溫管道的年平均腐蝕速率為0.04 mm/a?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)多年的實(shí)際腐蝕速率為0.03～0.05 mm/a，監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相比，可以看出自主研發(fā)的保溫層下腐蝕管道無線監(jiān)測(cè)設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際腐蝕速率一致。

圖6 管道的月腐蝕速率Fig.6 Monthly corrosion rate of pipeline

圖7 管道季度腐蝕速率Fig.7 Quarterly corrosion rate of pipeline

4 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該保溫層下腐蝕管道無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量誤差的平均值約為0.20 mm，方差為0.09 mm，該誤差范圍足以實(shí)現(xiàn)保溫管道在線腐蝕監(jiān)測(cè)。

2)按照t-分布分析方法并結(jié)合95%的置信度水平，分析了系統(tǒng)綜合測(cè)量誤差的均值和方差，結(jié)果表明保溫層和高密度介質(zhì)對(duì)管壁厚度的測(cè)量結(jié)果影響很小。

3)通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)保溫管道的腐蝕情況監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)管道的月腐蝕速率均相對(duì)較小，其中多個(gè)月的腐蝕速率幾乎為0.00 mm/月，腐蝕速率較快的月份分別為6月和7月，均為0.02 mm/月。綜合1年的管道腐蝕監(jiān)測(cè)速率為0.04mm/a，證明所研發(fā)的保溫層下腐蝕管道無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能可靠。