管道保溫層下腐蝕與檢測

劉點玉，楊曉巖，常 青，李 磊，劉 權(quán)，陳少松

（1.中石油北京天然氣管道有限公司，北京100020；2.北京安科管道工程科技有限公司，北京100803）

油氣輸送站場工藝管道的保溫層對相關(guān)工藝過程控制、節(jié)能以及保護人員安全至關(guān)重要，但保溫層下的管道也會發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致運營維護費用的增加［1］。水侵入到保溫層下是導(dǎo)致其下管道發(fā)生腐蝕的一個關(guān)鍵因素，因此，為了防止或者減少相關(guān)腐蝕的發(fā)生，有必要采取措施防止水直接或者間接侵入到保溫層下。另外，與管道保溫層直接接觸的外部潮濕環(huán)境或者保溫層內(nèi)部潮濕也可以導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生。

保溫層下腐蝕會直接破壞內(nèi)部管道，進而導(dǎo)致相關(guān)管道硬件設(shè)施的破壞，甚至對生產(chǎn)設(shè)施的完整性、生產(chǎn)工藝流程、作業(yè)人員生命及財產(chǎn)安全帶來災(zāi)難性的后果。為了解決保溫層下腐蝕問題，石油化工行業(yè)已經(jīng)做了大量工作。2003年?？松梨谠跉W洲腐蝕聯(lián)合會報道的相關(guān)研究表明，在所有導(dǎo)致泄漏事故發(fā)生的原因中，保溫層下腐蝕導(dǎo)致的泄漏最為常見；40%～60%的管道維護花費都直接或者間接與保溫層下腐蝕破壞有關(guān)，并且這種腐蝕在相關(guān)海上作業(yè)設(shè)施中的破壞更加嚴重［2］。事實上，保溫層下腐蝕在2012年加拿大圣約翰召開的腐蝕會議上就被業(yè)界專家認為是管道腐蝕的首要問題［3］。因此，對保溫層下腐蝕進行有效的監(jiān)測、防護并進行全壽命周期的完整性管理是確保管道設(shè)施服役延長的重要措施。

1 保溫層下腐蝕的機理

保溫層下腐蝕的發(fā)生涉及三個主要要素：氧氣、高溫和溶液或者潮濕環(huán)境中參與反應(yīng)的溶解物的濃度。當(dāng)表面覆蓋了保溫層后，水分滯留在保溫層和結(jié)構(gòu)物表面之間，使整個系統(tǒng)成為一個封閉的系統(tǒng)。如果在保溫層的腐蝕介質(zhì)（水、潮濕空氣）中有氯化物和硫酸鹽，腐蝕會進一步加快。

保溫層下腐蝕的具體表現(xiàn)形式包括：均勻腐蝕、點蝕、應(yīng)力腐蝕開裂以及微生物腐蝕。文獻［4］對這些腐蝕機理進行了論述。

1.1 點 蝕

點蝕是最常見的局部腐蝕，局限于一個較小的區(qū)域，而不是均勻地分布在材料表面。一些金屬暴露在腐蝕性環(huán)境中，會由于鹽顆?；蛘咂渌廴疚锏拇嬖诙l(fā)生點蝕。其他導(dǎo)致點蝕的因素包括：夾雜物、保護性涂層的破損（包括自然破損和外力所導(dǎo)致）以及表面破損。點蝕是在涂層破損部位由電化學(xué)腐蝕引起的。由保溫層下腐蝕引起點蝕的宏觀形貌見圖1。

1.2 應(yīng)力腐蝕開裂

應(yīng)力腐蝕開裂是一種工業(yè)界常見的問題，其發(fā)生所需的三種因素包括材料本身的電化學(xué)性質(zhì)，殘余或施加的拉伸應(yīng)力以及腐蝕環(huán)境。目前有很多理論試圖解釋應(yīng)力腐蝕開裂中裂紋擴展的原因，其中兩種理論討論了裂紋擴展的控制因素：基體應(yīng)力集中（斷裂力學(xué)）和電化學(xué)腐蝕。根據(jù)有關(guān)工藝管道保溫層下應(yīng)力腐蝕開裂情況，管道表面氯化物的集聚有助于形成應(yīng)力腐蝕開裂的敏感環(huán)境。保溫層下腐蝕引起的典型應(yīng)力腐蝕開裂情況見圖2。圖2顯示了從管道外表面向內(nèi)延伸擴展的穿晶裂紋［5］。

圖1 保溫層下管線鋼上發(fā)生的點蝕

圖2 保溫層下晶間應(yīng)力腐蝕開裂

2 保溫層下腐蝕的檢測

保溫層的隔離限制了對其包裹的管線鋼腐蝕的直接檢測，移除保溫層再檢測的操作也比較復(fù)雜，對于未能及時檢測到的保溫層下管線鋼的腐蝕，其破壞作用會一直持續(xù)到材料失效。相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)檢測技術(shù)和推薦做法在一些工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)中有詳細介紹，ASTM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)介紹了如何使用非破壞性方法檢查點蝕［6］，NACE標(biāo)準(zhǔn)則系統(tǒng)描述了保溫層下腐蝕的檢測和相關(guān)的材料維護方法［7］。

最簡單且應(yīng)用最廣泛的檢測方法是通過肉眼直接觀察管線鋼的表面狀態(tài)。但這種方法要求檢查前后分別需要移除和再安裝保溫層和防風(fēng)雨罩，甚至需要暫時停產(chǎn)。因此盡管不依賴任何工具但成本并不低。所以，開發(fā)不需要移除保溫層就可以直接檢測保溫層下管線鋼腐蝕狀態(tài)的方法顯得尤為必要。一種主要的無損檢測保溫層下腐蝕的方法是脈沖渦流法，但是脈沖渦流對檢測金屬夾層的靈敏度有限［8］。其中，Lyft System最近開發(fā)了一種新的基于脈沖渦流技術(shù)的檢測工具，能夠快速地檢測并收集到可重復(fù)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)［9］。其他檢測技術(shù)包括使用背散射 X射線［10］、γ射線［11］、切線射線照相［12］及計算機斷層掃描［13］。超聲波檢測則提供了一種快速篩選甄別長輸管線鋼腐蝕和缺陷狀態(tài)的方法［14-16］。該技術(shù)盡管只需要一個很小的接入?yún)^(qū)域，但必須拆除部分保溫層，并確保傳感器陣列和管道之間的良好耦合。同時，該技術(shù)需要一個非常好的校準(zhǔn)程序，并且在確定準(zhǔn)確的壁損量和位置方面受到限制。此外，在非直管段使用該技術(shù)也很復(fù)雜［17］。超聲波檢測的一種變體是使用電磁脈沖而不是聲波脈沖來產(chǎn)生彈性波，該彈性波可以通過第二個環(huán)繞線圈進行分析。這種技術(shù)在檢測時不需要耦合劑，它也能實質(zhì)性地提升檢測精度，但這項技術(shù)僅在實驗室裝置中得到應(yīng)用。其他檢測方法，比如中子背散射［18］和微波輻射，可以直接檢測到保溫層下的水并且定位到腐蝕發(fā)生的位置，其缺點則是必須要通過水的含量間接檢測，而且檢測面積有限。

以下詳細介紹了高效且無損傷的代表性檢測方法及其相關(guān)實例。

2.1 脈沖渦流檢測

脈沖渦流技術(shù)廣泛應(yīng)用于無損測試和識別金屬構(gòu)件中的腐蝕狀態(tài)，比如局部腐蝕和開裂［19］。其原理是通過外部系統(tǒng)提供的交流電在要測試的構(gòu)件內(nèi)部激發(fā)渦流。構(gòu)件的腐蝕缺陷通常會引起電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的變化，進而導(dǎo)致渦流和電流的變化，磁場的相位和振幅也會相應(yīng)發(fā)生變化。相對于其他無損檢測方法，脈沖渦流法有很多優(yōu)點，比如這種方法對局部缺陷有很高的靈敏度，并且不需要檢測探針和管線鋼表面相接觸等。脈沖渦流法的這些優(yōu)點使其特別適用于管線鋼中腐蝕缺陷形成和擴展過程的連續(xù)性監(jiān)測，尤其適用于保溫層下腐蝕的監(jiān)測［20］。

很少有其他保溫層下腐蝕的電磁檢測技術(shù)可用于實際生產(chǎn)，磁飽和渦流技術(shù)［21］基本上是脈沖渦流技術(shù)的唯一替代方法。但是這些技術(shù)都不能提供比脈沖渦流技術(shù)更大改進的檢測效果，而且都有其局限性，例如，無法有效地用于具有保溫層的厚壁部件，在鍍鋅鋼上的檢測能力非常有限，不適用于亞表面探傷等。

2.2 GMR增強脈沖渦流技術(shù)

巨磁電阻（GMR）傳感器具有非常低的頻率噪聲，因此可以最大化信噪比，并且能夠使用低激發(fā)頻率。由于這些固態(tài)薄膜磁傳感器體積小、能耗低，還可以制造出緊湊的傳感器陣列，實現(xiàn)高空間分辨率掃描。GMR傳感器現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于渦流無損檢測，并用于檢測飛機結(jié)構(gòu)中的小裂紋和次表面裂紋，混凝土中的鋼筋或橋梁中的鋼支撐結(jié)構(gòu)。

GMR傳感器也用于檢測管道中的缺陷和腐蝕。利用漏磁激發(fā)和靠近管道表面的傳感器，GMR傳感器陣列已經(jīng)成功應(yīng)用于檢測管道生產(chǎn)過程中的裂紋和缺陷［22］?；谛D(zhuǎn)磁場激發(fā)方案的系統(tǒng)，采用6個GMR傳感器可在直徑70 mm的管道上檢測到體積小至1.5 mm×13.5 mm×5 mm的缺陷。

GMR傳感器作為信號接收器的應(yīng)用提高了脈沖渦流技術(shù)檢測微小缺陷的靈敏度。GMR磁傳感器直接測量磁場變化，增加了探頭探測材料次表層缺陷的靈敏度，因此，GMR傳感器在無損檢測中的應(yīng)用研究一直是業(yè)界關(guān)注的焦點。

2.3 脈沖渦流檢測法案例分析

Lyft System公司的Eddyfi的脈沖渦流技術(shù)用于檢測管線鋼保溫層下腐蝕，能夠快速檢測并收集到可重復(fù)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，在動態(tài)掃描模式下以更快的檢測速度獲取分辨率更高的管線鋼表面形貌，識別出保溫層下通常情況下難以檢測到的腐蝕區(qū)域，比如鞍座處（此類腐蝕的相關(guān)參數(shù)和圖片檢測結(jié)果見圖3）。

圖3 鞍座附近缺陷及脈沖渦流掃描示意

脈沖渦流檢測技術(shù)可以在預(yù)先未知缺陷類型、缺陷深度和位置的情況下成功檢測并定位保溫層內(nèi)部管線鋼上腐蝕缺陷、提供缺陷信息，見圖4和表1。此外，該技術(shù)可以檢測出管線鋼表面的起泡腐蝕狀態(tài)和尺寸大小，而在這之前這種腐蝕的檢測一直是困擾傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)的一個難題，見表2和圖5。

圖4 保溫層下的管線鋼表面狀態(tài)

表1 保溫層下的管線鋼樣品的參數(shù)

表2 保溫層下的管線鋼樣品的參數(shù)

圖5 管線表面起泡及動態(tài)C-scan結(jié)果

2.4 保溫層下腐蝕的概率模型

檢驗工作的最終目標(biāo)是確定是否可以為保溫層下腐蝕檢驗和維護開發(fā)腐蝕概率模型。Melchers等［23-24］建立了海洋環(huán)境（浸沒和大氣）中腐蝕的模型。該模型顯示了不同階段的腐蝕基于不同的驅(qū)動機制（見圖6）。該模型表明，傳統(tǒng)的腐蝕損失模型C（t）＝AtB，不適用于構(gòu)件的壽命預(yù)測。傳統(tǒng)的模型是基于氧氣通過越來越厚的腐蝕層的擴散，并未考慮腐蝕機制隨時間的變化。因此，需要通過實驗室和現(xiàn)場試驗收集腐蝕有關(guān)的信息并加以分析，以建立概率模型來評估保溫層下腐蝕速率和腐蝕深度。絕緣層下腐蝕通常表現(xiàn)為材料的離散、非均勻退化狀態(tài)，因此，使用概率方法研究保溫層下腐蝕建模更為實用。

圖6 腐蝕過程相的變化行為

運行溫度、保溫類型、管道復(fù)雜度、環(huán)境類型和保溫條件是導(dǎo)致保溫層下腐蝕的主要因素［25］。通過關(guān)注保溫層下腐蝕的變化，研究開發(fā)了基于模糊邏輯的預(yù)測模型。模糊邏輯模型包括上述提到的五個關(guān)鍵因素，即運行溫度、絕緣類型、管道復(fù)雜度、環(huán)境類型和保溫條件，將隨機的腐蝕速率作為輸入?yún)?shù)，而最終計算出保溫層下真實腐蝕速率作為輸出結(jié)果。該模型可以對影響保溫層下腐蝕的五大因素進行敏感性分析，以確定各個腐蝕因素對生成腐蝕三維曲面的貢獻百分比。預(yù)測的保溫層下腐蝕速率（見圖7），保溫層下腐蝕產(chǎn)生因素的敏感性和腐蝕三維曲面都有助于監(jiān)檢測作業(yè)以維護管道的安全運行。因此，所建立的模糊邏輯模型將有助于油氣行業(yè)開展基于風(fēng)險的檢測活動。

圖7 模糊邏輯模型預(yù)測結(jié)果

3 展 望

保溫層下腐蝕很難被檢測到是因為腐蝕發(fā)生在保溫層下，去除保溫層將花費極大的時間和精力。因此，業(yè)界認為開發(fā)一種無損、高效且經(jīng)濟的檢測方法十分必要，期望及時定位和處理保溫層下腐蝕，從而避免因腐蝕造成的巨大損失。近年來，GMR傳感器輔助脈沖渦流檢測方法，為高精度、高效率的檢測提供了可靠的手段。Lyft System，包含許多技術(shù)創(chuàng)新，使其能夠以更快的速度獲得可重復(fù)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。然而，這些方法和手段仍處于不同的成熟階段，仍需付出巨大的投入使之成為更可靠實用的技術(shù)。

預(yù)測保溫層下腐蝕是一項艱巨的任務(wù)，主要原因之一在于油氣管道行業(yè)腐蝕數(shù)據(jù)沒有共享?，F(xiàn)有主要的可靠數(shù)據(jù)是API 581提供，該標(biāo)準(zhǔn)提供了在有限工作范圍內(nèi)（-12～176℃）保溫層下腐蝕的腐蝕速率。由于保溫層下腐蝕速率數(shù)據(jù)的缺乏，針對該情況的預(yù)測模型研究有限，因此，可靠的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)共享對于有效預(yù)測和準(zhǔn)確檢測腐蝕速率十分重要。

4 結(jié)束語

在收集到大量數(shù)據(jù)后，可以對收集的數(shù)據(jù)進行分析，建立保溫層下腐蝕的預(yù)測模型。實驗室和現(xiàn)場的實際數(shù)據(jù)有望對概率和統(tǒng)計模型的建立提供基礎(chǔ)，以此評估保溫層下腐蝕的缺陷率和缺陷深度。使用極值概率方法對其進行建模，所建立的模型應(yīng)根據(jù)實驗室和現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行測試和驗證。此外，保溫層下腐蝕速率模型可被納入損傷評估系統(tǒng)和／或用于使用評價，例如評估剩余壽命、確定計劃檢查和維護間隔等。