系統(tǒng)管線保溫層下腐蝕調(diào)查研究

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(沈陽中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司,遼寧 沈陽 110180)

眾所周知，保溫層下腐蝕(簡稱CUI)是困擾煉化企業(yè)最嚴重的腐蝕問題之一[1]，也是威脅煉化企業(yè)安全生產(chǎn)的重要因素之一。保溫材料大多是由礦物質(zhì)經(jīng)過煅燒粘結(jié)加工而成。一方面礦物中含有大量的無機鹽，制成保溫材料后仍含有氯化物、氟化物和硫酸鹽等能引起腐蝕的成分,腐蝕性雜質(zhì)和水形成的電解質(zhì)溶液，具有很強的腐蝕性；另一方面，保溫材料為多孔結(jié)構(gòu)，有較大的表面積和豐富的毛細管，因而具有較強的吸附能力和吸水能力[2]。每年煉化企業(yè)因腐蝕造成的經(jīng)濟損失十分巨大。沿海某企業(yè)系統(tǒng)管線由于運行時間較長，腐蝕問題尤為突出。根據(jù)沈陽中科韋爾與該企業(yè)簽訂的系統(tǒng)管線整治項目，特對該煉化企業(yè)系統(tǒng)管線進行全面的腐蝕排查、分析和統(tǒng)計，探索系統(tǒng)管線的腐蝕規(guī)律，評估腐蝕狀況，消除安全隱患，為延長系統(tǒng)管線的有效運行時間提供科學依據(jù)。

1 腐蝕風險等級判定及處理方法

根據(jù)腐蝕檢測結(jié)果進行風險等級判定[3]，分為良好、一般、嚴重、危險。

良好：保溫層基本完好、防腐蝕層基本完好，接管外表面基本無腐蝕。

處理措施：進行宏觀檢查。檢查剩余壁厚、材質(zhì)、管徑、溫度等項目后拍照留底，當天恢復保溫。因檢測需要局部擦除涂層的，需要刷涂料恢復。

一般：防腐蝕層破損，接管外表面有浮銹。

處理措施：進行宏觀檢查。檢查剩余壁厚、材質(zhì)、管徑及溫度等項目后拍照留底，徹底除銹后按照施工要求刷涂料后立即恢復保溫。

嚴重：接管外表面銹層厚度超過5 mm，剩余壁厚小于3 mm或少于50%壁厚。

處理措施：進行宏觀檢查。檢查管徑和溫度等數(shù)據(jù)后拍照留底，在保障安全的情況下進行測厚及腐蝕坑深檢測，或根據(jù)銹層厚度及疏松度計算腐蝕量。

危險：已經(jīng)泄漏、剩余壁厚小于2 mm或因腐蝕嚴重無法判斷腐蝕情況的。

處理措施：進行宏觀檢查。檢查管徑和溫度等項目后拍照留底，在保障安全的情況下進行測厚及腐蝕坑深檢測，或根據(jù)銹層厚度及疏松度計算腐蝕量。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2.1 CUI總體統(tǒng)計

此次系統(tǒng)管線保溫層下腐蝕排查項目中，共檢測412根管線，檢測點總數(shù)為17 500余個。

2.2 數(shù)據(jù)分析對比

現(xiàn)場檢測點主要包括系統(tǒng)管線的直管、彎頭、三通及短接等部位，各類型檢測點典型現(xiàn)場照片見圖2，具體檢測數(shù)據(jù)量及問題點(問題點指被判定為嚴重和危險的測點)數(shù)量統(tǒng)計情況見表1。

圖2 各類型檢測點典型現(xiàn)場圖片

項 目測點類型直管測點數(shù)/問題點數(shù)彎頭測點數(shù)/問題點數(shù)短接測點數(shù)/問題點數(shù)三通測點數(shù)/問題點數(shù)測點數(shù)/問題點數(shù)儲運部6 078/261 890/356356/2914/28 338/60公用工程部2 021/20554/382/129/02 686/24煉油一部1 055/16345/1359/118/01 467/40煉油二部557/4340/782/417/1996/16煉油三部50/019/06/00/075/0煉油四部62/024/04/10/090/1煉油五部800/0152/024/21/0977/2其他////2 871/0合計10 623/663 324/26613/4869/317 500/143

從表1列出的各運行部檢測不同類型監(jiān)測點的具體數(shù)據(jù)可以看出，該次在各運行部現(xiàn)場檢測的17 500個檢測點中(包括歸屬不明的2 871個測點)：主要測點為直管與彎頭，分別占總檢測數(shù)量的72.60%和22.70%；短接測點數(shù)量較少，占總測點數(shù)量的4.20%；三通測點數(shù)量最少，僅占0.50%，各檢測點比例見圖3。

然而，從表1同時看出，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的143個問題點中，存在問題最多的分別為直管與短接部位;分別占問題點總數(shù)的46.10%和33.60%;其次為彎頭部位，問題點占總數(shù)的18.20%;三通部位相對問題最少，僅占2.10%，具體見圖4。

圖3 各類型檢測點比例

通過對比不同類型檢測部位問題檢出率，結(jié)果見圖5。由圖5可以看出：短接部位問題檢出率相對最高——達到7.80%，分析認為主要原因是由于短接部位一般處于保溫裸露部位，缺少完善的防水措施，相對其余部位更易發(fā)生腐蝕；而直管部位被發(fā)現(xiàn)的問題點數(shù)量最多，但由于相對直管檢測點巨大的數(shù)量，直管部位問題點的檢出率僅為0.62%，說明直管部位問題相對較少；彎頭部位情況與直管部位類似，整體問題檢出率僅為0.78%；三通部位雖然問題檢出率相對較高，但考慮到此次檢查中只涉及69個三通部位并且只發(fā)現(xiàn)3個問題點，數(shù)量相對較少，因此4.30%的問題檢出率只可作為參考。

圖4 各類腐蝕問題點比例

圖5 各類型檢測點檢出率對比

3 腐蝕原因分析

3.1 腐蝕機理

眾所周知，CUI一直是煉油廠難以避免和發(fā)生頻率較高的腐蝕現(xiàn)象，而水分則是發(fā)生CUI最根本的原因[4-5]。由于水和其他腐蝕性介質(zhì)滲入保溫層后，便在保溫層和金屬表面形成電化學腐蝕環(huán)境[6]。電化學腐蝕機理為：

陽極反應：Fe-2e→ Fe2+

陰極與陽極同時發(fā)生反應，反應產(chǎn)物又相聚，致使陽極反應生成的Fe2+與陰極反應生成的OH-生成腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)2。Fe(OH)2穩(wěn)定性不強，在氧氣的作用下繼續(xù)發(fā)生氧化反應，最終得到腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)3和Fe3O4。其反應如下：

腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)3和Fe3O4，不能牢固附著在管道壁上，因此管道一旦發(fā)生了腐蝕現(xiàn)象，腐蝕就會持續(xù)下去。

3.2 腐蝕檢測分析

應用X射線能譜對現(xiàn)場采集的保溫棉以及腐蝕產(chǎn)物樣品進行了元素成分分析，具體結(jié)果見表2和表3。

表2 保溫棉元素成分分析 w,%

保溫棉分析結(jié)果表明，現(xiàn)場所采用的保溫棉主要含有C(10%～20%),O(40%～50%),Al(15%～20%)及Si(15%～20%)等元素。部分保溫棉樣品分別含有微量的Ca,S,Fe,K,Na和Mg等元素，未檢測到腐蝕性的Cl元素，無氯保溫棉的使用相比有氯保溫棉能降低保溫層下腐蝕程度，具有更好的保溫效果。

腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，且含有一定含量的Al,Si及S等元素，這與保溫棉成分分析結(jié)果基本相符。同時，部分腐蝕產(chǎn)物中檢測到少量的Cl元素，而保溫棉中未檢測到Cl元素，分析認為可能是周邊環(huán)境中的Cl隨水或水蒸氣進入保溫層下。

表3 腐蝕產(chǎn)物成分分析 w,%

3.3 腐蝕原因分析

通過對現(xiàn)場問題點腐蝕情況的觀察以及檢測數(shù)據(jù)的對比分析，結(jié)合系統(tǒng)管線運行環(huán)境等因素，分析認為造成系統(tǒng)管線保溫層下腐蝕的原因主要有以下幾點：

(1)環(huán)境因素

該煉化企業(yè)處于中國東南沿海，屬亞熱帶季風氣候，年平均降雨量超過1 700 mm，降雨天數(shù)接近全年一半，空氣平均濕度在30%～80%[7]。而該企業(yè)又位于東北部海岸，靠近海岸線，空氣濕度較高，相對于內(nèi)陸地區(qū)的煉化企業(yè)，更易出現(xiàn)保溫層下腐蝕。

(2)保溫裸露處腐蝕嚴重

現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，腐蝕點數(shù)量最多的直管部位，許多腐蝕問題發(fā)生在管托等管道支撐部位[見圖6(a)]，這些部位由于有管托的存在，導致保溫包裹不密封，易滲入水分并積聚，造成嚴重的保溫層下腐蝕。同時，問題檢出率最高的接管部位存在類似現(xiàn)象，接管部位由于保溫開口，導致水分的進入與積聚，造成嚴重腐蝕[見圖6(b)]。

圖6 保溫裸露處腐蝕狀況

(3)管道材質(zhì)制造缺陷

在加工制造過程中，系統(tǒng)管線會存在許多制造缺陷，譬如焊接造成的異種金屬之間產(chǎn)生焊縫、管道彎頭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的金屬內(nèi)應力等，這些管道材料的組織缺陷能加速金屬管道腐蝕。若能在加工生產(chǎn)過程中對管道材料進行適當?shù)臒崽幚恚饘俨牧系慕M織缺陷，能達到緩解保溫層下的金屬腐蝕的效果。

4 CUI控制建議

4.1 CUI預防與控制

(1)正確選擇保溫材料，合理地設計和安裝高質(zhì)量的保溫材料并進行正確的維護。一方面，保溫材料分為疏水性和親水性，親水性材料會加速CUI速率，而疏水性材料則可以抑制CUI速率，貯存水分最少并且干燥速率最快的保溫材料可以有效地減少CUI帶來的危害[8]。另一方面，保溫棉使用部位要合理、適當，只在有必要的部位才使用保溫，這樣不僅能降低保溫材料成本，還能減少保溫層下腐蝕范圍。

(2)選擇合適的防腐蝕涂料等表面處理措施，如碳鋼表面噴鋁、高性能非金屬涂料、不銹鋼表面鋁箔纏繞等。有機涂層是最早用來防止CUI的涂層，通過與基體間良好的粘結(jié)性能，作為阻擋層來減緩侵蝕性離子向金屬基體的擴散[9]。防腐蝕涂料的選擇，應結(jié)合管線運行溫度、管線材質(zhì)和涂料的特性進行合理的選擇，以達到最佳的防腐效果。

(3)防腐蝕涂料使用壽命有限，常規(guī)涂料一般10年左右即會失效，因此應定期根據(jù)管線的腐蝕情況和涂料情況進行涂料更新；

(4)強化保溫施工過程管理，確保保溫施工質(zhì)量，同時運行過程中加強維護，定期修復破損的保溫層，減少因保溫層破損導致水汽進入的現(xiàn)象。

4.2 CUI檢測與監(jiān)測

(1)建立合理的腐蝕檢測監(jiān)測方案，合理安排不拆保溫與拆除保溫檢測技術(shù)組合；

(2)日常運行過程中，通過紅外熱像技術(shù)或預埋傳感器等技術(shù)檢測保溫層下腐蝕泄漏或水滲透情況；

(3)在不拆除保溫的情況下，可選擇射線成像、脈沖渦流(鋁皮保溫)、超聲導波(局部保溫拆除)等檢測技術(shù)檢查腐蝕減薄情況[10]，但以上技術(shù)均有其局限性，需根據(jù)其技術(shù)特性合理選擇并組合。