保溫層下管道腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)及應用研究

熊 亮，孫玉江

(1.中國地質大學(武漢) 工程學院，湖北 武漢 430074； 2.中海油安全技術服務有限公司，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，已廣泛應用于石油化工和建筑等多個行業(yè)[1]。但基于保溫層的多孔吸水結構，很容易與雨水等腐蝕性液體、氣體發(fā)生化學反應，導致保溫層下腐蝕(CUI)[2-4]。CUI是石油石化等行業(yè)中常見的最嚴重問題之一[3]。通常，檢測保溫層下管道需要去除外部保溫層，檢測完成后重新加裝保溫層。由于此過程需要企業(yè)停產，不僅增加了企業(yè)的經濟成本而且降低了生產效率，更可能因拆裝保溫層導致二次腐蝕[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驗裝置[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，對保溫層下20號鋼腐蝕起主要作用的因素為溫度，而且干濕交替環(huán)境相對于冷熱交替和恒溫環(huán)境的鋼材腐蝕更為嚴重；在CUI預防研究方面，國內外主要集中在對保溫材料的設計、選型、研制以及帶保溫層管道的缺陷分析與檢測等領域[9-12]。目前，針對管道腐蝕的監(jiān)測方法主要有電化學測量、電阻探頭、電感探頭和超聲波監(jiān)測等。電化學測量主要基于線性極化法或弱極化法，數(shù)據(jù)采集時間短，但受電化學介質環(huán)境和測量誤差的限制，無法實現(xiàn)高精度的腐蝕監(jiān)測[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系得出腐蝕速率，缺點是對腐蝕不太敏感，且局部腐蝕的應用誤差很大[15-16]；電感式探頭具有快速響應、數(shù)據(jù)準確等特點，應用范圍廣，但此監(jiān)測方法壽命短，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)測的原理是利用超聲波測厚方法，按照固定周期檢測管道壁厚，通過壁厚差來計算管道的腐蝕速率，該監(jiān)測方法僅適用于監(jiān)測壁厚相對較大的管道，且監(jiān)測效果很容易受管道內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)字掃描檢測技術)是1種基于TRT射線檢測方法的新型射線照相技術，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射線檢測方法放射性活度可能會高達1×1011Bq，安全距離大于20 m，不利于現(xiàn)場的安全應用。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，大大提高了檢測的便利性。目前，GSDT已用于管道的檢測，其測量精度達到0.2 mm。本文將利用GSDT分析和測試自主研發(fā)的保溫層下腐蝕管道無線監(jiān)測設備的測量精度，并結合現(xiàn)場保溫層下腐蝕在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，計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為射線透過檢測物后的強度，Bq；I0為射線透過檢測物前的強度，Bq；μm為吸收物質對γ射線的質量吸收系數(shù)；ρ為物質(指吸收物質)的密度，kg/m3；t為透過物質的厚度，m。

從式(1)可知，射線的剩余強度主要與穿透物體的厚度和密度有關。當經過2種不同物質(如保溫層與金屬管道本體)的邊界時，射線強度會發(fā)生突變。因此可以根據(jù)射線的衰減情況確認射線所經過的保溫層、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為被測保溫管道的切向厚度，m；t0為被測保溫管道的法向厚度，m；D0為被測保溫管道邊界層處的曲率半徑,m。從式(2)可以看出，當D0>1.25t0時，切線方向的厚度T將大于法線方向的厚度t0，此時，切向方向的射線劑量衰減將大于法線方向，射線劑量的信號突變也更加明顯，更容易識別。因此，理論上切向照射的邊界層識別敏感性和精度將高于法線方向。

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

s=pN

(3)

式中：s為邊界間的距離，m；p為步進電機步距，m；N為2個突變信號之間步進電機所移動的步數(shù)。

結合式(1)～(3)，與TRT射線照相方法相比，GSDT只需要相對較少的放射強度就能滿足管道檢測的需要，故使得射線檢測技術的現(xiàn)場應用安全性大大提高。

2 GSDT監(jiān)測系統(tǒng)精度測試

2.1 GSDT在線監(jiān)測裝置

根據(jù)現(xiàn)場檢測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)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由驅動軸、γ射線源驅動機構、無線控制機構、監(jiān)控驅動機構、計算機等組成，系統(tǒng)的核心結構如圖2所示。

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

驅動機構由同步步進電機、滾珠絲杠、蝸桿和齒輪組成，2個驅動機構分別控制著射線源機和探測器同步移動，驅動機構之間距離可隨管徑大小調整。檢測時，計算機通過控制機構同時向γ射線源驅動機構和探測器驅動機構發(fā)出移動指令。然后，在驅動機構的驅動下，γ射線源和探測器在驅動軸方向沿管道的切線方向同步向上或向下移動掃描帶保溫層管道。γ射線源發(fā)出的射線經過管道后，被探測器吸收轉化為粒子數(shù)記錄在計算機中。

2.2 GSDT監(jiān)測系統(tǒng)精度測試

為驗證自主研發(fā)的保溫層下管道腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)能否監(jiān)測保溫層下管道的壁厚及精度，將對保溫層管道進行測試。因為射線在穿過物質時，會發(fā)生折射、吸收、散射等現(xiàn)象，因此，系統(tǒng)的檢測精度會受到保溫層影響，且影響程度會隨著管道直徑的增加、保溫層厚度的增加而變大。為了驗證保溫層的影響，測試了一段直徑50 mm、壁厚6 mm的管道外包覆有20 mm厚度的保溫層，電機的步進距離為0.20 mm。檢測曲線如圖3所示。檢測得到的管壁厚度為6.24 mm，測量誤差為0.24 mm，更多不同帶包覆層管道的測量結果見表1。

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

根據(jù)表1的測量結果，可以發(fā)現(xiàn)對于保溫層管道，其測量總誤差的平均值約為0.20 mm，計算得到測量誤差的方差為0.09 mm。結果表明，保溫層下管道腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)可以應用于保溫管道的腐蝕監(jiān)測。

表1 不同直徑保溫層管道測量結果Table 1 Measurement results of pipeline with insulation layer under different diameters

介質密度會影響射線隨機漲落幅值，從而影響測量精度，本文以水作為實驗對象，對部分含水管道進行了測試，其實驗結果見表2。

表2 不同直徑含水管道檢測結果Table 2 Measurement results of pipeline containing water under different diameters

從表2可以看出，當管道內有水時，其測量總誤差的平均值約為0.18 mm，測量誤差的方差為0.07 mm，測量總誤差接近本次實驗中步進電機的設置精度0.20 mm(誤差為0.02 mm)。從數(shù)據(jù)來看，水介質可能影響了測量結果。

利用數(shù)據(jù)分析方法判斷保溫層和內部高密度介質是否對壁厚測量精度產生影響。根據(jù)數(shù)據(jù)量有限，且單次測量誤差基本接近高斯分布的特點，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為計算t-值；avgi為第i組測試數(shù)據(jù)的誤差平均值，mm;avgj為第j組測試數(shù)據(jù)的誤差平均值,mm；σi為第i組測試數(shù)據(jù)的誤差方差,mm;σj為第j組測試數(shù)據(jù)的誤差方差,mm;u為第i組測試數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總量;v為第j組測試數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總量;t(α,u+v-2)為置信度等級α條件下的t-值臨界值;α為置信度等級，為迎合95%的置信度水平，其取值為5%。

ts和t(α,u+v-2)的計算結果見表3。

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

表3 各影響因素對于測量精度的影響結果分析Table 3 Analysis on influence of each influencing factor on measurement precision

3 現(xiàn)場保溫管道腐蝕監(jiān)測試驗

選取某化工企業(yè)一段保溫管道作為腐蝕監(jiān)測試驗對象，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)測系統(tǒng)固定在管道上一點，系統(tǒng)將按設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Fig.4 Corrosion monitoring on pipeline with insulation layer

試驗過程中，采集管壁厚度的采樣頻率設定為每周1次，監(jiān)測總時間為1 a。每次采樣將連續(xù)測量5次，5次的平均值代表1個周期的監(jiān)測數(shù)據(jù)。將這1年的腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)分為月腐蝕率和季度腐蝕率。腐蝕速率計算如式(6)：

(6)

式中：Δd為2個監(jiān)測周期的管道壁厚差值，mm；Δt為2個周期的時間間距。

保溫管道腐蝕的監(jiān)測記錄始于2018年3月，并于次年2月結束。共收集了72組壁厚數(shù)據(jù)。每個月的管道剩余壁厚如圖5所示。按照腐蝕速率公式(6)計算，得到每個月和每個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月的腐蝕嚴重。據(jù)調查，監(jiān)測段保溫層有破損，受此2月的潮濕氣候和雨水的影響，導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較高，均為0.02 mm/季度。綜合來看，所監(jiān)測保溫管道的年平均腐蝕速率為0.04 mm/a。考慮到現(xiàn)場多年的實際腐蝕速率為0.03～0.05 mm/a，監(jiān)測結果與實際數(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)測設備與現(xiàn)場實際腐蝕速率一致。

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 結論

1)實驗結果表明，該保溫層下腐蝕管道無線監(jiān)測系統(tǒng)測量誤差的平均值約為0.20 mm，方差為0.09 mm，該誤差范圍足以實現(xiàn)保溫管道在線腐蝕監(jiān)測。

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

3)通過對現(xiàn)場保溫管道的腐蝕情況監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)管道的月腐蝕速率均相對較小，其中多個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)測系統(tǒng)性能可靠。