保溫層下腐蝕檢測與防護

王 海 韓 斌 劉少辰 朱萬東

（中海油常州涂料化工研究院有限公司上海海鎧防腐工程技術分公司，天津 300452）

0 引言

保溫層下腐蝕（Corrosion Under Insulation, CUI）指的是在敷設了隔熱材料等覆蓋層的設備外表面上發生的一種腐蝕現象。由于保溫層的存在，使得CUI具有較強的隱蔽性，一般很難發現，所以，CUI被形象地的稱作躲在“被子”下面的腐蝕。常規檢測方法無法在不拆除隔熱系統的情況下對設備進行全面準確的檢測，導致保溫層下腐蝕給整個裝置的穩定運行與安全生產帶來巨大隱患。因此，如何對這種類型的腐蝕進行全面有效地檢測與防護需要引起研究人員的高度重視[1]。

1 CUI的概述

1.1 CUI的原因

保溫層下腐蝕是由于設備需要保溫、節能或工藝穩定而采取隔熱措施所引起的腐蝕。在石油和天然氣生產中，為減輕溫度波動對工藝設備的影響，經常需要在鋼管、儲罐等設備上安裝隔熱材料。然而，由于設計不當，安裝不正確，維護損壞以及接縫、間隙的出現使得來自降雨、蒸汽、沖洗、冷凝等途徑的水和污染物很容易侵入。一旦潮濕，水分會由于隔熱材料多孔結構的滯留作用無法及時揮發，因此保溫層下會長時間保持濕潤，從而形成非常強的腐蝕環境[2]。

1.2 CUI的腐蝕機理

CUI的本質是一種由氧化反應和還原反應組成的電化學反應。金屬原子在陽極發生氧化反應，失去電子，進入離子狀態。然后電子被轉移到一種化學物質中，成為還原反應的一部分。鐵的兩種常見氧化反應是：

當鋼表面與含有溶解氧的水接觸并存在自由電子時，會在陰極發生還原反應：

OH-與Fe2+和Fe3+反應分別形成Fe（OH）2和Fe（OH）3，最終形成H2O和Fe2O3的沉淀。總化學反 應為：

1.3 CUI的危害

保溫層下腐蝕（CUI）是當今石油化工行業面臨的最昂貴的問題之一，占到所有管道維護成本的80%。每年全球由于CUI引發的重大設備停機等問題比其他所有原因都多。在荷蘭圣約翰舉辦的腐蝕研討會上，CUI已被行業專家認定為頭號腐蝕問題[3]。而在我國，CUI的影響同樣嚴重，已經給國民經濟造成巨大損失，甚至引發災難性事故。

2 CUI的無損檢測

CUI的真正問題在于，唯一能夠準確確定管道和設備是否發生腐蝕的方法是完全拆除隔熱系統，然而這是也最昂貴的檢測方法。目前，傳統的檢測方法是拆除管道表面覆蓋物、目測檢查、恢復表面覆蓋物原貌。該方法是一個非常耗時且勞動密集型的過程，而且如果表面覆蓋物質中含有石棉并且需要安全移除，情況可能還會變得更加復雜。因此，開發一些無需拆除隔熱系統實現CUI檢測的技術就顯得尤為重要[4]。這些檢測技術可以與傳統方法相結合，為管道網絡提供經濟、全面的CUI 檢測。

2.1 中子反向散射技術

中子反向散射技術通過大面積掃描管道，可以在短時間內得到檢測結果。這種方法使用放射源將高能中子發射到待檢測位置，高能中子穿過保溫層并與氫等輕元素碰撞，轉化為低能中子。用于檢測低能中子的靈敏探測器通過測量低能中子的數目來確定“濕潤保溫層”的位置。該數目與保溫層中的水量成正比，因此可以快速準確地識別可能發生 CUI 的區域。這種技術非常便攜，在某些情況下，不需要腳手架。但是，該方法需要具有涉及健康和安全問題的輻射源，而且它不會直接檢測 CUI。

2.2 紅外熱成像

IR熱成像技術可以有效地用于識別管道保溫層中的進水部位，并且比傳統的水分密度計更有效、更快捷。另一個優勢是可以使用這種技術從遠處掃描管道，無需昂貴且耗時的腳手架結構。由于導熱系數的不同，濕潤保溫層與干燥保溫層溫差明顯，因此檢測員可以通過紅外圖像直觀地發現進水部位。通過使用較小的溫度跨度，可以提高該技術的靈敏度。

2.3 遠距離超聲波檢測

遠距離超聲波檢測（LRUT）通過使用導波掃描管道，對于原本無法檢測的管道特別有用[5]。超聲波由探頭發出，傳送到管壁，一旦沿著管道傳播，超聲波就會被不連續處反射，例如環焊縫、管道回路中的分支以及壁厚減少處。這些壁厚的減少與腐蝕區域有關，一旦檢測到它們就可以通過計算機軟件進行分析。這種方法通常可以掃描長達120m的直線管道，被認為是在難以或無法進入的位置對保溫管道進行檢測的最可靠技術之一，尤其是在人跡罕至的涵洞、埋地管道和道路交叉口下經過的管道。

2.4 計算機射線照相

這種技術使用的設備與傳統射線照相相似，不同之處在于利用成像板代替膠片來創建圖像。為充分檢測保溫層下的CUI，該方法需要對目標區域進行有效隔離，以消除管道支架等的干擾。檢測產生的圖像和獲得的數據以數字方式存儲，因此可以快速訪問數據從而提高檢測效率。

2.5 脈沖渦流

以渦流為原理的脈沖渦流（PEC）已逐漸成為一種普遍使用的檢測方法。這種方法是一種用于測定平均壁厚非接觸式電磁法。測試系統通過探測線圈產生磁場，磁化目標基板，這會在管壁中產生渦流，從而向內擴散。如果檢測到異常，渦流脈沖就會停止，從而導致施加的磁場突然下降。管壁越厚，渦流的反彈時間就會越長，從而可以計算出管壁厚度減少的百分比。這種技術不受隔熱材料的限制，可以在工作溫度超過450°C的情況下就地使用。敏感性較差是該技術的不足。

保溫層下腐蝕的各種檢測方法適用范圍不同，使用時需結合實際情況和工況進行選擇。表1對不同的檢測方法的優勢和局限性進行了對比，具體 如下。

表1 不同CUI檢測方法的對比

3 CUI的防護措施

保溫層下腐蝕一直以來都是石油化工行業難以避免和高頻率發生的事件，由于其不易發現，往往會造成無法挽回的經濟損失和重大的安全事故。CUI防護應多管齊下，從隔熱材料、護套、涂層等多方面進行優化，開發新型保溫結構，嚴把施工質量，緩解腐蝕現象。

3.1 隔熱材料

圖1是保溫管的橫截面圖。其中，隔熱材料不僅影響保溫能力，而且還影響腐蝕速率。如今使用的隔熱材料重要有硅酸鈣、人造礦物纖維、多孔玻璃、有機泡沫和陶瓷纖維等。如果長期處于濕潤環境中，某些隔熱材料中（如酚醛泡沫和聚氨酯泡沫）含有的鹵化物（如氯化物和溴化物離子）會溶解。這將導致保溫層下滯留水分的 pH 值降低，從而加速鋼的腐蝕速率。不同隔熱材料的芯吸特性也存在很大差異。例如，硅酸鈣是一種經常使用的隔熱材料，它可以吸收高達自身重量400%的水分，而蜂窩玻璃（泡沫玻璃）在隔熱單元結構完好無損時是一種不吸水的隔熱材料。此外，濕潤硅酸鈣的pH值為9～10，這將產生對醇酸樹脂和無機鋅（IOZ）等涂料不利的腐蝕環境。

圖1 保溫管的橫截面

3.2 隔熱護套

在所有傳統的隔熱系統中，抵御環境的第一道防線就是保護套。保護套不僅可以作為防水系統防止水分侵入，還可以保護隔熱系統免受機械損壞、化學侵蝕和火災損壞。保護套一般可以分為金屬和非金屬兩個基本類別。金屬護套主要由304SS、鋁或鍍鋅鋼的薄板制成，內表面涂有緩解護套腐蝕的防潮涂層。金屬護套的優點是使用壽命長且易于安裝。然而，由于它們難以密封并且在維護、維修過程中容易損壞，所以CUI發生的幾率較高。相比之下，由熱塑性材料或纖維增強塑料等材料制成非金屬護套，不僅可以提供比金屬護套更強防水密封，而且還可以有效避免維護、維修過程中出現的人為損壞。

3.3 涂層

保溫層下的保護涂層可有效阻止侵入隔熱系統的水分與鋼接觸，從而減輕腐蝕[6]。然而，所有類型涂層的使用壽命都是有限的，并且使用條件也存在一些限制。兩組分的酚醛環氧樹脂和酚醛環氧樹脂是緩解CUI的最常用涂料系統。然而，工藝溫度的提高，對涂層性能提出了更為嚴格的要求，因此需要開發新的用于高溫涂層的化學物質。由于保溫層下含有水分，CUI被視為浸沒環境。由美國腐蝕工程師協會（NACE）提供的行業指南指出，浸沒級保護涂層是CUI 的最佳防護措施。

3.4 氣相緩蝕劑

氣相緩蝕劑（VCIs）是與涂層完全不同的防護方式。VCIs是一種揮發性化合物，可在金屬界面形成穩定的化學鍵，防止腐蝕性物質滲透到金屬表面。通過重力進料系統或便攜式注射泵注入隔熱護套后，它們會形成6微米左右的干燥、疏水薄膜。這些緩蝕劑易于應用，可用于保護在各種腐蝕性環境中使用的多種金屬及合金。

4 結語

保溫層的使用對石油化工行業的環境保護和節能降耗具有重要價值，但也發生了無法避免的腐蝕現象。通過對保溫層下腐蝕的多年研究分析與實踐，技術人員已經總結出一套較為成熟的檢測與防護方法。檢測技術的選擇需針對具體的應用環境，綜合考慮安全性、便攜性以及檢測的質量，靈活選用。對于CUI的防護，需要更加仔細的判斷和分析以選擇最合適的防護或防護組合。毫無疑問，目前的檢測技術與防腐措施已經在保溫層下腐蝕方面發揮了巨大的作用，降低了腐蝕速率，減少了生產事故的發生。