系統管線保溫層下腐蝕調查研究

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(沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司,遼寧 沈陽 110180)

眾所周知，保溫層下腐蝕(簡稱CUI)是困擾煉化企業最嚴重的腐蝕問題之一[1]，也是威脅煉化企業安全生產的重要因素之一。保溫材料大多是由礦物質經過煅燒粘結加工而成。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,腐蝕性雜質和水形成的電解質溶液，具有很強的腐蝕性；另一方面，保溫材料為多孔結構，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]。每年煉化企業因腐蝕造成的經濟損失十分巨大。沿海某企業系統管線由于運行時間較長，腐蝕問題尤為突出。根據沈陽中科韋爾與該企業簽訂的系統管線整治項目，特對該煉化企業系統管線進行全面的腐蝕排查、分析和統計，探索系統管線的腐蝕規律，評估腐蝕狀況，消除安全隱患，為延長系統管線的有效運行時間提供科學依據。

1 腐蝕風險等級判定及處理方法

根據腐蝕檢測結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、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、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據后拍照留底，在保障安全的情況下進行測厚及腐蝕坑深檢測，或根據銹層厚度及疏松度計算腐蝕量。

危險：已經泄漏、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，或根據銹層厚度及疏松度計算腐蝕量。

2 數據統計分析

2.1 CUI總體統計

此次系統管線保溫層下腐蝕排查項目中，共檢測412根管線，檢測點總數為17 500余個。

2.2 數據分析對比

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

圖2 各類型檢測點典型現場圖片

項 目測點類型直管測點數/問題點數彎頭測點數/問題點數短接測點數/問題點數三通測點數/問題點數測點數/問題點數儲運部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測點的具體數據可以看出，該次在各運行部現場檢測的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，分別占總檢測數量的72.60%和22.70%；短接測點數量較少，占總測點數量的4.20%；三通測點數量最少，僅占0.50%，各檢測點比例見圖3。

然而，從表1同時看出，現場發現的143個問題點中，存在問題最多的分別為直管與短接部位;分別占問題點總數的46.10%和33.60%;其次為彎頭部位，問題點占總數的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生腐蝕；而直管部位被發現的問題點數量最多，但由于相對直管檢測點巨大的數量，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現3個問題點，數量相對較少，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生頻率較高的腐蝕現象，而水分則是發生CUI最根本的原因[4-5]。由于水和其他腐蝕性介質滲入保溫層后，便在保溫層和金屬表面形成電化學腐蝕環境[6]。電化學腐蝕機理為：

陽極反應：Fe-2e→ Fe2+

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

腐蝕產物Fe(OH)3和Fe3O4，不能牢固附著在管道壁上，因此管道一旦發生了腐蝕現象，腐蝕就會持續下去。

3.2 腐蝕檢測分析

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

表2 保溫棉元素成分分析 w,%

保溫棉分析結果表明，現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。

腐蝕產物分析結果表明，腐蝕產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果基本相符。同時，部分腐蝕產物中檢測到少量的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境中的Cl隨水或水蒸氣進入保溫層下。

表3 腐蝕產物成分分析 w,%

3.3 腐蝕原因分析

通過對現場問題點腐蝕情況的觀察以及檢測數據的對比分析，結合系統管線運行環境等因素，分析認為造成系統管線保溫層下腐蝕的原因主要有以下幾點：

(1)環境因素

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

(2)保溫裸露處腐蝕嚴重

現場檢測發現，腐蝕點數量最多的直管部位，許多腐蝕問題發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)管道材質制造缺陷

在加工制造過程中，系統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生焊縫、管道彎頭生產過程中產生的金屬內應力等，這些管道材料的組織缺陷能加速金屬管道腐蝕。若能在加工生產過程中對管道材料進行適當的熱處理，消除金屬材料的組織缺陷，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，應結合管線運行溫度、管線材質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，常規涂料一般10年左右即會失效，因此應定期根據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象。

4.2 CUI檢測與監測

(1)建立合理的腐蝕檢測監測方案，合理安排不拆保溫與拆除保溫檢測技術組合；

(2)日常運行過程中，通過紅外熱像技術或預埋傳感器等技術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)等檢測技術檢查腐蝕減薄情況[10]，但以上技術均有其局限性，需根據其技術特性合理選擇并組合。