氫通量檢測數(shù)據(jù)與腐蝕速率對應(yīng)關(guān)系研究

馬永明

(中國石化齊魯分公司檢驗計量中心，山東 淄博 255434)

1 概述

在石油化工企業(yè)，設(shè)備管線等鋼鐵材質(zhì)的腐蝕會生成氫原子，作為腐蝕產(chǎn)物，氫原子在腐蝕表面(設(shè)備或管線的陰內(nèi)表面)形成，其通用反應(yīng)方程式為：

Fe + 2H+= Fe2++ 2H

氫原子具有極強的活性，能夠滲透通過設(shè)備或管線在外表面相互結(jié)合成為氫分子形成氣泡并釋放，而設(shè)備管線外表面的氫分子與設(shè)備或管線的陰內(nèi)表面的氫原子成正比，即外壁的氫分子與內(nèi)壁的腐蝕速率成正比。

氫通量腐蝕檢測是一種新型腐蝕監(jiān)測技術(shù)，它通過測定設(shè)備管道中因環(huán)烷酸腐蝕產(chǎn)生的氫氣來反映設(shè)備的腐蝕程度，從而實現(xiàn)高溫部位腐蝕的快速、準(zhǔn)確及無損檢測，相比于目前多采用高溫測厚、探針檢測、餾分油分析三種檢測方法，氫通量腐蝕檢測特點在于檢測速度快，對檢測部位的腐蝕趨勢性變化能夠即時判斷，但對檢測部位腐蝕程度的定量化描述不夠準(zhǔn)確，且單次檢測數(shù)據(jù)偶然誤差較大，需要在同一部位進行較高頻次的檢測，通過大量檢測數(shù)據(jù)繪制成曲線來判斷腐蝕趨勢，并結(jié)合其它幾種檢測手段才能對檢測部位的腐蝕情況進行較為全面、準(zhǔn)確的判斷。

從現(xiàn)場氫通量檢測來看，現(xiàn)場影響因素較多，氫通量檢測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場腐蝕速率難以精確地找到一個定量化的換算參數(shù)，但從氫通量檢測機理出發(fā)，并利用最簡化的理想數(shù)學(xué)模型，可以嘗試估算出一個理想化的換算參數(shù)。

2 理論基礎(chǔ)及計算

圖1 氫通量檢測原理

圖2 氫通量檢測值與管道內(nèi)壁的氫原子的量成正比關(guān)系

目前國際上普遍采用的氫通量腐蝕檢測技術(shù)為英國ION SCIENCE 公司開發(fā)的光電離(photoionisation)微元素測量技術(shù) - Hydrosteel 氫滲透腐蝕測量技術(shù)。光電離氣體測量技術(shù)是典型的分析化學(xué)技術(shù)，是由氣體收集導(dǎo)管、光電離室、傳感器和綜合分析裝置組成。被測量氣體通過氣體收集導(dǎo)管進入光電離室，其中的紫外線發(fā)射器會發(fā)出高強度紫外線，使氣體電離并具有導(dǎo)電性。此后傳感器可以把導(dǎo)電氣流中的電流強弱變化以數(shù)字信號的形式輸入綜合分析器，將電流大小及變化規(guī)律等信息輸出，從而分析氣體電離前的成分及濃度，檢測原理示意圖見圖1。

整個分析過程可以在幾到十幾秒內(nèi)完成，Hydrosteel通過測量由壁內(nèi)的氫原子(腐蝕產(chǎn)物)滲透到壁外的量，評估壁內(nèi)的腐蝕速度，氫通量檢測值與管道內(nèi)壁的氫原子的量成正比(見圖2)。

氫通量檢測單位為pl/cm2/s，其中：

1pl=10-15m3=10-12l；

氫氣密度0.0899 g/L；

氫氣摩爾質(zhì)量2 g/mol；

鐵密度7.85 g/cm3；

鐵摩爾質(zhì)量56 g/mol。

假設(shè)現(xiàn)場設(shè)備管線腐蝕產(chǎn)生的氫氣全部被氫通量檢測儀所采集，即：

反應(yīng)所產(chǎn)生的1pl氫氣相當(dāng)于8.99×10-14g氫氣；

8.99×10-14g氫氣相當(dāng)于8.99×10-14mol氫原子；

產(chǎn)生8.99×10-14mol氫原子需要吸收8.99×10-14mol電子；

放出8.99×10-14mol電子需要4.5×10-14mol鐵原子變成2價鐵離子；

4.5×10-14mol鐵原子相當(dāng)于0.25×10-11g鐵的質(zhì)量；

0.25×10-11g鐵的質(zhì)量相當(dāng)于0.32×10-12cm3鐵的體積；

現(xiàn)場腐蝕介質(zhì)將0.32×10-12cm3體積的鐵氧化成2價鐵離子可產(chǎn)生并釋放出1pl的氫氣；

氫通量檢測值1pl/cm2/s相當(dāng)于鐵的腐蝕速率為0.32×10-12cm/s即0.32×10-11mm/s=1.01×10-4mm/a；

通過多次現(xiàn)場氫通量檢測，我們發(fā)現(xiàn)氫通量檢測值50 pl/cm2/s是一個臨界值，相當(dāng)于鐵的腐蝕速率為5×10-3mm/a=0.005mm/a；

簡單數(shù)學(xué)模型來看氫原子逸散為6個方向，理論上只能檢測1/6氫原子量，即：

現(xiàn)場氫通量檢測數(shù)據(jù)為50 pl/cm2/s時相當(dāng)于設(shè)備管線腐蝕速率為0.03mm/a。

上述計算值為所有腐蝕反應(yīng)生成的氫氣全部被氫通量檢測儀采集到的理想狀態(tài)下估算值，眾所周知，石油化工企業(yè)現(xiàn)場情況復(fù)雜，影響因素繁多，現(xiàn)場腐蝕介質(zhì)對設(shè)備管線金屬基體腐蝕反應(yīng)所生成的氫氣不可能100%被收集，但一定是成正比的關(guān)系，現(xiàn)場氫通量檢測數(shù)據(jù)為50 pl/cm2/s相當(dāng)于設(shè)備管線腐蝕速率0.03k mm/a(k≥1，與檢測現(xiàn)場環(huán)境溫度、壓力、風(fēng)速；介質(zhì)溫度、壓力、流速；檢測位置、檢測時間長短等多個因素有關(guān))。

3 結(jié)論

(1)在現(xiàn)場腐蝕介質(zhì)對設(shè)備管線金屬基體腐蝕反應(yīng)所生成的氫氣100%被氫通量檢測儀采集到的理想狀態(tài)下，現(xiàn)場氫通量檢測數(shù)據(jù)為50 pl/cm2/s時相當(dāng)于設(shè)備管線腐蝕速率為0.03 mm/a。

(2)氫通量在現(xiàn)場進行腐蝕檢測作業(yè)時，由于作業(yè)現(xiàn)場情況復(fù)雜，影響因素繁多，現(xiàn)場腐蝕介質(zhì)對設(shè)備管線金屬基體腐蝕反應(yīng)所生成的氫氣不可能100%被收集，但一定是成正比的關(guān)系，現(xiàn)場氫通量檢測數(shù)據(jù)為50 pl/cm2/s相當(dāng)于設(shè)備管線腐蝕速率0.03 kmm/a，k為作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)，與作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境溫度、壓力、風(fēng)速、介質(zhì)溫度、壓力、流速、檢測位置、檢測時間長短等多個因素有關(guān)，但無論作業(yè)現(xiàn)場如何控制，必定k≥1。