劉點(diǎn)玉，楊曉巖，常 青，李 磊，劉 權(quán)，陳少松

（1.中石油北京天然氣管道有限公司，北京100020；2.北京安科管道工程科技有限公司，北京100803）

油氣輸送站場(chǎng)工藝管道的保溫層對(duì)相關(guān)工藝過程控制、節(jié)能以及保護(hù)人員安全至關(guān)重要，但保溫層下的管道也會(huì)發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用的增加［1］。水侵入到保溫層下是導(dǎo)致其下管道發(fā)生腐蝕的一個(gè)關(guān)鍵因素，因此，為了防止或者減少相關(guān)腐蝕的發(fā)生，有必要采取措施防止水直接或者間接侵入到保溫層下。另外，與管道保溫層直接接觸的外部潮濕環(huán)境或者保溫層內(nèi)部潮濕也可以導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生。

保溫層下腐蝕會(huì)直接破壞內(nèi)部管道，進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)管道硬件設(shè)施的破壞，甚至對(duì)生產(chǎn)設(shè)施的完整性、生產(chǎn)工藝流程、作業(yè)人員生命及財(cái)產(chǎn)安全帶來災(zāi)難性的后果。為了解決保溫層下腐蝕問題，石油化工行業(yè)已經(jīng)做了大量工作。2003年?？松梨谠跉W洲腐蝕聯(lián)合會(huì)報(bào)道的相關(guān)研究表明，在所有導(dǎo)致泄漏事故發(fā)生的原因中，保溫層下腐蝕導(dǎo)致的泄漏最為常見；40%～60%的管道維護(hù)花費(fèi)都直接或者間接與保溫層下腐蝕破壞有關(guān)，并且這種腐蝕在相關(guān)海上作業(yè)設(shè)施中的破壞更加嚴(yán)重［2］。事實(shí)上，保溫層下腐蝕在2012年加拿大圣約翰召開的腐蝕會(huì)議上就被業(yè)界專家認(rèn)為是管道腐蝕的首要問題［3］。因此，對(duì)保溫層下腐蝕進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)、防護(hù)并進(jìn)行全壽命周期的完整性管理是確保管道設(shè)施服役延長(zhǎng)的重要措施。

1 保溫層下腐蝕的機(jī)理

保溫層下腐蝕的發(fā)生涉及三個(gè)主要要素：氧氣、高溫和溶液或者潮濕環(huán)境中參與反應(yīng)的溶解物的濃度。當(dāng)表面覆蓋了保溫層后，水分滯留在保溫層和結(jié)構(gòu)物表面之間，使整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)封閉的系統(tǒng)。如果在保溫層的腐蝕介質(zhì)（水、潮濕空氣）中有氯化物和硫酸鹽，腐蝕會(huì)進(jìn)一步加快。

保溫層下腐蝕的具體表現(xiàn)形式包括：均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕開裂以及微生物腐蝕。文獻(xiàn)［4］對(duì)這些腐蝕機(jī)理進(jìn)行了論述。

1.1 點(diǎn) 蝕

點(diǎn)蝕是最常見的局部腐蝕，局限于一個(gè)較小的區(qū)域，而不是均勻地分布在材料表面。一些金屬暴露在腐蝕性環(huán)境中，會(huì)由于鹽顆?；蛘咂渌廴疚锏拇嬖诙l(fā)生點(diǎn)蝕。其他導(dǎo)致點(diǎn)蝕的因素包括：夾雜物、保護(hù)性涂層的破損（包括自然破損和外力所導(dǎo)致）以及表面破損。點(diǎn)蝕是在涂層破損部位由電化學(xué)腐蝕引起的。由保溫層下腐蝕引起點(diǎn)蝕的宏觀形貌見圖1。

1.2 應(yīng)力腐蝕開裂

應(yīng)力腐蝕開裂是一種工業(yè)界常見的問題，其發(fā)生所需的三種因素包括材料本身的電化學(xué)性質(zhì)，殘余或施加的拉伸應(yīng)力以及腐蝕環(huán)境。目前有很多理論試圖解釋應(yīng)力腐蝕開裂中裂紋擴(kuò)展的原因，其中兩種理論討論了裂紋擴(kuò)展的控制因素：基體應(yīng)力集中（斷裂力學(xué)）和電化學(xué)腐蝕。根據(jù)有關(guān)工藝管道保溫層下應(yīng)力腐蝕開裂情況，管道表面氯化物的集聚有助于形成應(yīng)力腐蝕開裂的敏感環(huán)境。保溫層下腐蝕引起的典型應(yīng)力腐蝕開裂情況見圖2。圖2顯示了從管道外表面向內(nèi)延伸擴(kuò)展的穿晶裂紋［5］。

圖1 保溫層下管線鋼上發(fā)生的點(diǎn)蝕

圖2 保溫層下晶間應(yīng)力腐蝕開裂

2 保溫層下腐蝕的檢測(cè)

保溫層的隔離限制了對(duì)其包裹的管線鋼腐蝕的直接檢測(cè)，移除保溫層再檢測(cè)的操作也比較復(fù)雜，對(duì)于未能及時(shí)檢測(cè)到的保溫層下管線鋼的腐蝕，其破壞作用會(huì)一直持續(xù)到材料失效。相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)技術(shù)和推薦做法在一些工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)中有詳細(xì)介紹，ASTM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)介紹了如何使用非破壞性方法檢查點(diǎn)蝕［6］，NACE標(biāo)準(zhǔn)則系統(tǒng)描述了保溫層下腐蝕的檢測(cè)和相關(guān)的材料維護(hù)方法［7］。

最簡(jiǎn)單且應(yīng)用最廣泛的檢測(cè)方法是通過肉眼直接觀察管線鋼的表面狀態(tài)。但這種方法要求檢查前后分別需要移除和再安裝保溫層和防風(fēng)雨罩，甚至需要暫時(shí)停產(chǎn)。因此盡管不依賴任何工具但成本并不低。所以，開發(fā)不需要移除保溫層就可以直接檢測(cè)保溫層下管線鋼腐蝕狀態(tài)的方法顯得尤為必要。一種主要的無損檢測(cè)保溫層下腐蝕的方法是脈沖渦流法，但是脈沖渦流對(duì)檢測(cè)金屬夾層的靈敏度有限［8］。其中，Lyft System最近開發(fā)了一種新的基于脈沖渦流技術(shù)的檢測(cè)工具，能夠快速地檢測(cè)并收集到可重復(fù)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)［9］。其他檢測(cè)技術(shù)包括使用背散射 X射線［10］、γ射線［11］、切線射線照相［12］及計(jì)算機(jī)斷層掃描［13］。超聲波檢測(cè)則提供了一種快速篩選甄別長(zhǎng)輸管線鋼腐蝕和缺陷狀態(tài)的方法［14-16］。該技術(shù)盡管只需要一個(gè)很小的接入?yún)^(qū)域，但必須拆除部分保溫層，并確保傳感器陣列和管道之間的良好耦合。同時(shí)，該技術(shù)需要一個(gè)非常好的校準(zhǔn)程序，并且在確定準(zhǔn)確的壁損量和位置方面受到限制。此外，在非直管段使用該技術(shù)也很復(fù)雜［17］。超聲波檢測(cè)的一種變體是使用電磁脈沖而不是聲波脈沖來產(chǎn)生彈性波，該彈性波可以通過第二個(gè)環(huán)繞線圈進(jìn)行分析。這種技術(shù)在檢測(cè)時(shí)不需要耦合劑，它也能實(shí)質(zhì)性地提升檢測(cè)精度，但這項(xiàng)技術(shù)僅在實(shí)驗(yàn)室裝置中得到應(yīng)用。其他檢測(cè)方法，比如中子背散射［18］和微波輻射，可以直接檢測(cè)到保溫層下的水并且定位到腐蝕發(fā)生的位置，其缺點(diǎn)則是必須要通過水的含量間接檢測(cè)，而且檢測(cè)面積有限。

以下詳細(xì)介紹了高效且無損傷的代表性檢測(cè)方法及其相關(guān)實(shí)例。

2.1 脈沖渦流檢測(cè)

脈沖渦流技術(shù)廣泛應(yīng)用于無損測(cè)試和識(shí)別金屬構(gòu)件中的腐蝕狀態(tài)，比如局部腐蝕和開裂［19］。其原理是通過外部系統(tǒng)提供的交流電在要測(cè)試的構(gòu)件內(nèi)部激發(fā)渦流。構(gòu)件的腐蝕缺陷通常會(huì)引起電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的變化，進(jìn)而導(dǎo)致渦流和電流的變化，磁場(chǎng)的相位和振幅也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。相對(duì)于其他無損檢測(cè)方法，脈沖渦流法有很多優(yōu)點(diǎn)，比如這種方法對(duì)局部缺陷有很高的靈敏度，并且不需要檢測(cè)探針和管線鋼表面相接觸等。脈沖渦流法的這些優(yōu)點(diǎn)使其特別適用于管線鋼中腐蝕缺陷形成和擴(kuò)展過程的連續(xù)性監(jiān)測(cè)，尤其適用于保溫層下腐蝕的監(jiān)測(cè)［20］。

很少有其他保溫層下腐蝕的電磁檢測(cè)技術(shù)可用于實(shí)際生產(chǎn)，磁飽和渦流技術(shù)［21］基本上是脈沖渦流技術(shù)的唯一替代方法。但是這些技術(shù)都不能提供比脈沖渦流技術(shù)更大改進(jìn)的檢測(cè)效果，而且都有其局限性，例如，無法有效地用于具有保溫層的厚壁部件，在鍍鋅鋼上的檢測(cè)能力非常有限，不適用于亞表面探傷等。

2.2 GMR增強(qiáng)脈沖渦流技術(shù)

巨磁電阻（GMR）傳感器具有非常低的頻率噪聲，因此可以最大化信噪比，并且能夠使用低激發(fā)頻率。由于這些固態(tài)薄膜磁傳感器體積小、能耗低，還可以制造出緊湊的傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率掃描。GMR傳感器現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于渦流無損檢測(cè)，并用于檢測(cè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的小裂紋和次表面裂紋，混凝土中的鋼筋或橋梁中的鋼支撐結(jié)構(gòu)。

GMR傳感器也用于檢測(cè)管道中的缺陷和腐蝕。利用漏磁激發(fā)和靠近管道表面的傳感器，GMR傳感器陣列已經(jīng)成功應(yīng)用于檢測(cè)管道生產(chǎn)過程中的裂紋和缺陷［22］?；谛D(zhuǎn)磁場(chǎng)激發(fā)方案的系統(tǒng)，采用6個(gè)GMR傳感器可在直徑70 mm的管道上檢測(cè)到體積小至1.5 mm×13.5 mm×5 mm的缺陷。

GMR傳感器作為信號(hào)接收器的應(yīng)用提高了脈沖渦流技術(shù)檢測(cè)微小缺陷的靈敏度。GMR磁傳感器直接測(cè)量磁場(chǎng)變化，增加了探頭探測(cè)材料次表層缺陷的靈敏度，因此，GMR傳感器在無損檢測(cè)中的應(yīng)用研究一直是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

2.3 脈沖渦流檢測(cè)法案例分析

Lyft System公司的Eddyfi的脈沖渦流技術(shù)用于檢測(cè)管線鋼保溫層下腐蝕，能夠快速檢測(cè)并收集到可重復(fù)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，在動(dòng)態(tài)掃描模式下以更快的檢測(cè)速度獲取分辨率更高的管線鋼表面形貌，識(shí)別出保溫層下通常情況下難以檢測(cè)到的腐蝕區(qū)域，比如鞍座處（此類腐蝕的相關(guān)參數(shù)和圖片檢測(cè)結(jié)果見圖3）。

圖3 鞍座附近缺陷及脈沖渦流掃描示意

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)可以在預(yù)先未知缺陷類型、缺陷深度和位置的情況下成功檢測(cè)并定位保溫層內(nèi)部管線鋼上腐蝕缺陷、提供缺陷信息，見圖4和表1。此外，該技術(shù)可以檢測(cè)出管線鋼表面的起泡腐蝕狀態(tài)和尺寸大小，而在這之前這種腐蝕的檢測(cè)一直是困擾傳統(tǒng)無損檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)難題，見表2和圖5。

圖4 保溫層下的管線鋼表面狀態(tài)

表1 保溫層下的管線鋼樣品的參數(shù)

表2 保溫層下的管線鋼樣品的參數(shù)

圖5 管線表面起泡及動(dòng)態(tài)C-scan結(jié)果

2.4 保溫層下腐蝕的概率模型

檢驗(yàn)工作的最終目標(biāo)是確定是否可以為保溫層下腐蝕檢驗(yàn)和維護(hù)開發(fā)腐蝕概率模型。Melchers等［23-24］建立了海洋環(huán)境（浸沒和大氣）中腐蝕的模型。該模型顯示了不同階段的腐蝕基于不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)制（見圖6）。該模型表明，傳統(tǒng)的腐蝕損失模型C（t）＝AtB，不適用于構(gòu)件的壽命預(yù)測(cè)。傳統(tǒng)的模型是基于氧氣通過越來越厚的腐蝕層的擴(kuò)散，并未考慮腐蝕機(jī)制隨時(shí)間的變化。因此，需要通過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)收集腐蝕有關(guān)的信息并加以分析，以建立概率模型來評(píng)估保溫層下腐蝕速率和腐蝕深度。絕緣層下腐蝕通常表現(xiàn)為材料的離散、非均勻退化狀態(tài)，因此，使用概率方法研究保溫層下腐蝕建模更為實(shí)用。

圖6 腐蝕過程相的變化行為

運(yùn)行溫度、保溫類型、管道復(fù)雜度、環(huán)境類型和保溫條件是導(dǎo)致保溫層下腐蝕的主要因素［25］。通過關(guān)注保溫層下腐蝕的變化，研究開發(fā)了基于模糊邏輯的預(yù)測(cè)模型。模糊邏輯模型包括上述提到的五個(gè)關(guān)鍵因素，即運(yùn)行溫度、絕緣類型、管道復(fù)雜度、環(huán)境類型和保溫條件，將隨機(jī)的腐蝕速率作為輸入?yún)?shù)，而最終計(jì)算出保溫層下真實(shí)腐蝕速率作為輸出結(jié)果。該模型可以對(duì)影響保溫層下腐蝕的五大因素進(jìn)行敏感性分析，以確定各個(gè)腐蝕因素對(duì)生成腐蝕三維曲面的貢獻(xiàn)百分比。預(yù)測(cè)的保溫層下腐蝕速率（見圖7），保溫層下腐蝕產(chǎn)生因素的敏感性和腐蝕三維曲面都有助于監(jiān)檢測(cè)作業(yè)以維護(hù)管道的安全運(yùn)行。因此，所建立的模糊邏輯模型將有助于油氣行業(yè)開展基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)活動(dòng)。

圖7 模糊邏輯模型預(yù)測(cè)結(jié)果

3 展 望

保溫層下腐蝕很難被檢測(cè)到是因?yàn)楦g發(fā)生在保溫層下，去除保溫層將花費(fèi)極大的時(shí)間和精力。因此，業(yè)界認(rèn)為開發(fā)一種無損、高效且經(jīng)濟(jì)的檢測(cè)方法十分必要，期望及時(shí)定位和處理保溫層下腐蝕，從而避免因腐蝕造成的巨大損失。近年來，GMR傳感器輔助脈沖渦流檢測(cè)方法，為高精度、高效率的檢測(cè)提供了可靠的手段。Lyft System，包含許多技術(shù)創(chuàng)新，使其能夠以更快的速度獲得可重復(fù)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。然而，這些方法和手段仍處于不同的成熟階段，仍需付出巨大的投入使之成為更可靠實(shí)用的技術(shù)。

預(yù)測(cè)保溫層下腐蝕是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，主要原因之一在于油氣管道行業(yè)腐蝕數(shù)據(jù)沒有共享?，F(xiàn)有主要的可靠數(shù)據(jù)是API 581提供，該標(biāo)準(zhǔn)提供了在有限工作范圍內(nèi)（-12～176℃）保溫層下腐蝕的腐蝕速率。由于保溫層下腐蝕速率數(shù)據(jù)的缺乏，針對(duì)該情況的預(yù)測(cè)模型研究有限，因此，可靠的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)共享對(duì)于有效預(yù)測(cè)和準(zhǔn)確檢測(cè)腐蝕速率十分重要。

4 結(jié)束語

在收集到大量數(shù)據(jù)后，可以對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立保溫層下腐蝕的預(yù)測(cè)模型。實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)有望對(duì)概率和統(tǒng)計(jì)模型的建立提供基礎(chǔ)，以此評(píng)估保溫層下腐蝕的缺陷率和缺陷深度。使用極值概率方法對(duì)其進(jìn)行建模，所建立的模型應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。此外，保溫層下腐蝕速率模型可被納入損傷評(píng)估系統(tǒng)和／或用于使用評(píng)價(jià)，例如評(píng)估剩余壽命、確定計(jì)劃?rùn)z查和維護(hù)間隔等。