韓一峰，朱燁森,，陳皖濱，程堂華，胡濤勇，胡葆文，黃一

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122；2.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

海洋油氣主要通過高效、節(jié)能的海底管道方式集輸[1]。海底管道面臨著失效帶來的雙重挑戰(zhàn)：一方面嚴(yán)重干擾著經(jīng)濟(jì)社會活動(dòng)，另一方面危及人類生命和財(cái)產(chǎn)安全[2]。中海石油公司曾報(bào)道，1986—2016 年，中國海底管道事故的最主要原因是腐蝕[3]。另外，東海某油田管道壁也檢測出了明顯的腐蝕坑，部分管壁甚至已穿孔。某管線在2018 年發(fā)現(xiàn)了大面積腐蝕坑，最嚴(yán)重的蝕坑深度達(dá)到了壁厚的37%。為了解決這些問題，需要采取必要的措施確保海底管道的可持續(xù)性和安全性。

為了長距離地輸運(yùn)深海油氣，焊接成為深海管道連接最普遍和經(jīng)濟(jì)的連接方式，如圖1 所示。海底管線中每12 m 就需要進(jìn)行一次焊接[4]，因此焊接接頭成為海洋油氣工程中不可避免的結(jié)構(gòu)。在鋪設(shè)長距離輸送管道時(shí)，通常采用鋪管船法將鋼管逐一焊接接長，并在接口進(jìn)行絕緣防腐、保溫以及包覆混凝土防護(hù)層，最后將加工后的海管通過鋪管船鋪敷到海底。但焊接部位在焊接熱循環(huán)的作用下，焊接接頭各區(qū)域的材質(zhì)分布和微觀組織結(jié)構(gòu)會發(fā)生一系列變化。例如倒置元素的遷移和分布的不均勻、顯微組織的改變、焊接殘余應(yīng)力和焊接缺陷的出現(xiàn)，這些都會嚴(yán)重影響整個(gè)長輸管線的完整性，嚴(yán)重時(shí)更會危及輸運(yùn)工程的安全運(yùn)行。

圖1 海洋油氣開采和輸運(yùn)過程Fig.1 Schematic diagram of offshore oil and gas exploitation and transportation process

考慮到元素成分類型和分布，以及結(jié)構(gòu)微觀組織，管道焊接區(qū)域可分為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。根據(jù)已有工程實(shí)例，海底管道焊接接頭非均勻腐蝕的影響因素眾多、腐蝕機(jī)理復(fù)雜。電化學(xué)方法[5-7]和電阻探針法[8]技術(shù)成熟、工程應(yīng)用廣泛，在獲取焊接區(qū)域的腐蝕速率等基本信息具有反應(yīng)及時(shí)的優(yōu)勢，但受限于2 種方法的測試原理，針對存在材質(zhì)差異的焊接接頭，難以獲得其空間上的腐蝕深度分布和變化規(guī)律。同時(shí)，即便電阻探針布置靠近管道焊接區(qū)域附近，可以通過盡可能還原腐蝕環(huán)境來反饋腐蝕深度，但由于未能充分考慮到焊接區(qū)域材料和顯微組織的非均勻性，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果可能過于保守。管道實(shí)際運(yùn)行過程中，針對管道焊接區(qū)域的腐蝕監(jiān)測手段比較有限。針對焊縫接頭定期采用超聲波檢測是最常見的腐蝕檢測方法，但該方法在深海環(huán)境下操作難度較大。近年來，電指紋法在管線腐蝕監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸普遍[9-12]，該方法可以在保證管道結(jié)構(gòu)完整性的情況下獲取內(nèi)壁的非均勻腐蝕分布特點(diǎn)，但受限于電阻算法原理，該方法的監(jiān)測精度并不高，且對于材質(zhì)不均勻的焊接區(qū)域，測量誤差會比較大。由此，針對海底管道焊接區(qū)域，設(shè)計(jì)一種可靠的非均勻腐蝕監(jiān)測方法，并研究其腐蝕規(guī)律至關(guān)重要。

1 海底管道焊接區(qū)域腐蝕問題研究進(jìn)展

復(fù)雜的焊接過程會形成非平衡的熱循環(huán)作用，使得焊接各個(gè)區(qū)域的元素組成和顯微組織發(fā)生了較大差異變化，進(jìn)而增強(qiáng)了焊接缺陷和應(yīng)力集中的敏感性[13-14]。焊接接頭作為管道內(nèi)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜的多相輸運(yùn)腐蝕介質(zhì)中，容易發(fā)生各種宏觀和微觀尺度的耦合腐蝕問題，進(jìn)而引發(fā)安全事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和人身損失[15-16]。

1.1 焊接區(qū)域的腐蝕理論

成分差異理論和活性組織溶解理論是現(xiàn)階段用來解釋焊接接頭腐蝕發(fā)生的主要理論[1]。

1）成分差異理論。成分差異理論的差異性體現(xiàn)在2 方面：母材和焊縫的固有組成元素成分存在差異；母材和焊縫的固有元素組成之間的性能不相匹配。在管道焊接熱循環(huán)過程中，無論是過程加熱或是冷卻，均會對熱影響區(qū)、焊縫區(qū)和母材區(qū)的元素起到遷移變化的影響，進(jìn)而導(dǎo)致焊接接頭的各區(qū)域產(chǎn)生電化學(xué)性質(zhì)的差異，在微觀層面出現(xiàn)腐蝕電池效應(yīng)。在宏觀表現(xiàn)上，腐蝕電池作用導(dǎo)致的電偶腐蝕成為管道焊接接頭腐蝕發(fā)生的最常見和最嚴(yán)重的類型。電偶腐蝕具有明顯的空間分布特點(diǎn)，2 種金屬的交界區(qū)域最為敏感，且通常距離交界越遠(yuǎn)，腐蝕程度相對越輕。作為焊接接頭，母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)不可避免地存在由于元素成分和顯微組織差異導(dǎo)致的電位差，使得電偶腐蝕問題異常明顯[17-19]。Kato 等[20]研究表明，硫元素會對金屬的電偶腐蝕產(chǎn)生重要影響，在焊接熱循環(huán)作用下，母材在溫度梯度的作用下會聚集來自熱影響區(qū)的硫元素，進(jìn)一步形成MnS 夾雜物，進(jìn)而可能使得母材電位相對較低而成為陽極，母材局部腐蝕加速，在與熱影響區(qū)的交界位置形成溝狀腐蝕。García 等[21]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，低含硫鋼比高含硫鋼具有更好的耐蝕性，并且添加適量的Ca、Cu 等元素，可以起到穩(wěn)定硫元素的作用，從而提高材料的耐腐蝕性。Castelli 等[22]研究表明，熱影響區(qū)的選擇性腐蝕程度與交界的母材區(qū)的Mn 元素密切相關(guān)，母材的Mn 元素越高，熱影響區(qū)的局部腐蝕問題越突出，這種現(xiàn)象可能與Mn 和Nb 元素在熱影響區(qū)中溶解密切相關(guān)。

2）活性組織溶解理論?；钚越M織溶解理論的根據(jù)是不同微觀組織對腐蝕溶解的敏感程度存在差異，進(jìn)而導(dǎo)致不同微觀組織的溶解速度。Saarinen[23]研究指出，一旦大量馬氏體和貝氏體出現(xiàn)在熱影響區(qū)，選擇性腐蝕或者是局部腐蝕就會發(fā)生。Ezuber[24]、Savva等[25]和Wranglen[26]研究發(fā)現(xiàn)，碳含量較高的馬氏體結(jié)構(gòu)，在未進(jìn)行回火處理時(shí)，極易出現(xiàn)優(yōu)先腐蝕現(xiàn)象。Raty 等[27]研究發(fā)現(xiàn)，鐵素體中淬火態(tài)的碳元素是熱影響區(qū)發(fā)生局部腐蝕的首要原因。Voruganti[28]研究發(fā)現(xiàn)，馬氏體的存在會使得熱影響區(qū)的腐蝕問題突出。因此，有學(xué)者提出了RI 指數(shù)概念，通過關(guān)聯(lián)材料的顯微組織特點(diǎn)來定量描述焊接接頭的選擇性腐蝕敏感程度。然而，也有學(xué)者持相左觀點(diǎn)，認(rèn)為微觀結(jié)構(gòu)的變化不足以讓焊接區(qū)域出現(xiàn)顯著的選擇性腐蝕[29-30]。

3）其他理論。另有觀點(diǎn)認(rèn)為，材料中第二相的沉積，或是金屬表面氧化膜的存在，也會一定程度為焊縫區(qū)或者熱影響區(qū)提供局部腐蝕孕育和發(fā)展的環(huán)境[31]。

1.2 海底管道焊接區(qū)域的腐蝕影響因素

海洋腐蝕是海洋環(huán)境的重要特征。海水中存在高鹽濃度、富氧狀態(tài)、大量海洋微生物、海浪沖擊和陽光照射等因素，使得海洋腐蝕環(huán)境極為苛刻。此外，CO2、H2S、Cl-等物質(zhì)的共存也會對材料造成嚴(yán)重的腐蝕。海水溫度受到緯度、季節(jié)和深度的影響，而油氣介質(zhì)溫度則受地質(zhì)條件和開采階段的影響。例如，在北極地區(qū)，極限低溫接近-60 ℃，而新采油氣的溫度卻可達(dá)到100 ℃以上。環(huán)境溫度的變化不僅會改變材料的腐蝕速率，還會影響材料的性能。材料自身（元素成分、顯微組織）和環(huán)境因素（溫度、pH 等）是決定焊接接頭腐蝕性能主要因素。這些因素共同作用導(dǎo)致焊接區(qū)域的異質(zhì)性差異，進(jìn)而影響其耐蝕性。

1）金屬化學(xué)成分。前文提到，焊接過程中的非平衡熱循環(huán)導(dǎo)致焊縫熔池和母材形成了溫度梯度，進(jìn)一步引起了元素成分遷移，就使得焊接接頭出現(xiàn)元素成分差異，從而改變了焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的力學(xué)、化學(xué)和物理性能，導(dǎo)致了焊接接頭的局部腐蝕問題。在管道焊接時(shí)，為了匹配焊縫和母材的強(qiáng)度，以及保證可焊接性，通常會添加少量合金元素。通常在保證焊接接頭強(qiáng)度外，適量添加某些合金元素可以改善焊縫整體的耐蝕性。在實(shí)際應(yīng)用中，仍有部分合金元素由于自身電位較高，會與母材形成電位差，進(jìn)而導(dǎo)致電偶腐蝕的發(fā)生。研究表明，添加Cr 可以提高管線鋼的強(qiáng)度、韌性和可焊接性，并且會顯著提高鋼材的耐腐蝕性能[32]。此外，有研究表明，合金腐蝕產(chǎn)物膜的致密程度與Mo 元素含量有關(guān)，0.15%～0.25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Mo 元素使得鋼材表面腐蝕產(chǎn)物更加致密，從而使得其耐蝕性增強(qiáng)[33-34]，這種作用在提升X80鋼的熱影響區(qū)強(qiáng)度和耐蝕性方面更加明顯[35]。然而，例如Mn 和Mg 等元素的含量超過一定閾值時(shí)，反而會削弱焊縫接頭的耐蝕性能[36]。

2）顯微組織結(jié)構(gòu)。焊接過程中的熱循環(huán)作用會顯著改變母材和焊縫的顯微組織。其中，決定焊縫區(qū)顯微組織的主要原因是焊材類型和焊接工藝，而靠近焊縫熔池的母材由于反復(fù)的受熱和冷卻過程也會成為微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的熱影響區(qū)。通常情況下，焊接形成的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的顯微組織類型相對復(fù)雜，分布相對不均勻，并且由于焊接過程不可避免地不均勻受熱會使得顯微組織的晶粒變得粗大，從而大幅度降低了局部區(qū)域的耐腐蝕性，極易誘發(fā)優(yōu)先腐蝕。劉成虎等[37]研究發(fā)現(xiàn)，X70 管線鋼焊縫區(qū)的主要組成成分為樹枝狀鐵素體，熱影響區(qū)則主要由粗大的鐵素體、貝氏體和MA 島狀等組成，因而焊縫區(qū)的耐蝕性明顯優(yōu)于熱影響區(qū)和母材區(qū)。梁成浩等[38]的研究表明，低合金鋼和低碳鋼基底的母材區(qū)常包含均勻分布的回火索氏體，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)則通常包含粗大的鐵素體和珠光體晶粒，導(dǎo)致熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的自腐蝕電位明顯低于母材區(qū)，進(jìn)而熱影響區(qū)和焊縫區(qū)表現(xiàn)為陽極，從而加速了局部腐蝕。Alizadeh 等[39]、Bordbar等[40]研究表明，經(jīng)過熱處理的X70 管線鋼焊縫區(qū)的耐蝕性會有顯著改善。此外，Zhu 等[41-43]研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的鐵素體在溶解速率上存在差異，并最終通過腐蝕產(chǎn)物的擴(kuò)散和沉淀過程來影響不同區(qū)域的腐蝕差異。這些研究為提升管道耐蝕性能提供了理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)思路。

3）殘余應(yīng)力。在管道的焊接過程中，由于熱膨脹和收縮現(xiàn)象，焊接接頭的殘余應(yīng)力不可避免。這些應(yīng)力會在熔池凝固后達(dá)到極高的值，甚至接近材料的屈服應(yīng)力值。在此時(shí)若焊后熱處理不得當(dāng)，應(yīng)力腐蝕問題將會成為焊接接頭結(jié)構(gòu)破壞的重要原因[44-47]。此外，在海底管道的隨船鋪設(shè)和實(shí)際輸運(yùn)過程中，必然會受到來自波浪流、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)等外部載荷。這對于內(nèi)壁幾何形狀不連續(xù)的管道焊接區(qū)域，會極易形成應(yīng)力集中的敏感區(qū)，從而導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕和疲勞裂紋等問題的發(fā)生[45,48-50]。

4）幾何因素。在進(jìn)行焊接過程中，制造形狀缺陷是不可避免的，尤其在采用單面焊雙面成形焊接的管道中，根部熔深很難精確控制。當(dāng)管道內(nèi)的輸運(yùn)介質(zhì)處于高流速狀態(tài)時(shí)，過大的根部熔深會極大擾動(dòng)管內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，從而引起沖刷腐蝕現(xiàn)象[15]。在低流速的油氣輸運(yùn)系統(tǒng)中，當(dāng)輸運(yùn)介質(zhì)夾帶大量高溫水汽時(shí)，過大的根部熔深會阻礙水汽的自由流通，導(dǎo)致在突起的焊縫區(qū)域形成水汽冷凝聚積的現(xiàn)象，形成腐蝕環(huán)境，導(dǎo)致腐蝕加劇[51-52]。

1.3 海底管道焊接區(qū)域的腐蝕類型

根據(jù)腐蝕失效發(fā)生的位置，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的選擇性腐蝕是最主要的局部損傷類型，如圖2 所示[4]。之前已經(jīng)介紹了導(dǎo)致管道焊接區(qū)域腐蝕的各種原因，包括焊接接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的缺陷、材料自身的冶金缺陷、焊接工藝的選擇欠佳以及焊接疲勞裂紋和殘余應(yīng)力的處理不當(dāng)?shù)?。同時(shí)，環(huán)境因素也會對腐蝕造成影響，其中包括在管道服役時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，以及其所處的介質(zhì)類型、溫度、pH 和壓力等參數(shù)。考慮到腐蝕行為特點(diǎn)，海底管道焊接區(qū)域的局部腐蝕類型主要可以分為電偶腐蝕、應(yīng)力腐蝕、沖刷腐蝕、晶間腐蝕和點(diǎn)蝕等。

圖2 基于腐蝕區(qū)域劃分的焊接區(qū)域腐蝕類型[4]Fig.2 Corrosion types of weldment based on corrosion area[4]: a) preferential WM corrosion; b) preferential HAZ corrosion

1）電偶腐蝕。電偶腐蝕是海底管道焊接區(qū)域極為常見的腐蝕形式之一。Zhu 等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在含3%鉻元素的低合金鋼焊接區(qū)域中，焊縫區(qū)在室溫常壓下的鹽溶液中表現(xiàn)為陰極，但熱影響區(qū)由于電位相對較低而表現(xiàn)為陽極，局部腐蝕明顯。Montgomery等[53]研究了2 種焊材的管道焊接區(qū)域非均勻腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)隨著焊接過程的進(jìn)行，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)中Ni 元素的不斷聚集，流經(jīng)焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的陽極電流加劇。Okonkwo 等[54]研究指出，由于焊接熱循環(huán)作用，部分回火貝氏體會轉(zhuǎn)變成馬氏體，從而形成的電位差會進(jìn)一步導(dǎo)致影響區(qū)和焊縫區(qū)之間的電偶效應(yīng)增強(qiáng)。同時(shí)，即便當(dāng)海底管道焊接區(qū)域各個(gè)焊接區(qū)域的電位差不明顯時(shí)，但若母材作為陽極，由于母材與焊縫區(qū)/熱影響區(qū)的面積比較大，使得焊縫區(qū)/熱影響區(qū)仍舊具有較高的腐蝕速率。

2）應(yīng)力腐蝕。如圖3 所示，應(yīng)力腐蝕是導(dǎo)致金屬構(gòu)件破壞的一種重要形式，焊接區(qū)域由于殘余應(yīng)力、冷卻速度快等因素的影響，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和強(qiáng)化，從而提高了應(yīng)力腐蝕的發(fā)生概率。焊接區(qū)域的熱影響區(qū)通常是裂紋擴(kuò)展的敏感區(qū)，因?yàn)楹附舆^程中的高溫區(qū)域會熱影響到材料的微觀組織，導(dǎo)致材料性能發(fā)生變化。如硬度增加、抗拉強(qiáng)度減小等[55]。對于不同種類的鋼材，在焊接和熱影響區(qū)出現(xiàn)的性能變化和應(yīng)力腐蝕敏感性也不完全相同。如C-Mn 鋼焊接區(qū)域中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，殘余應(yīng)力是主要促進(jìn)因素[4,56]，而奧氏體不銹鋼焊接區(qū)域則常常因?yàn)榫植康木чg腐蝕而產(chǎn)生開裂。在工程實(shí)踐中，為了降低焊接區(qū)域的應(yīng)力腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，可以采取合適的焊接工藝、選用合適的焊接材料、調(diào)整焊接工藝參數(shù)等措施。

圖3 焊接區(qū)域應(yīng)力腐蝕裂紋[4,56]Fig.3 Stress corrosion cracking of weldment[4,56]

3）沖刷腐蝕。導(dǎo)致焊接區(qū)域沖刷腐蝕發(fā)生的最主要特點(diǎn)是焊縫接頭內(nèi)壁幾何尺寸的不連續(xù)性。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因有2 方面：一方面，如果焊縫縫寬較大，會致使熔深過大，在焊道處管徑就會縮小，使得輸運(yùn)介質(zhì)的流通性受到阻礙，從而導(dǎo)致管道內(nèi)壁遭受嚴(yán)重的沖刷損傷[57]，如圖4 所示；另一方面，焊縫處的過大熔深會進(jìn)一步阻礙固體介質(zhì)的通過，導(dǎo)致固體沉積物堆積在焊接接頭內(nèi)壁上游面附近，從而使得管道輸運(yùn)氣相介質(zhì)的流向改變，引發(fā)頂部區(qū)域的沖刷腐蝕，導(dǎo)致管道壁厚減薄嚴(yán)重。

圖4 沖刷腐蝕[57]Fig.4 Erosion corrosion[57]: a) elbow weldment; b) straight pipe weldment

4）晶間腐蝕。晶間腐蝕的發(fā)生是通過破壞晶粒間的結(jié)合強(qiáng)度來誘發(fā)的，這也是不銹鋼焊接區(qū)域出現(xiàn)機(jī)械強(qiáng)度降低的主要原因[4]。晶間腐蝕的產(chǎn)生與熱影響區(qū)中碳化物沉淀引起的敏化作用密切相關(guān)。在焊接過程中，焊接區(qū)域溫度升高和降低時(shí)，碳化鉻會在晶界處沉積，沉淀過程消耗了靠近晶界的鉻元素。在溫度降至完全固化時(shí)，貧鉻區(qū)域在晶界形成，這個(gè)區(qū)域?qū)Ωg非常敏感，晶界腐蝕速率遠(yuǎn)高于基體。

2 海底管道焊接區(qū)域腐蝕監(jiān)測方法研究進(jìn)展

由于海底管道焊接區(qū)域的化學(xué)成分復(fù)雜，并具有多樣的顯微組織結(jié)構(gòu)，在腐蝕性環(huán)境中很可能受到嚴(yán)重的非均質(zhì)腐蝕威脅。為了及時(shí)快速了解海底管道焊接區(qū)域的腐蝕特點(diǎn)，評估不同焊接區(qū)域的局部腐蝕程度，研發(fā)并應(yīng)用有效合理的監(jiān)測措施對于海底管道流動(dòng)安全保障非常有必要。

2.1 腐蝕掛片法

腐蝕掛片技術(shù)是一種成熟、易于操作且使用成本低的監(jiān)測方法，通過定期測量在海底管道環(huán)境下的金屬掛片質(zhì)量變化來計(jì)算平均腐蝕速率。這些金屬掛片的材質(zhì)與海底管道焊縫相同，形狀也可根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行選擇。通常在海底管道入口和出口處安裝腐蝕掛片，在每月或數(shù)月的間隔中取出觀察和稱量，以推算平均腐蝕速率和分析局部腐蝕狀況。然而，該技術(shù)無法及時(shí)反饋油田生產(chǎn)變化對腐蝕的影響，且測量周期長，因此所得到的平均腐蝕速率結(jié)果具有一定的局限性。

2.2 線性極化法

線性極化法是一種響應(yīng)迅速、靈敏度高、同時(shí)具備不過度干擾測試體系平衡性的管道腐蝕監(jiān)測技術(shù)。然而，該技術(shù)的應(yīng)用范圍較為有限，僅適用于具有較好導(dǎo)電性的電解質(zhì)環(huán)境。此外，由于線性極化法的測試和分析原理是參照腐蝕動(dòng)力學(xué)原理，與其中的Stern 常數(shù)值密切相關(guān)，但在實(shí)際應(yīng)用中該值卻又比較難以準(zhǔn)確獲得，因而采用估算Stern 常數(shù)值的方式會使得監(jiān)測誤差較大[58]。雖然可以使用實(shí)驗(yàn)獲得特定的Stern 值，但隨著腐蝕過程的持續(xù)進(jìn)行，管道的B值在不同時(shí)刻會發(fā)生變化，因此難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析中B值的準(zhǔn)確性。此外，由于管道焊接區(qū)域的材質(zhì)不均勻，不同區(qū)域的真實(shí)Stern 值可能會略有不同，因此線性極化法在該區(qū)域的準(zhǔn)確度較低[59-60]。

2.3 電化學(xué)阻抗譜法

電化學(xué)阻抗譜法是一種精確、可靠的管道腐蝕監(jiān)測技術(shù)。它通過頻率域測量，獲得電化學(xué)阻抗信息，并分析腐蝕的動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)信息。該技術(shù)施加的信號微弱，且不會影響管道體系。并分析阻抗譜特點(diǎn)，可得到不同焊接區(qū)域的極化電阻，研究腐蝕反應(yīng)機(jī)理，判斷不同區(qū)域的耐蝕性能。電化學(xué)阻抗譜法是提高海底管道腐蝕監(jiān)測精度和靈敏度的關(guān)鍵技術(shù)之一，對于管道的安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用[61-62]。

2.4 電化學(xué)噪聲探針

電化學(xué)噪聲技術(shù)是一種通過監(jiān)測腐蝕時(shí)腐蝕電位或者電偶/電池電流的微小波動(dòng)，并設(shè)定點(diǎn)蝕系數(shù)來間接計(jì)算點(diǎn)蝕程度或局部腐蝕趨勢的技術(shù)。該技術(shù)采用的信號微弱，不會影響金屬結(jié)構(gòu)的性能，因而在金屬腐蝕監(jiān)測領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。電化學(xué)噪聲技術(shù)的分析方法通常采用頻域分析和時(shí)域分析。在時(shí)域分析中，通過計(jì)算電位、電流的噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差和點(diǎn)蝕指數(shù)，來進(jìn)一步判斷腐蝕類型和速率，從而實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測和管理腐蝕對金屬結(jié)構(gòu)的損害。Ma 等[63]、Xia 等[64-65]在研究中對電化學(xué)噪聲技術(shù)在金屬腐蝕監(jiān)測中的機(jī)理、分析方法及應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和討論，為電化學(xué)噪聲技術(shù)的應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。

電化學(xué)噪聲技術(shù)作為一種原位腐蝕監(jiān)測方法，不需要施加外界擾動(dòng)，尤其是該技術(shù)在對管道的局部腐蝕的監(jiān)測分析過程中，具有尤為明顯的優(yōu)勢。但是在管道焊縫的監(jiān)測中，由于焊接接頭處材質(zhì)的不連續(xù)性，需要對電化學(xué)噪聲結(jié)構(gòu)形式做進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，研究更適合非均勻腐蝕的分析模型，并進(jìn)一步進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)分析及其理論應(yīng)用研究。

2.5 電阻法

電阻法（Electrical Resistance，ER）是一種監(jiān)測局部區(qū)域電阻變化來反映腐蝕程度的方法。該技術(shù)所采用的測量原理簡單、系統(tǒng)可靠，已在油氣工程中得到成熟并廣泛的應(yīng)用。與電化學(xué)方法相比，電阻法具有更廣泛的場景適用范圍。例如即使在電阻率較高的溶液體系中、或監(jiān)測對象電極的表面有腐蝕產(chǎn)物覆蓋、亦或是被導(dǎo)電性較弱物質(zhì)阻隔的情況下，電阻法仍然能夠快速響應(yīng)，并具有一定的準(zhǔn)確性。目前的電阻探針技術(shù)也有明顯的局限性，即傳統(tǒng)的電阻探針只能測得單一材質(zhì)探頭的電阻變化，進(jìn)而反映管線鋼的平均腐蝕情況，無法有效監(jiān)測例如像管道焊縫接頭這樣具有典型材質(zhì)非均勻性的結(jié)構(gòu)的局部腐蝕。因此，需要進(jìn)一步研究如何提高電阻法在檢測焊縫處腐蝕方面的檢測靈敏度，以及提高測量精度和準(zhǔn)確性等技術(shù)改進(jìn)。

針對管道焊接接頭的非均勻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和非均勻材質(zhì)分布特性，電指紋法（Field Signature Method，F(xiàn)SM）作為近年來不斷發(fā)展的一種高效可靠的局部腐蝕監(jiān)測手段被加以應(yīng)用[9-12]。FSM 法通過在管道的外壁布置具有規(guī)律性排布的電極矩陣，將管道目標(biāo)區(qū)域劃分成小的矩形分區(qū)，通過設(shè)計(jì)特制測量電路來測量各個(gè)分區(qū)的電阻變化，從而反映管道的局部壁厚信息，如圖5 所示[66]。當(dāng)管道發(fā)生腐蝕時(shí)，F(xiàn)SM法可以精確定位該腐蝕區(qū)域并反映該區(qū)域矩陣所測得的電阻變化，即腐蝕深度。相比傳統(tǒng)的電阻探針，F(xiàn)SM 方法的測量靈敏度達(dá)壁厚的1/1 000[67]。FSM 法當(dāng)前更多應(yīng)用于單一材質(zhì)管道，因而使用的溫度補(bǔ)償元件通常為同一個(gè)，這對于管線沿著路由方向存在溫度變化的場景有所限制，導(dǎo)致其溫度補(bǔ)償效果較差，進(jìn)一步影響測量分辨率和精度。但是，F(xiàn)SM 法在工程應(yīng)用中最具優(yōu)勢的是其無需破壞管道的完整性，并可以通過在外壁布置感知陣列點(diǎn)來監(jiān)測內(nèi)壁的腐蝕程度，這為該方法在已建工程后續(xù)監(jiān)測實(shí)施應(yīng)用提供了條件。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要綜合考慮FSM 法的優(yōu)缺點(diǎn)和要求，通過繼續(xù)升級陣列布置形式、溫度補(bǔ)償方案以及電阻優(yōu)化算法，以確保其準(zhǔn)確性和可靠性。

圖5 FSM 技術(shù)在管道焊接區(qū)域腐蝕監(jiān)測中的應(yīng)用[66]Fig.5 Application of FSM technology in corrosion monitoring of pipeline weldment[66]

近年來，一種采用環(huán)狀分區(qū)電阻監(jiān)測的新型管道內(nèi)壁腐蝕監(jiān)測技術(shù)被廣泛關(guān)注[68-70]。該技術(shù)采用一對環(huán)分別作為腐蝕元件和溫度補(bǔ)償元件，故而被稱為雙環(huán)電阻探針（Ring Pair Electrical Resistance Sensor，RPERS），如圖6 所示。其中使用的環(huán)組與被監(jiān)測的實(shí)際管道材質(zhì)一致，通過將環(huán)組中的環(huán)設(shè)計(jì)成完全一樣的幾何形狀，從而消除了由于幾何、溫差以及壓力所帶來的測量誤差。同時(shí)，該技術(shù)將環(huán)形探針外壁布置了等間隔分布的感知探頭，可以進(jìn)行360°全周向多象限分區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)了管道全周向的非均勻腐蝕監(jiān)測。參照以上技術(shù)特點(diǎn)，通過進(jìn)一步將焊接接頭的母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)分別加工成陣列環(huán)形探針，并研發(fā)快速響應(yīng)的高精度微電阻測量儀，可以實(shí)現(xiàn)對焊接接頭的局部腐蝕深度監(jiān)測。此外，雙環(huán)電阻探針技術(shù)可以深度結(jié)合電化學(xué)測量方法，獲取更為全面的局部腐蝕信息[70-71]。通過這種腐蝕監(jiān)測方法，可以實(shí)現(xiàn)對焊縫區(qū)的及時(shí)監(jiān)測和預(yù)報(bào)，提高管道安全性和可靠性。該技術(shù)的監(jiān)測精度和范圍與環(huán)形傳感器的壁厚大小及分辨率有關(guān)，因此需要在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)不同情況進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

受應(yīng)試教育觀念的影響，許多教師、家長都把關(guān)注的重點(diǎn)放在學(xué)生考試科目的學(xué)習(xí)上，忽略了學(xué)生身體素質(zhì)的提高，不重視甚至反對學(xué)生參與各種體育運(yùn)動(dòng)，而足球?qū)W習(xí)、訓(xùn)練的時(shí)間都比較長，難以獲得教師和家長方面的大力支持。同時(shí)，由于足球運(yùn)動(dòng)往往比較激烈，學(xué)校和家長擔(dān)心學(xué)生的安全問題，于是相互之間形成了一種默契，逐漸減少學(xué)生的足球教學(xué)比例，或者改為“重理論，輕實(shí)踐”的教學(xué)方式，使得足球教學(xué)失去了真正的意義。

圖6 基于雙環(huán)電阻探針的管道內(nèi)壁腐蝕監(jiān)測傳感器[68-70]Fig.6 Corrosion monitoring sensor on inner wall of pipe based on RPERS[68-70]

2.6 電感探針

電感探針則是一種通過監(jiān)測金屬損失帶來的內(nèi)部磁阻信號變化來反映腐蝕程度的測試技術(shù)。該技術(shù)在探針外表面置入一薄金屬片，并通過測量探針內(nèi)線圈磁阻信號的變化，來分析計(jì)算金屬的腐蝕速率。美國Cortest 公司的電感探針已在工程中廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的電阻法相比，電感探針的測量精度更高、分辨率更優(yōu)、場景適用性廣、抗干擾性能好。此類探針可以高效地發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)壁的腐蝕情況，并可及時(shí)采取防腐措施，確保管道運(yùn)行的安全可靠性。電感探針雖然精度高，但其價(jià)格較高，而且相對較易受到探頭材質(zhì)和管道環(huán)境的影響，因此在具體應(yīng)用前需要進(jìn)行詳細(xì)評估，并選擇恰當(dāng)?shù)男吞柡蛥?shù)。

2.7 光纖傳感技術(shù)

光纖傳感技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于管道腐蝕監(jiān)測領(lǐng)域。該技術(shù)通過監(jiān)測管道壁厚變化或腐蝕裂紋等指標(biāo)，檢測管道的腐蝕情況。光纖具有耐腐蝕、輕量化、高韌性以及寬傳輸頻帶等特點(diǎn)，使其在高溫高壓環(huán)境下表現(xiàn)優(yōu)異。特別是在管道焊接區(qū)域的腐蝕和開裂監(jiān)測方面，光纖傳感技術(shù)具有很好的適用性。然而，它需在管道建設(shè)時(shí)期與管道一起鋪設(shè)。另外，光纖傳感器易受外部干擾，可能會產(chǎn)生大量虛假信號，需要通過大量數(shù)據(jù)分析來調(diào)整和優(yōu)化算法以提高精確度。

3 結(jié)語

焊接接頭作為海底管道流動(dòng)安全風(fēng)險(xiǎn)最高的區(qū)域，對其開展腐蝕機(jī)理研究以及實(shí)施有效的腐蝕監(jiān)測，對保障管線流動(dòng)安全具有十分重要的意義?？紤]到管道焊接接頭材質(zhì)以及結(jié)構(gòu)的非均勻性，對焊接接頭進(jìn)行軸向異質(zhì)區(qū)域和周向同質(zhì)區(qū)域的空間分離以及聯(lián)合分析，是精準(zhǔn)掌握焊接接頭非均勻腐蝕的關(guān)鍵。因而，一方面可加強(qiáng)焊接接頭局部腐蝕的實(shí)驗(yàn)室研究和數(shù)值模擬計(jì)算，揭示局部腐蝕關(guān)鍵影響因素及影響規(guī)律；另一方面，加強(qiáng)實(shí)際工程中海管焊接接頭腐蝕失效案例的統(tǒng)計(jì)及分析，為海管焊接接頭局部腐蝕評估建立參考依據(jù)。

針對真實(shí)海底管道焊接接頭腐蝕監(jiān)測，必須整體考慮監(jiān)測可靠性、測量精度以及經(jīng)濟(jì)性，在監(jiān)測方式選擇上重點(diǎn)還原焊接接頭的結(jié)構(gòu)組成和電化學(xué)完整性。對于新型在線監(jiān)測手段，一方面要不斷增強(qiáng)監(jiān)測方法在焊接接頭應(yīng)用的適應(yīng)型，另一方面要不斷增強(qiáng)數(shù)據(jù)積累和數(shù)據(jù)挖掘，深化監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合，為海底管道焊接接頭局部腐蝕機(jī)理研究和管道完整性管理提供技術(shù)支撐。