保温层下腐蚀检测技术研究进展*

翟 东,邓 欣,李馨竹,余 捷,杨 波,陈俊锋

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司,天津 300451)

0 前言

保温层下腐蚀(CUI)是指在工业设施或管道中,由于保温层(隔热层)的损坏或渗透,使金属表面暴露在潮湿或有害环境下,导致金属表面发生腐蚀的现象[1]。这种腐蚀问题通常发生在保温层覆盖的金属设施或管道的外部,具有隐蔽性、高危害性和普遍性[2]。保温层下腐蚀通常受多种因素的影响,如湿度、水分、温度、腐蚀介质、保温材料、金属材料、管道设计和安装等。湿度和水分是保温层下腐蚀发生的主要原因,当保温层受损或浸水时,金属表面容易受到腐蚀;温度和环境条件也会加剧腐蚀的程度;不适当的保温材料和管道设计,以及不合理的施工方式也可能导致保温层下腐蚀的发生。CUI对于工业设施和管道的安全和可靠运行构成严重威胁。所以,CUI检测对于设施的安全运行、维护成本控制、延长设施寿命、提高生产效率以及环保和资源节约都具有重要的意义[3,4]。定期进行腐蚀检测,并采取相应的预防和修复措施,是确保设施可靠运行的重要措施之一。

目前,针对化工行业生产过程的环境安全监测[5]和工业控制安全系统[6]等的要求日趋严格,具有保温层的设备、管线等生产设施的运行安全稳定性尤为重要。设施CUI情况,需要深入分析腐蚀原因和现有腐蚀检测技术适用性,并不断创新和探索新的检测技术,才能有效降低因腐蚀问题所产生的现场安全风险,减少现场的操作维护投入,保障现场设施稳定运行。本文结合国内的研究,综述了当前在设备或管线CUI检测领域常用的技术现状,探讨了一些新兴的腐蚀检测技术和方法等。

1 电化学法

当金属表面发生腐蚀时,通常会在微米尺度上产生不规则随机变化,这些变化表现为电信号波动。利用电化学现象来监测和量化腐蚀的技术有电阻(ER)、线性极化电阻(LPR)和电化学噪声(EN)等。

Yang,等[7]采用一种新型电化学组件(图1(a)),用3根Pt涂层钛(称为Pt(Ti))导线作为传感电极,实现了现场CUI监测和分析。用有Pt涂层的钛丝在隔热层覆盖的管道表面上组装3电极电化学电池。为了验证目的,在每组4个环形试样中,使用2个作为工作电极(WE),使得每次测量都可以重复进行。每个电池的另外2个环形试样用于质量损失测量,因此,它们没有作为工作电极(WE)连接到恒电位器上。图1(b)显示了工作电极、对电极(CE)和参比电极(RE)在隔热层下的排列。将一根尖端裸露的绝缘Pt(Ti)导线(即Pt(Ti)活性表面)连接到环形试样(即WEs)的内壁,将其与测试溶液隔离。CE和RE的裸露尖端悬挂在金属和绝缘体之间保留电解液的环形空间中。3根绝缘Pt线被用作热酸性溶液中的氧化还原电位传感器(即WE,RE和CE)[8]。为了适应未来的现场应用,研究中使用了成本更低、强度更好的Pt(Ti)线代替纯Pt线。采用质量损失、线性极化电阻(LPR)和电化学阻抗谱(EIS)等方法,研究了X70碳钢(CS)和304不锈钢(SS)在不同工作条件下的CUI行为发现:连续的干湿循环和循环温度都加速了CUI的进程。LPR和EIS测量结果表明,热循环加速的CUI是由于极化电阻的降低和腐蚀膜的恶化造成的。在热循环条件下,所有测试样品都观察到了增强的点蚀,特别是CS样品。此项电化学腐蚀测量技术获得的腐蚀速率与质量损失法获得的腐蚀速率相当。

图1 一种新型电化学CUI检测技术[7]

电化学噪声(EN)技术已被广泛报道为一种很有前途的检测局部腐蚀的工具。它是一种无损检测技术,通过分析金属电位和电流的微小变化来监测腐蚀行为。电化学噪声(EN)技术通过分析电化学电位噪声(EPN)或电化学电流噪声(ECN)的随机波动,获取腐蚀过程信息。从EN频谱中提取有用信息的数据处理方法是EN监测有效性的关键因素。Hou Y,等[9,10]提出了一种基于EN的递归量化分析(RQA)和机器学习(ML)方法的腐蚀监测方法,能够区分点蚀和均匀腐蚀过程,被成功地应用于监测碳钢在各种低含水率矿石中的腐蚀。Hou Y,等[11]采用电化学电流噪声(ECN)法研究了碳钢在矿棉绝缘层下的腐蚀,通过使用递归量化分析从ECN信号中提取特征变量,并建立随机森林模型用于腐蚀类型的判断。通过失重法验证腐蚀速率,并借助光学显微镜验证腐蚀类型,以证明ECN数据分析结果的可靠性。修正后的模型成功地用于预测由CUI引起的局部腐蚀速率。Caines[12]研究了一种通过监测电化学电位噪声(EPN)来预测独立电极腐蚀速率的方法,以满足实际应用需求。该研究表明,电极表面生成的腐蚀产物明显降低了EPN信号与腐蚀导致质量损失之间的相关性。EPN信号与腐蚀速率的相关性主要取决于电极的润湿时间,即电极润湿时间越长,相关性越好。在这项研究的后续工作中,Caines,等[13]引入了一种简化的方法,使用测量的EPN来预测单个电极的腐蚀速率,发现了被测电极的EPN、质量损失和腐蚀速率之间的关系;在局部腐蚀电极的短期测试中,残留腐蚀产物的影响相对较大,有助于降低EPN-质量损失关系的相关性;EPN和腐蚀速率的关系与浸泡时间有关。

电阻法、线性极化电阻法和电化学噪声法是一种非侵入性的腐蚀检测手段,可以在运行中的设备或管线上进行实时监测,快速、准确且有效评估腐蚀的程度和进展情况,为设施的维护和保养提供了重要的参考依据,对保障设备的安全运行和延长设备寿命具有重要意义。

2 分布式光纤法

目前分布式光纤技术用于CUI监测主要有2种形式:分布式光纤测温技术和分布式光纤湿度监测技术。其中分布式光纤测温技术基于光纤拉曼散射原理,监测管道沿线因保温层浸水引起的温度场异常,从而实现管道CUI风险区识别;分布式光纤湿度监测技术利用光纤表面吸湿性涂层随环境相对湿度膨胀造成的瑞利散射中心离散度变化监测环境湿度变化,间接评估管道CUI风险区。相比于温度监测,湿度监测数据与CUI相关性更强,但精确度也受温度变化影响[14,15]。

Thomas,等[15]研究了一种适用于管道保温层下进水空间连续监测的新型全分布式光纤湿度传感器,其中光纤电缆安装在用气隙玻璃和气凝胶绝缘材料绝缘的管道上。在气隙电池玻璃绝缘下,光纤传感器可以对相当于每米管道小于10 mL的进水作出反应。通过与传统校准点湿度传感器的比较,验证光纤测量的有效性。采用光纤补偿方法,有效降低了温度变化对测量结果的影响。该传感器具有厘米级的分辨率监测入水空间演变的能力,以及在2 km范围内进行精确入水测量的可行性。该技术可向覆盖大型绝缘结构的空间提供连续进水数据,因此可用于协助有针对性的检查,旨在最大限度地降低CUI的风险。Cho H,等[16]开发了一种基于激光吸收的湿度依赖性光纤传感器,并将聚乙烯醇涂层、CoCl2涂层、支链淀粉涂层串联在光纤上作为包层。该传感器可在80 ℃下测量65%～95%RH;传感器的温度依赖性小至2.5%RH/10 ℃;利用声发射技术和湿度传感技术对干湿循环下的活性CUI进行监测;在每个干湿循环中,干燥过程中产生的声发射信号最多,且声发射率随湿润时间(加湿时间)的增加而增加。结果表明,湿度监测可以预测CUI的发生和程度,声发射可用于探测活性CUI。

随着检测技术的不断进步和改进,分布式光纤技术的精度和灵敏度将得到进一步提高,这将使其能够更准确地监测管道表面的温度和湿度变化,以便更准确地识别保温层下腐蚀的风险。分布式光纤技术优势较突出,其实时监测能力允许工程师和技术人员在腐蚀发生之前及时发现异常,并及早采取相应的修复和预防措施,从而降低设施的维护成本,避免事故的发生。此外,分布式光纤技术可以实现多个参数的同时监测,如温度、湿度、应变等。这样的综合监测能力有助于全面评估设施的运行状态,从而更好地预防和应对潜在的腐蚀问题。随着技术的进一步发展和应用的推广,这些优势将进一步得到加强和拓展。

3 红外热成像法

浸水后的保温层会导致保温隔热性能下降,进而引起保温层表面温度异常。红外热成像(IRT)技术通过分析保温层表面的温度分布,推测保温层是否浸水,并提前警示初期CUI风险,进一步划分CUI高风险区域。红外热成像技术具有以下优势:首先,它是一种非接触式的检测技术,适用范围广泛,包括温度很低或者较高(几千摄氏度)的物体,其非接触性保证了检测过程的安全性;其次,红外热成像技术具有高精确度,能够提供较高的图像分辨率,操作过程相对简单,检测所需时间非常短,通常只需几秒钟,提高了检测效率[17]。总的来说,红外热成像技术为工程师和技术人员提供了一种可靠且高效的工具,帮助他们及时发现和处理保温层浸水引起的问题,以保障设施的安全和可持续运行。

Cadelano,等[18]研究了IRT技术用于管道保温层浸水监测,包括管道温度上升、稳定和冷却对监测效果的影响。如图2(a)所示,试样为一段由Fe-C制成的金属管,长58 cm,外径14 cm,厚0.9 cm,外表面卷着一层5 cm厚的玻璃棉保温材料。将此管道试样放置在2个木制支架上,以便红外摄像机能够对管道底部进行光学访问,并避免与可能影响测量的外部物体接触。目的是观察由于保温层内存在水而产生的热效应(目视可能存在CUI),特别注意热惯性和材料导电性的影响。实验模拟了保温层内因凝结或渗透而存在的水,使用容量为30 mL的注射器在保温层内进行注水,从而实现了对插入深度的最佳控制和高精度,在相同位置进行4次注水(图2(b)、图2(c))。空调系统被用来模拟真实场景中可能出现的环境温度变化。图2(d)显示了实验中使用的设备。研究表明,红外热成像技术(IRT)在检测管道升温过程中,对保温层浸水位置更为敏感;而在检测运行稳定的管道保温层浸水位置时,可以通过使用荧光灯或调制灯等外部激励法来提高IRT的灵敏度。张强,等[19]提出了一种基于红外热成像技术的管道腐蚀检测新方法,通过非接触方式获取红外热像图像,并用相应软件分析,得到检测结果,为评估供热管道的腐蚀程度提供了重要的定量依据。

图2 IRT技术用于管道保温层浸水监测[18]

红外热成像技术在石化行业设备故障检测方面已经被广泛应用。该技术能够提供非接触式的实时温度分布图像,快速发现异常热点和异常温度分布,帮助提前发现潜在的问题,并采取相应的维修和保护措施,从而提高设备的可靠性和安全性。随着红外热成像技术的不断发展和改进,将在石化行业腐蚀检测领域发挥越来越重要的作用。未来的研究方向包括进一步提高红外热成像技术的分辨率和灵敏度,开发更精确和可靠的算法和模型,以实现更准确的腐蚀检测和评估。同时,结合其他先进的检测方法和技术,可以构建多模态的检测系统,提供更全面和可靠的腐蚀信息,进一步提升设备的健康监测和维护水平。

4 脉冲涡流检测法

脉冲涡流检测技术通过分析导电元件内部的瞬态涡流来进行检测,已经成为一种广泛采用的检测方法。每个脉冲包含3个阶段:发射阶段,在该阶段中,探头将磁场注入整个被检测部件;短暂截止阶段,当磁场发射突然停止时,涡流进入部件;接收阶段,在该阶段中,磁性传感器测量涡流的衰减。涡流的衰减速率与被检测导电部件的厚度直接相关。PEC是一种非接触式电磁法,用于测定平均壁厚,能够在不移除管道和储罐上保温材料的情况下检测腐蚀缺陷。该技术不受隔热材料的限制,可以在工作温度超过450 ℃的情况下进行现场应用[20]。

脉冲涡流技术被广泛用于无损测试(NDT)和识别金属构件中的腐蚀状态,尤其是局部腐蚀和开裂[21]。当构件存在腐蚀缺陷时,通常会引起电导率和磁导率的变化,进而导致涡流和电流的变化,磁场的相位和振幅也会相应发生变化[21]。通过测量这些变化,可以确定构件中的腐蚀情况。脉冲涡流技术是一种非破坏性测试方法,具有高灵敏度和准确性,能够提供有关腐蚀缺陷位置、形状和程度的重要信息。Chen,等[22]研究了支撑金属网对脉冲涡流检测(PECT)探头足迹的影响以及用于CUI检测和评估的早期信号特征。研究发现,作为早期信号特征的峰值与腐蚀深度有很好的相关性。在绝缘材料中安装低碳钢网可以增大探头足迹,减弱拾取信号,降低峰值对腐蚀深度的变化率。巨磁阻(GMR)传感器具有非常低的频率噪声,可以最大化信噪比,并使用低激发频率。Bailey,等[23]研究了一种基于涡流的NDT方法,以表征隔热下管道的腐蚀,隔热是隔热管道基础设施的主要失效机制之一。将人工缺陷加工到管道表面以模拟腐蚀壁面损失的影响。研究表明,通过使用GMR传感器阵列和大电流(300 A),单正弦低频(5～200 Hz)绕管励磁方案,可以量化壁损耗缺陷而无需去除保温层或防风雨罩。使用有限元方法(FEM)和分析计算,对磁场分布和感应电流进行了分析,开发并应用了简单的算法,消除与缺陷无关的杂散测量场变化。研究发现这种方法非常适合测量类似于CUI缺陷的壁损缺陷。

脉冲涡流检测技术相比较传统的检测技术有以下优点:①脉冲涡流探头不受外覆盖层影响,能直接穿透保温铁皮及保温棉对压力管道进行检测;②对压力管道的体积型缺陷敏感,有较高的检测灵敏度;③检测速度快、检测效率高,可以实现快速全方位扫查,避免漏检[24]。

5 射线成像法

目前,用于CUI检测的辐射源主要是γ源。根据胶片或成像板与辐射源的相对位置不同,射线成像技术可以分为直接成像法和背散射法,如图3(a)所示[25]。在直接成像中,辐射源放在物体的一侧,胶卷或成像板放在另一侧。在背散射成像中,光源和底片或成像板都在同一侧。直接成像法是测量射线沿着直线路径穿过物体时的入射光束衰减程度。入射光束在待测物体中部分被吸收和散射,剩余的透射辐射会沿直线到达检测器。衰减程度与物体中各相的原子数和密度分布相关。在射线沿直线传播过程中,由于康普顿散射的影响,部分射线会散射回来。背散射法则是利用散射辐射的成像技术。管道输送液体时,辐射衰减较少,这使得背散射法适用于大型管道的成像。然而,直接成像法所提供的图像信息是管壁两侧腐蚀信息的叠加,数据解读困难。因此,背散射法更适合于CUI检测。

图3 射线成像法用于CUI检测

Sipaun,等[26]提出了一种使用伽马射线透射测量和计算机断层扫描(CT)来检测和定位管道发生CUI区域的筛选和扫描方法。通过筛选获得沿管道长度的准直伽马射线的间隔测量值,扫描获得调查区域的横截面图像。该技术被证明是确定2.5 mm厚度的壁损失和侵蚀区域的有效方法。熊亮,等[3]开发了一套基于γ射线数字扫描检测技术(GSDT)的保温层下管道腐蚀在线监测系统(图3(b)),可实现对保温层下腐蚀管道残余壁厚的在线监测,并通过对保温层下腐蚀管道的检测试验和t分布分析法,验证了腐蚀监测系统的检测精度。结果表明,保温层和高密度介质不影响管壁厚的测量结果,系统测量误差平均值约0.20 mm,方差0.09 mm2,误差范围满足CUI在线监测需求。Abdullah,等[27]报道了一种基于双束伽玛射线吸收技术,采用碲化镉锌(CdZnTe)半导体探测器的新系统。该系统可以用来检测腐蚀,而不需要去除绝缘材料,是一种安全、快速、有效的管道检测方法。

射线成像技术具有结果直观可靠的优点,属于一种商业化成熟的无损检测技术。这种检测方式不需要拆除保温层,避免了拆除保温层造成的经济损失,同时可定量地检测管道腐蚀缺陷情况。

6 其他检测方法

6.1 电容成像法

通过具有共面电极的电容成像(CI)传感器对结构进行扫描,将电性能分布绘制成图像,并根据电性能的变化判断是否发生CUI。相比其他方法,CI对构件表面CUI特征更加敏感,并且不存在最大提离高度的限制,因此更适用于具有较厚保温层的CUI监测。此外,CI还能够反映保温层内部的缺陷信息。目前,CI已经成功应用于输油管道、复合抽油杆和储罐腐蚀缺陷的检测[28,29]。Li,等[30]在分析测量灵敏度分布的基础上,采用二维反褶积方法解决了由于“模糊效应”导致无法准确量化缺陷尺寸的问题,并讨论了CI技术在穿透深度、信号强度和成像分辨率之间的权衡,论证了提取特征真实形状的方法的可行性。Yin,等[31]提出了一种基于CI技术的剥离效应的腐蚀深度反演方法,该方法包括建立提升曲线、获取扫描曲线和进行拟合反演等3个步骤。在有限元模拟中,反演得到的深度误差率小于1.20%。这些研究为CI技术的进一步发展和应用提供了重要的指导和验证。使用CI实验系统和腐蚀深度反演方法进行CI实验以获取阶梯形试样的深度信息。结果表明,深度反演方法能够满足获取实际深度信息的需要,反演深度误差率小于10.00%。由于CI技术易于实施、成本低、坚固耐用、用途广泛且具有高水平的性能,被用于许多传统无损检测技术难以检测的材料/结构,包括混凝土、复合材料/结构、瓷砖。此外,从监测原理而言,该技术更适用于相比传感器尺寸更大的缺陷监测。

6.2 微波无损检测法

近年来,微波无损检测已成为一种很有前途的绝缘介质腐蚀检测技术。电磁频率(300 MHz～300 GHz)的电磁波可以深入穿透复合绝缘并与底层结构材料界面传播,对金属基板表面的厚度变化非常敏感。微波无损检测技术具有非接触式检测、不需要耦合器将信号传输到被测样品等优点[32],促进了对复合材料内部和表面缺陷检测的探索。在所有的微波无损检测技术中,矩形波导在CUI的检测中表现出较好的性能。矩形波导可以单独工作,也可以与其他组件协同工作。然而,不能对整个腐蚀区域的检测仍然是矩形波导的局限性。这是因为在微波无损检测技术中,研究人员关注的是提高传感器的质量,而缺乏应用于微波无损检测技术的软计算技术。可以通过软计算方法去除异常值,以提高检测CUI的准确性。信号处理和基于人工智能的机器学习等软计算方法可以解决信号中的噪声和信号的复杂性。因此,软计算技术可以与微波无损检测技术相结合,解决其局限性,取得良好的检测效果[33-35]。

7 结语与展望

通过对保温层下腐蚀检测技术的研究进展进行概述,可以看到这个领域取得了显著的进展。不断发展和改进的技术为石化行业设施安全和运行提供了关键保障。从传统的无损检测方法到新兴的先进技术,这些创新和应用的出现提高了腐蚀检测的精确性和效率。然而,仍然存在一些挑战和机遇需要进一步探索和解决。在未来,可以预期保温层下腐蚀检测技术将继续发展和演进。

a) 在传感技术方面,新型传感器技术的发展将为腐蚀检测提供更准确、灵敏和实时的解决方案。例如,基于纳米材料或生物传感器的技术将提供更高的灵敏度和选择性。

b) 在数据分析和人工智能方面,随着大数据和人工智能的发展,利用数据分析和机器学习算法可以更好地处理和解释腐蚀检测数据,实现更智能化的检测和预测。

c) 在非侵入式检测技术方面,发展非侵入式或远程检测技术,如使用机器人、遥感或无人机等,可以对设施或管线实现高效、安全和准确的CUI监测。

d) 在腐蚀预防与保护方面,除了检测,腐蚀预防和保护措施也是至关重要的。在未来,应继续研究和开发新的防腐材料、防腐涂层和防腐措施,以降低腐蚀风险并延长设施寿命。

总之,保温层下腐蚀检测技术的研究为解决石化行业中的腐蚀问题提供了希望。未来的发展将依靠持续的创新和合作,以确保设施的安全性、可靠性和可持续运行。