海上平臺(tái)保溫管線腐蝕控制技術(shù)研究

呂廣磊，武國(guó)營(yíng)，單廣斌，苑世寧，孫玉江，謝 哲

(1.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津塘沽 300270 2.中國(guó)石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

1 保溫層下腐蝕研究概況

保溫層下腐蝕(Corrosion Under Insulation，簡(jiǎn)稱CUI)是指發(fā)生在包裹保溫材料的管道或設(shè)備外表面上的一種腐蝕現(xiàn)象。石油化工行業(yè)中，由保溫層下的腐蝕造成的損失巨大[1]，嚴(yán)重的腐蝕還會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)廠的設(shè)備出現(xiàn)故障和裝置的非計(jì)劃停車，危險(xiǎn)有害因素的泄漏，還可能造成人身傷亡事故[2]。而在海洋環(huán)境下的管道保溫層尤其是LNG管道，由于所處的腐蝕環(huán)境更加惡劣，腐蝕問題比較突出，其腐蝕安全直接關(guān)系到管線的安全運(yùn)行[3]。

Bruce、呂曉亮等人[4,5]的研究表明，目前所使用的保溫層下的設(shè)備或管道，隨著時(shí)間的增加，發(fā)生CUI的概率也隨之增加，現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)也發(fā)現(xiàn)，保溫層內(nèi)積聚的冷凝水還會(huì)促進(jìn)設(shè)備或管道的腐蝕。Geary W.、Kane R.和Norsworthy R.[6-8]的研究表明，水是引起保溫層下腐蝕的關(guān)鍵因素，而海洋環(huán)境條件下的腐蝕介質(zhì)中所含的氯離子濃度更大，使得該環(huán)境下的腐蝕現(xiàn)象尤為突出。中國(guó)石化青島安全工程研究院發(fā)明的保溫層下涂層腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)裝置[9]，可針對(duì)具體的不同保溫層和涂層進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，模擬不同溫度和濕度交替變化條件下的涂層腐蝕情況。姜瑩潔等人[10]的研究表明，對(duì)保溫層下20號(hào)鋼腐蝕起主要作用的因素包括：腐蝕介質(zhì)濃度、環(huán)境內(nèi)氧含量和溫度，但溫度起主要作用，干濕交替環(huán)境下的腐蝕較冷熱交替和恒溫環(huán)境的腐蝕更為嚴(yán)重。

在預(yù)防保溫層下腐蝕的研究方面，國(guó)內(nèi)外主要集中在對(duì)保溫材料的設(shè)計(jì)、選擇及研制等方面[11,12]，還有帶保溫層缺陷的分析與檢測(cè)[13,14]等領(lǐng)域。在不拆保溫層的情況下對(duì)保溫層下腐蝕的檢測(cè)主要是采用脈沖渦流和X射線檢測(cè)的方法[15,16]，但該方法檢測(cè)的誤差較大，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)要求高等特點(diǎn)，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。

通過保溫層下腐蝕檢查，可以掌握設(shè)備、管線的腐蝕環(huán)境和外腐蝕情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理腐蝕嚴(yán)重或存在安全隱患的設(shè)備、管道，最大限度的降低外腐蝕帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，對(duì)腐蝕規(guī)律進(jìn)行綜合分析，可以掌握保溫層下腐蝕的趨勢(shì)與動(dòng)態(tài)，以判斷腐蝕控制技術(shù)措施的實(shí)施效果，為下一步腐蝕管理與防腐蝕技術(shù)的選擇提供支持。

2 腐蝕檢測(cè)技術(shù)

目前海上平臺(tái)采用X射線技術(shù)對(duì)保溫管線下的腐蝕進(jìn)行檢測(cè)，但該技術(shù)的缺點(diǎn)為：精度相對(duì)較低、效率低、成本高、不適合密排管線等，所以在海上平臺(tái)具有一定的局限性。

本文提出采用紅外熱像儀+γ射線對(duì)保溫管線進(jìn)行檢測(cè)，即：先通過紅外熱像儀對(duì)保溫管線進(jìn)行粗檢，根據(jù)溫度場(chǎng)的分布情況，初步確定腐蝕危險(xiǎn)等級(jí)，并對(duì)不可接收的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，然后采用伽瑪射線檢測(cè)儀器對(duì)標(biāo)記好的位置進(jìn)行精確的檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果評(píng)估保溫管線的危險(xiǎn)等級(jí)，進(jìn)一步制定詳細(xì)的解決方案。

2.1 紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用

紅外熱成像運(yùn)用光電技術(shù)檢測(cè)物體熱輻射的紅外線特定波段信號(hào)，將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供人類視覺分辨的圖像和圖形，并可以進(jìn)一步計(jì)算出溫度值。利用紅外熱像儀的這一原理，可以在不搭建腳手架的情況下對(duì)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)的保溫管線進(jìn)行掃描檢測(cè)，從而快速發(fā)現(xiàn)腐蝕薄弱環(huán)節(jié)。見圖1。

在利用紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)時(shí)對(duì)溫度差有要求，溫差越大效果越好，精度越高，而水是造成保溫管線外腐蝕的主要原因，相比于干燥的保溫層，其熱量會(huì)保留更久一些，所以，推薦在日落后的2～3 h內(nèi)對(duì)保溫管線進(jìn)行檢測(cè)[17]。

圖1 用紅外熱像儀初步判斷保溫層破損部位并標(biāo)記

2.2 γ射線技術(shù)應(yīng)用

γ射線檢測(cè)是利用γ射線的穿透性和直線性來(lái)檢測(cè)的方法。γ射線檢測(cè)可用于各類保溫層下腐蝕情況測(cè)厚及診斷分析。γ射線與照相底片結(jié)合可使底片感光，也可用特殊的接收器來(lái)接收。但被檢測(cè)物質(zhì)的密度對(duì)射線檢測(cè)效果的影響比較大，當(dāng)射線穿過密度較大的物體后射線的強(qiáng)度便會(huì)降低，利用照相底片所接受的感光量較小，利用儀器接受的信號(hào)就較弱，檢測(cè)的精度隨之也會(huì)降低[18]。見圖2。

圖2 保溫管線伽瑪射線檢測(cè)

粗掃包覆管細(xì)掃內(nèi)鋼管檢測(cè)過程分兩步：第一步為粗掃，目的是確定包覆管及內(nèi)鋼管的位置分布情況；第二步為精確確認(rèn)壁厚信息。其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)過程不受溫度的限制，精度可達(dá)0.2 mm，放射劑量小，安全距離小于1 m。

3 光纖在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)不僅具有普通溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)，還具有對(duì)光纖沿線各點(diǎn)溫度的分布式監(jiān)測(cè)能力，光纖既是傳輸信息的導(dǎo)體，又是分布式測(cè)溫的傳感器。它能夠連續(xù)測(cè)量光纖沿線所在處的溫度，最大測(cè)量距離超過20 km，每個(gè)連續(xù)測(cè)溫分段和空間定位精度均達(dá)到400 mm的高分辨率，特別適用于需要大范圍、連續(xù)式溫度測(cè)量的場(chǎng)合。

3.2 工作原理

分布式光纖管道泄漏監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，是一套以分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)為核心的自動(dòng)“測(cè)控”系統(tǒng)，運(yùn)用了現(xiàn)代光通信、光傳感、自動(dòng)測(cè)量及控制、計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)以及相關(guān)的專用分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)組成的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)體系，可對(duì)管道泄漏進(jìn)行實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)預(yù)警，真正實(shí)現(xiàn)預(yù)防為主、防患未然。系統(tǒng)采用先進(jìn)的拉曼光時(shí)域光纖測(cè)溫技術(shù)，其具有定位精確，測(cè)量精度高，測(cè)溫精度不受光纜應(yīng)力變形影響等特點(diǎn)。

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)是依據(jù)后向拉曼(Raman)散射效應(yīng)：激光脈沖與光纖分子相互作用，發(fā)生散射，散射有多種，其中拉曼散射是由于光纖分子的熱振動(dòng)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比光源波長(zhǎng)長(zhǎng)的斯托克斯光(Stokes)和一個(gè)比光源波長(zhǎng)短的反斯托克斯光(Anti-Stokes)，反斯托克斯光信號(hào)的強(qiáng)度與溫度有關(guān)，斯托克斯光信號(hào)與溫度無(wú)關(guān)。從光波導(dǎo)內(nèi)任何一點(diǎn)的反斯托克斯光信號(hào)和斯托克斯光信號(hào)強(qiáng)度的比例中，可以得到該點(diǎn)的溫度。利用光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)通過光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時(shí)間對(duì)這些熱點(diǎn)進(jìn)行定位。利用這一原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)沿光纖溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量。見圖3。

圖3 分布式光纖測(cè)溫原理

由于分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)溫元件和信號(hào)傳輸線全部為光纖，所以現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需供電，不受電磁干擾和雷擊損壞，本安防爆，性能可靠，使用壽命超過20年以上。

3.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)傳感器相比較，該技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)，主要包括：①連續(xù)分布式測(cè)量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；②抗電磁干擾，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)電檢測(cè)；③本征防雷，可抵抗高電壓和高電流的沖擊；④測(cè)量距離遠(yuǎn)，適于遠(yuǎn)程監(jiān)控；⑤靈敏度高，測(cè)量精度高；⑥壽命長(zhǎng)、成本低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單。

4 腐蝕防護(hù)技術(shù)

本文提出采用光固化纖維增強(qiáng)復(fù)合片材替代原保溫管線的鋁皮，該材料的優(yōu)點(diǎn)為：本身強(qiáng)度較大，可以避免因踩踏、撞擊等造成的外保護(hù)層破壞，從而減少因外保護(hù)層破損導(dǎo)致的腐蝕；接縫處采用密封結(jié)構(gòu)，很好的將保溫層與外界隔離，從而避免因溫差及濕度差造成的保溫棉吸水及蒸汽造成的腐蝕。

4.1 光固化纖維增強(qiáng)復(fù)合片材

片材厚度≧0.8 mm，重量1.4 kg/m2，片材兩面分別由上下兩層透明塑料薄膜包覆，使用時(shí)下層(粘貼面)薄膜不揭下來(lái)，將片材連同上層薄膜直接粘貼、纏繞、包裹在待防護(hù)保溫層上并壓緊(可使用工具滾壓)，也可預(yù)制成型后現(xiàn)場(chǎng)直接固定，方便、快捷。

4.2 片材施工

4.2.1片材纏繞

搭接時(shí)揭開上層薄膜，將片材搭接在一起，蓋回揭開的上層薄膜并壓緊(可使用工具滾壓)，粘貼時(shí)注意不能直接踩踏在片材上，以免破壞片材，部分特殊區(qū)域，為了防止位移、提供張力而減少片材皺褶及固化收縮，建議采用透明膠帶固定。搭接處截面圓弧平滑過渡，搭接寬度不得少于50 mm。盡量錯(cuò)開相鄰段間搭接口，使其不在同一直線上，以防止多重搭接。

4.2.2片材固化

片材可在陽(yáng)光或紫外燈照射下快速固化成型，固化時(shí)保留上層透明薄膜將使固化后片材表面更為光滑、堅(jiān)硬、致密和美觀。一般固化時(shí)間為5～20 min，也可通過不同程度的遮光措施延長(zhǎng)固化時(shí)間。

室外施工時(shí)，需待陽(yáng)光較弱或采取搭棚遮光方式，以免因固化太快，施工難以進(jìn)行；在無(wú)陽(yáng)光照射的場(chǎng)合處使用時(shí)，必須配備高壓紫外燈或相應(yīng)的短波長(zhǎng)燈具。為了美觀，可在固化前使用模具擠壓或在片材固化后涂刷各種合適的色彩涂料。

多層片材粘貼可能會(huì)因厚度太大，紫外線難以穿透而造成底層片材固化不良，建議適當(dāng)延長(zhǎng)固化時(shí)間。使用飛利浦HPA-400S燈組固化時(shí)，照射距離約20～40 cm，單層片材區(qū)域固化時(shí)間約5～10 min，雙層區(qū)域固化15～20 min，三層區(qū)域固化25～30 min，并適當(dāng)縮短照射距離，四層或以上(包括多層搭接處)須分層固化。

4.2.3分段施工/防護(hù)層補(bǔ)口

分段施工或管道補(bǔ)口時(shí)，為防止上一段片材因已固化而導(dǎo)致與下一段片材搭接不良或致密性不足，可于上一段片材的末端用鍍鋁薄膜或黑色膠帶等不透光材質(zhì)遮蓋，以防止其固化，待下一段片材施工時(shí)再揭開。

4.2.4施工條件

a)溫度5～40 ℃，且基材表面溫度高于露點(diǎn)3 ℃以上，相對(duì)濕度85%以下。

b)潮濕表面、返潮天氣、大風(fēng)天、現(xiàn)場(chǎng)灰塵過大時(shí)禁止涂裝作業(yè)。

c)良好的通風(fēng)、照明、配電及安全防護(hù)條件，嚴(yán)禁煙火。

5 結(jié)論

紅外熱像技術(shù)+γ射線測(cè)厚技術(shù)是一種新型保溫層下腐蝕不拆保溫檢測(cè)的組合技術(shù)，較其他不拆保溫檢測(cè)技術(shù)具有精度高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于不同溫度、不同直徑范圍內(nèi)管道的檢測(cè)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)包覆層工藝管道的腐蝕管理、降低包覆層工藝管道的風(fēng)險(xiǎn)及檢維修費(fèi)用和提供維修決策至關(guān)重要；光纖在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可很好的對(duì)保溫管線下腐蝕進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握其腐蝕規(guī)律；光固化纖維增強(qiáng)復(fù)合片材具有強(qiáng)度大、耐撞擊、踩踏等優(yōu)點(diǎn)，可替代原外防護(hù)層。