氫通量檢測數(shù)據(jù)與腐蝕速率對應關(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)是典型的分析化學技術(shù)，是由氣體收集導管、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電性。此后傳感器可以把導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：

反應所產(chǎn)生的1pl氫氣相當于8.99×10-14g氫氣；

8.99×10-14g氫氣相當于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鐵原子相當于0.25×10-11g鐵的質(zhì)量；

0.25×10-11g鐵的質(zhì)量相當于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，相當于鐵的腐蝕速率為5×10-3mm/a=0.005mm/a；

簡單數(shù)學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。