石油石化中的保溫與保溫層下腐蝕

官自超，秦美娟，王煥煥，夏 淵，張 耀，蔣益明

(1. 中海油常州涂料化工研究有限公司，江蘇 常州 213016；2. 復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系，上海 200082)

0 前 言

保溫材料一般是指導(dǎo)熱系數(shù)小于或等于0.2 W/(m·K)的一類(lèi)材料，被廣泛應(yīng)用于建筑、化工、冶金、船舶、車(chē)輛、醫(yī)藥、輕紡、電器等行業(yè)和部門(mén)的各類(lèi)冷/熱介質(zhì)管道和容器，從而達(dá)到降低冷/熱損耗的效果。保溫材料主要有兩大應(yīng)用領(lǐng)域：建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱保溫和工業(yè)冷熱設(shè)備、窯爐、管道、交通工具的隔熱保溫[1]。預(yù)計(jì)2022年國(guó)內(nèi)隔熱保溫材料的市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)1 750億元[2, 3]。

石油石化作為最重要的能源行業(yè)，同時(shí)也需要消耗大量的能量，所以石油石化是節(jié)能減排工程重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域。在石油石化工業(yè)中存在大量的熱力管道及設(shè)備需要進(jìn)行保溫或保冷絕熱的保護(hù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，石油石化行業(yè)每年使用的各類(lèi)保溫保冷絕熱材料占全國(guó)保溫材料總消耗量的1/4，具有龐大的市場(chǎng)。合適的保溫材料的選擇和合理的保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效地阻隔管道/設(shè)備的冷或熱損失，顯著降低生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗和運(yùn)營(yíng)成本，減少環(huán)境污染，對(duì)企業(yè)有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益；同時(shí)，良好的保溫隔熱可以有效地防止人員在操作過(guò)程中被燙傷或凍傷，保障安全生產(chǎn)。

為了避免事故的發(fā)生，第一，可以對(duì)保溫層的狀態(tài)進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)/檢測(cè)，當(dāng)發(fā)生保溫結(jié)構(gòu)失效時(shí)，及時(shí)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)或者更換，減少因保溫結(jié)構(gòu)失效引起的管道/設(shè)備腐蝕失效。但是，由于石油石化現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜，監(jiān)測(cè)/檢測(cè)成本很高，再加上企業(yè)對(duì)該問(wèn)題不夠重視，保溫結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)/檢測(cè)往往不能很好地實(shí)施[4]。第二，可以在設(shè)計(jì)建設(shè)初期評(píng)估保溫結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況條件下的壽命(耐久性)，這樣既可以適當(dāng)減少監(jiān)測(cè)/檢測(cè)頻率，降低成本，又可以在達(dá)到保溫結(jié)構(gòu)壽命之前及時(shí)進(jìn)行維修或更換，減少事故的發(fā)生[5]。然而國(guó)內(nèi)目前尚未形成保溫結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)估體系，現(xiàn)有的評(píng)估保溫結(jié)構(gòu)耐久性的試驗(yàn)方法和技術(shù)指標(biāo)尚不完善。第三，采取必要手段預(yù)防和控制保溫層下腐蝕，同時(shí)密切監(jiān)測(cè)因保溫層失效而導(dǎo)致的保溫層下腐蝕(Corrosion Under Insulation, CUI)的發(fā)生，減少事故的發(fā)生率和因腐蝕而導(dǎo)致的損失。

1 保溫層失效

在石油石化行業(yè)中，保溫結(jié)構(gòu)失效普遍存在。一旦保溫結(jié)構(gòu)受損或失效，一方面，會(huì)導(dǎo)致熱能或冷能損失，造成能源的浪費(fèi)，影響生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)墓に嚵鞒蹋蛊髽I(yè)的生產(chǎn)成本顯著提高[6-8]；另一方面，將允許水分進(jìn)入保溫系統(tǒng)，引發(fā)難以檢測(cè)的保溫層下腐蝕，最終導(dǎo)致被保護(hù)的管道/設(shè)備因發(fā)生腐蝕而引發(fā)安全事故，導(dǎo)致停工停產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境污染，甚至人員傷亡[9, 10]。

在石油石化行業(yè)中常見(jiàn)的保溫結(jié)構(gòu)如圖1所示，保溫結(jié)構(gòu)不僅包括保溫層，還包括其配套的防腐層和外保護(hù)層。

一個(gè)完整的保溫結(jié)構(gòu)應(yīng)該能夠有效地達(dá)到保溫隔熱的效果，而且能夠防止保溫層下腐蝕的發(fā)生。但是，保溫結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、建造、使用、維護(hù)的過(guò)程中其完整性常會(huì)被損傷，這些損傷有可能是自然因素，但更多的是人為因素造成的。影響保溫結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素包括以下幾個(gè)部分：

(1)外防護(hù)層的影響 外保護(hù)層分為金屬和非金屬兩種，其中金屬防護(hù)層有鋼卷上鍍鋁、鍍鋁鋅，以及鋁和不銹鋼等具有防護(hù)作用的薄板，非金屬防護(hù)層有玻璃纖維增強(qiáng)塑料、熱塑性塑料和聚合物等。由于金屬防護(hù)層抵抗外界機(jī)械損傷的能力弱，故必須通過(guò)增加厚度來(lái)提高抵抗力和抗腐蝕性能；而非金屬防護(hù)層具有良好的密封性能和更低的成本，但其熔點(diǎn)低且抗機(jī)械損傷能力也比較弱[11]。國(guó)內(nèi)外都很重視對(duì)防護(hù)層的研究和開(kāi)發(fā)，特別是對(duì)非金屬防護(hù)層。例如聚乙烯材料，用聚乙烯防護(hù)層作為外保護(hù)層，以硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料作為保溫層的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為“雙脂保溫結(jié)構(gòu)”，具有防水防腐性能優(yōu)異、熱損耗低、使用壽命長(zhǎng)、施工維保簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是石油石化、軍工、冶金、市政等工業(yè)輸送管道理想的保溫結(jié)構(gòu)；有機(jī)硅憎水劑，是一種高分子聚合物，具有優(yōu)異的防潮、憎水、耐溫、耐老化、電絕緣、阻燃等特點(diǎn)，并且易加工，用量少，一般用作無(wú)機(jī)保溫材料的防水層；聚氨酯防護(hù)層，一般用于PVC泡沫塑料保溫管道，這種防護(hù)層與保溫層之間的粘結(jié)力非常高，而且具有很好的耐磨性；氯丁橡膠，是國(guó)外使用量最多的橡膠類(lèi)防護(hù)層，它既可以作為鋼管的防腐層，也可以作為保溫結(jié)構(gòu)的防護(hù)層，一般用于PVC保溫管道。

(2)保溫材料的影響 合理使用和安裝保溫材料不僅能夠提高熱能利用率、節(jié)約能源，還可有效提高對(duì) CUI 的防護(hù)效率。保溫材料可分為疏水性材料和吸水性材料。吸水性材料能夠長(zhǎng)期貯存水分，可加速 CUI 速率。而疏水性材料貯水性能較弱，易于干燥，因而可抑制 CUI 速率。但疏水性材料的實(shí)際工程應(yīng)用很少，一方面是由于其價(jià)格較高，另一方面是缺少不同保溫材料間系統(tǒng)的對(duì)比數(shù)據(jù)。此外，保溫棉層中的污染物會(huì)隨水分的滲入而逐漸溶解，使腐蝕介質(zhì)濃度增加，進(jìn)而促進(jìn)金屬基體的腐蝕加速[12, 13]。目前在石油石化行業(yè)中常用的絕熱保溫材料主要有巖棉、玻璃棉、珍珠巖、硅酸鈣等，這些材料被廣泛應(yīng)用，但是各自都存在一定的問(wèn)題，如憎水性差、導(dǎo)致保溫層下腐蝕、易老化、結(jié)構(gòu)性差等。

(3)防腐層的影響 金屬表面防腐層是目前預(yù)防CUI較為有效的措施，不僅能夠隔絕潮濕腐蝕環(huán)境與熱力管道/設(shè)備金屬表面直接接觸，也能在一定程度上預(yù)防金屬基體發(fā)生腐蝕。目前，應(yīng)用最為廣泛的防腐層策略是在保溫結(jié)構(gòu)與熱力管道/設(shè)備金屬表面之間設(shè)置防腐涂層。熱力管道/設(shè)備表面使用的防護(hù)涂料應(yīng)滿(mǎn)足具有防腐蝕性、耐高溫性、耐低溫性、耐受冷熱循環(huán)性能以及防腐黏結(jié)性能良好等要求。如果選擇的涂料不能滿(mǎn)足上述要求，則涂裝后容易發(fā)生開(kāi)裂、起泡或化學(xué)降解，使得從外界通過(guò)保溫層滲入的水分可以接觸到管道/設(shè)備基體，從而誘發(fā)基體發(fā)生腐蝕。因此，在選擇防護(hù)涂料時(shí)，應(yīng)綜合考慮實(shí)際的工況條件，如最高/最低運(yùn)行溫度、運(yùn)行時(shí)間及涂料自身性能特點(diǎn)等[14]。環(huán)氧涂料是應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)有機(jī)涂料，環(huán)氧樹(shù)脂的最高服役溫度為230 ℃，最佳操作溫度為149 ℃，通過(guò)質(zhì)量控制，環(huán)氧涂層可以在常規(guī)檢查及維護(hù)前使用9～13 a；環(huán)氧酚醛涂料防腐蝕性能優(yōu)異，可用于150 ℃以下的工況，有良好的耐酸性、耐水性和抗?jié)B透性能，但涂層厚度以及噴涂工藝要求嚴(yán)格。貝爾佐納(Belzona)5841和貝爾佐納(Belzona)5851(熱激活阻隔涂層)是適用于修復(fù)和保護(hù)管道與容器免受保溫層下腐蝕的環(huán)氧涂層和修復(fù)復(fù)合材料，具有熱激活固化、高黏附力、耐化學(xué)性和耐熱性以及極佳的防腐性能，適用于從室溫至 150 ℃表面溫度的設(shè)備。

(4)水分的影響 常溫下水的導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的25倍，保溫材料吸水后會(huì)膨脹，如存在結(jié)冰的情況時(shí)，保溫材料膨脹情況更為顯著。保溫層結(jié)構(gòu)在安裝或使用過(guò)程中被破損，造成外部環(huán)境中水分的滲入(如雨水、制冷設(shè)備滴濺的冷凝物、工業(yè)生產(chǎn)中蒸汽或液體溢出、常規(guī)雨淋裝置噴淋等)，使保溫材料受潮或變濕。另外，保溫層與被保溫設(shè)備及管道間表面或局部區(qū)域存在溫度差(尤其是在冷熱循環(huán)條件下)，當(dāng)溫度低于露點(diǎn)時(shí)，保溫層下會(huì)因冷凝效應(yīng)而形成冷凝水。吸水后的保溫材料不再具有設(shè)計(jì)的保溫效果，同時(shí)加速了CUI[15]。

(5)超限服役的影響 保溫材料應(yīng)該應(yīng)用在合適的條件下，而且有一定的壽命，如果保溫材料在不合適的條件或者超限服役，CUI風(fēng)險(xiǎn)則會(huì)極大增加。如在使用溫度≥400 ℃條件下，巖棉、玻璃棉類(lèi)材料粘接劑降解失效，材料可壓縮性下降，并逐漸碎化開(kāi)裂，導(dǎo)致保溫結(jié)構(gòu)失效；在使用年限≥10 a的條件下，聚氨酯材料由于持續(xù)微量的水汽滲透，內(nèi)部損傷積累較多，形成散熱點(diǎn)，且修補(bǔ)困難；超限服役的保溫材料，保溫性能下降，溶解性腐蝕性離子大量增加，更易于引發(fā)CUI。

(6)工況位置的影響 工況環(huán)境也是影響保溫結(jié)構(gòu)耐久性的一個(gè)重要因素。在石油石化行業(yè)中存在大量需要進(jìn)行保溫的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可能位于廠區(qū)的各個(gè)位置。調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中容易發(fā)生保溫結(jié)構(gòu)失效的工況主要包括：①長(zhǎng)期排放蒸汽的裝置周邊；②潮濕氣體、酸性氣體的入口；③存在液體溢、濺的區(qū)域；④容易遭受沖擊、撞擊、擠壓等人為損傷的部位；⑤主管與支管的連接處；⑥直立管道的下端；⑦異形結(jié)構(gòu)處，如閥門(mén)、法蘭、螺栓等；⑧長(zhǎng)期處于溫度交變區(qū)域的管道/設(shè)備。濕氣和雨水容易侵入處于這些工況條件的保溫結(jié)構(gòu)，造成CUI，導(dǎo)致保溫結(jié)構(gòu)的失效。

(7)設(shè)計(jì)與施工的影響 在設(shè)計(jì)過(guò)程中未充分考慮現(xiàn)場(chǎng)工況條件、未對(duì)易失效部位進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、保溫材料選擇不合適都是造成保溫結(jié)構(gòu)失效的原因。在施工過(guò)程中，未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行施工、關(guān)鍵部位處理不夠到位、接縫處密封不嚴(yán)、操作過(guò)程中造成外防護(hù)層破損、保溫結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中引入水分或濕氣等也都是造成保溫結(jié)構(gòu)失效的原因[16]。

2 評(píng)估保溫結(jié)構(gòu)耐久性的方法

保溫材料的性能對(duì)于保溫系統(tǒng)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是重要指標(biāo)，影響保溫系統(tǒng)保溫效果的另一個(gè)重要因素是保溫結(jié)構(gòu)的合理性，合理的保溫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不僅要能有效地提高保溫隔熱效果，減少能源損失，而且要具有很好的耐久性，減少用戶(hù)維修、更換保溫結(jié)構(gòu)的成本投入。目前關(guān)于保溫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也有一些標(biāo)準(zhǔn)，如：GB/T 8175-2008“設(shè)備及管道絕熱設(shè)計(jì)導(dǎo)則”、GB/T 4272-2008“設(shè)備及管道絕熱技術(shù)通則”、GB 50264-2013“工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范”、SH/T 3010-2013“石油化工設(shè)備和管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范”等。但是，即使是合理的保溫設(shè)計(jì)，在實(shí)際使用過(guò)程中受到自然或者人為因素的影響，保溫系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)失效現(xiàn)象，保溫結(jié)構(gòu)一旦破壞或損傷，將導(dǎo)致水分進(jìn)入保溫系統(tǒng)，使管道或設(shè)備發(fā)生CUI，從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。所以有必要對(duì)保溫結(jié)構(gòu)在特定使用環(huán)境中的使用壽命(耐久性)進(jìn)行評(píng)估，在保溫結(jié)構(gòu)達(dá)到使用壽命前，進(jìn)行必要的維護(hù)或更換，避免事故的發(fā)生。目前評(píng)價(jià)材料耐久性能的主要方法是自然和加速老化測(cè)試，然而通過(guò)將實(shí)驗(yàn)室的加速老化測(cè)試結(jié)果與材料的耐久性能進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)以預(yù)測(cè)材料的壽命，這顯然是非常困難的。所以研究者們一直致力于設(shè)置最佳加速老化測(cè)試條件來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)中材料所面臨的環(huán)境，試圖找出加速老化的測(cè)試評(píng)價(jià)因素與材料壽命之間的關(guān)系。如表1所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，研究人員已經(jīng)提出了多種加速老化測(cè)試和評(píng)價(jià)方法，用于預(yù)測(cè)材料的耐久性。

表1 加速老化測(cè)試方法

文獻(xiàn)調(diào)研顯示，通過(guò)鹽霧試驗(yàn)可以評(píng)估防腐層涂料的耐久性，但是針對(duì)保溫結(jié)構(gòu)耐久的評(píng)估目前并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或者公認(rèn)的技術(shù)，而且上述的一些保溫結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估技術(shù)主要是針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的保溫體系[24, 25, 28, 29]。而石油石化行業(yè)的保溫隔熱系統(tǒng)面臨的條件更加苛刻，保溫隔熱系統(tǒng)更加重要，所以建立保溫結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)價(jià)體系十分有必要[5, 30]。

3 CUI及其檢測(cè)與防護(hù)

3.1 CUI的相關(guān)進(jìn)展

保溫層下腐蝕是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題，對(duì)于CUI的研究至少超過(guò)了60 a，從第一個(gè)CUI相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布到現(xiàn)在也已經(jīng)將近50 a(ASTM C692-1971)。統(tǒng)計(jì)顯示，在石油化工行業(yè)中，超過(guò)60%的管道故障是由CUI引發(fā)的。每年全球由于CUI引發(fā)設(shè)備和管道發(fā)生故障導(dǎo)致的危險(xiǎn)產(chǎn)品泄漏、設(shè)備非正常停車(chē)甚至人員傷亡等一系列嚴(yán)重問(wèn)題所造成的損失高達(dá)數(shù)十億美元。碳鋼和低合金鋼的CUI以均勻腐蝕和點(diǎn)蝕為主，不銹鋼的CUI則多以應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和點(diǎn)蝕為主。最容易發(fā)生CUI的溫度范圍為-4～175 ℃，在水沸點(diǎn)以下，溫度每升高15～20 ℃，CUI速率就會(huì)加倍，而處于溫度周期性交變的環(huán)境下，CUI更容易發(fā)生[15]。

Burhani[31]和Norsworthy[32]等的研究認(rèn)為水分的滲入是導(dǎo)致CUI發(fā)生的最本質(zhì)原因；Frank[33]則認(rèn)為，CUI的速率取決于溫差，特別是保溫層與金屬基體之間的溫度差異；在不斷的熱循環(huán)情況下，滲入保溫層結(jié)構(gòu)中的水分不斷的聚集和蒸發(fā)濃縮，水中電解質(zhì)的濃度越來(lái)越高，導(dǎo)致腐蝕速率不斷增大。目前公認(rèn)的CUI發(fā)生的最根本原因是保溫結(jié)構(gòu)失效或系統(tǒng)泄漏導(dǎo)致的水分滲入，使得保溫材料潮濕，保溫層內(nèi)外溫差使得水氣在金屬的表面冷凝，形成局部的液體聚集；同時(shí)，雨水中所含的電解質(zhì)或者保溫材料中的可溶出物質(zhì)會(huì)進(jìn)入聚集的液體中，形成電解質(zhì)溶液，造成腐蝕，而且在此過(guò)程中，電解質(zhì)溶液不斷濃縮，導(dǎo)致腐蝕加劇[15]。

從CUI的基本原理可以看出，影響CUI的因素有很多，包括：保溫材料、保溫結(jié)構(gòu)、設(shè)備材質(zhì)、大氣成分和管道/設(shè)備防護(hù)層等[34, 35]，其具體的影響歸納在表2中。

表2 影響保溫層下腐蝕的主要因素

由于CUI的普遍性和高危害性，CUI引起研究者特別是石油石化行業(yè)的科研人員的廣泛關(guān)注，基于大量的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和研究，制定了一系列的CUI相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，例如1985年頒布的ASTM STP880“Corrosion of Metal Under Thermal Insulation”；1998年NACE出版的NACE RP0198-1998“The Control of Corrosion Under Thermal Insulation and Fire - Proofing Materials - A Systems Approach”(2004年、2010年、2016年3次修訂，最新版為NACE RP0198-2016)；2007年頒布了ASTM G189-07 “Standard Guide for Laboratory Simulation of Corrosion Under Insulation”(2013年修訂)；2008年歐洲腐蝕聯(lián)盟發(fā)布了CUI指南“Corrosion - Under - Insulation (CUI) Guidelines”；2014年美國(guó)石油學(xué)會(huì)頒布了API RP583-2014“Corrosion Under Insulation and Fireproofing”，這些文件對(duì)CUI研究進(jìn)展進(jìn)行了全面而深入的介紹，同時(shí)也對(duì)CUI防護(hù)制定了執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，具有非常高的實(shí)用價(jià)值。

3.2 CUI防護(hù)

3.2.1 檢 測(cè)

由于保溫結(jié)構(gòu)的存在，使得CUI隱蔽性強(qiáng)、難以檢測(cè)，容易引起突發(fā)的嚴(yán)重泄漏事故[41]。無(wú)論是對(duì)于保溫結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)估，還是管道或設(shè)備的運(yùn)行，CUI監(jiān)/檢測(cè)都是必須的。CUI檢測(cè)最有效也最直觀的方法是通過(guò)目視檢查進(jìn)行確認(rèn)，拆除保溫層進(jìn)行檢查不僅可以檢測(cè)CUI，還可以檢測(cè)保溫結(jié)構(gòu)的完整性，但是這一過(guò)程涉及到大量成本和維修的工作，存在明顯的缺陷。所以現(xiàn)在越來(lái)越多的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)開(kāi)始在CUI檢測(cè)和預(yù)防方面發(fā)揮了巨大作用，如紅外熱成像技術(shù)、脈沖渦流技術(shù)、超聲導(dǎo)波技術(shù)、射線照相檢測(cè)技術(shù)等[42-45]。表3歸納對(duì)比了一些常用CUI監(jiān)/檢測(cè)技術(shù)。

表3 保溫層下腐蝕監(jiān)/檢測(cè)技術(shù)對(duì)比

這些無(wú)損技術(shù)有著各自的應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也都存在一定的局限性。針對(duì)具體的應(yīng)用，需要更加仔細(xì)地判斷和分析以選擇最合適的技術(shù)或技術(shù)組合。比如，首先要考慮安全性，然后是檢測(cè)設(shè)備的最佳位置和便攜性，以及盡量減少設(shè)備的數(shù)量和人力需求，而歸根結(jié)底檢測(cè)質(zhì)量才是最為關(guān)鍵的考慮因素[57]。所以，針對(duì)石油石化保溫結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估和現(xiàn)場(chǎng)CUI檢測(cè)需開(kāi)發(fā)一套無(wú)損的、直觀的、有效的檢測(cè)技術(shù)，以便更好地服務(wù)于石油石化保溫行業(yè)的發(fā)展。同時(shí)對(duì)于發(fā)生的CUI也需要一套有效的修復(fù)技術(shù)以及預(yù)防方案。

3.2.2 防 護(hù)

CUI的防護(hù)涉及到保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的整個(gè)周期，主要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、材料選擇、防護(hù)涂層、防腐涂層和保溫層下腐蝕檢測(cè)等幾個(gè)方面[58]。

(1)合理優(yōu)化結(jié)構(gòu) 合理的保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于CUI的防護(hù)至關(guān)重要，為了將防護(hù)的關(guān)口前移，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該充分考慮如何有效地避免CUI的發(fā)生。保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則是盡可能地避免水分、濕氣和電解質(zhì)在結(jié)構(gòu)中的滯留或者穿透保溫層。外防護(hù)層的存在可以有效地阻擋雨水和其他水分進(jìn)入保溫結(jié)構(gòu)，目前采用最多的外防護(hù)層材料為鋁箔、鋁皮保護(hù)層、鍍鋅鐵皮保護(hù)層、不銹鋼薄板保護(hù)層等。設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意外防護(hù)層接口處的密封問(wèn)題(如玻璃膠封口的結(jié)構(gòu)比老式的硅酸鋁毯防水效果更好)以及外防護(hù)層在一些特殊部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。比如槽型保溫支架、設(shè)備支撐管托支架、閥門(mén)、彎頭、支管、泵、儀表伴熱管線等，這些特殊結(jié)構(gòu)處使得保溫結(jié)構(gòu)不連續(xù)，為水分、水氣的滲透提供了路徑，另外這些結(jié)構(gòu)處也容易造成水氣、水分的聚積[59]。另外，保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)部的防腐涂層也是防止CUI發(fā)生的有效途徑，防腐涂層能夠有效地阻止進(jìn)入保溫結(jié)構(gòu)的水分、電解質(zhì)與金屬表面接觸，減緩腐蝕的發(fā)生。為了有效地防止CUI的發(fā)生，挪威的Benarx公司設(shè)計(jì)了一種用于保溫管道的墊圈結(jié)構(gòu)(Benarx Preformed End Cap Gasket)，如圖2所示，這種非金屬的墊圈結(jié)構(gòu)是保溫管道防水的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，墊圈可以阻止水分的侵入和在保溫結(jié)構(gòu)中的遷移，可以根據(jù)管道測(cè)尺寸和保溫層的尺寸進(jìn)行定制，易于安裝和更換，不會(huì)割傷、損壞伴熱電纜，不會(huì)破壞保溫層下防腐涂層系統(tǒng)。

(2)正確選擇材料 實(shí)踐表明，現(xiàn)有的任何保溫材料都有可能會(huì)面臨腐蝕的問(wèn)題，通過(guò)正確合理地選擇保溫材料可以有效地減緩腐蝕速率[11,12]。應(yīng)盡量避免選擇下列材料：①可能導(dǎo)致水分和腐蝕介質(zhì)滯留的保溫材料；②吸水能力強(qiáng)的保溫材料；③含有可溶出腐蝕性介質(zhì)的保溫材料；④不符合環(huán)保要求的材料，包括保溫結(jié)構(gòu)、粘結(jié)劑、密封劑、涂料。如氯的存在會(huì)導(dǎo)致外應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的發(fā)生，而氯存在保溫層中幾乎所有的部位，經(jīng)驗(yàn)顯示，發(fā)生外應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的位置保溫層中氯含量?jī)H為350 mg/L，而在保溫結(jié)構(gòu)中往往會(huì)發(fā)生電解質(zhì)的不斷濃縮，氯濃度隨著使用年限的延長(zhǎng)而不斷升高。所以必須嚴(yán)格控制保溫材料中的氯含量。目前新型的保溫材料如膨脹?；⒅椴牧?、硅酸鋁保溫材料、酚醛泡沫保溫材料、氣凝膠氈、氣凝膠保溫涂料等具有導(dǎo)熱系數(shù)低、密度小、柔韌性高、防火防水等特性。硅酸鋁復(fù)合保溫涂料以天然纖維為主要原料，是一種新型的綠色保溫材料，具有很好的吸水阻燃性能，是目前安全系數(shù)最高、綜合性能和施工性能最理想的保溫涂料；酚醛泡沫保溫材料，在航天航空、國(guó)防軍工、民用飛機(jī)、船舶、車(chē)站、油井等防火要求嚴(yán)格的場(chǎng)所廣泛使用；氣凝膠，是目前導(dǎo)熱系數(shù)最低的固體材料，材料無(wú)毒無(wú)有害成分，環(huán)保性好，完全符合現(xiàn)代發(fā)展理念，其作為新型節(jié)能環(huán)保的隔熱保溫材料在航天、航空、建筑、石化等工業(yè)領(lǐng)域已得到應(yīng)用。

(3)有效施加防腐涂層 合適的防腐涂層才能有效地防止CUI的發(fā)生。所以CUI防護(hù)的首要關(guān)鍵問(wèn)題在于保溫(保冷)施工前，應(yīng)為管道或設(shè)備做好防腐涂層或者對(duì)金屬表面做好表面改性處理。對(duì)于保溫結(jié)構(gòu)中的防腐涂層的要求比較高，必須具有防腐性能、抗氧化性、耐熱以及良好的冷熱循環(huán)性能，抗水蒸氣和腐蝕介質(zhì)滲透，在高溫下不分解，能承受應(yīng)力膨脹和收縮，低表面處理程度下快捷高效施工，與基體有良好的結(jié)合性等。保溫結(jié)構(gòu)涉及的涂層體系主要包括有機(jī)涂層、熱噴鋁涂層、冷噴鋁涂層、納米涂層等。如前文所述，傳統(tǒng)有機(jī)涂層可能會(huì)因涂層過(guò)早破裂而導(dǎo)致嚴(yán)重的CUI發(fā)生。熱噴鋁涂層的防護(hù)性能比傳統(tǒng)有機(jī)涂層優(yōu)越，實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，熱噴鋁涂層在保溫層下設(shè)備表層服役壽命可達(dá)20～30 a。熱噴鋁涂層最早由美國(guó)海軍從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究，但是發(fā)展較為緩慢，近年來(lái)隨著新型噴涂設(shè)備的面世，熱噴鋁涂層的成本大大降低，才使得其在石油石化行業(yè)得以應(yīng)用。冷噴涂鋁涂層就是利用冷噴涂技術(shù)，在溫度遠(yuǎn)低于鋁熔點(diǎn)下將鋁粉顆粒噴涂于基體表面，生成致密、無(wú)氧化物的金屬涂層。冷噴涂鋁涂層避免了熱噴鋁涂層在高溫噴涂過(guò)程中涂層顆粒發(fā)生氧化的缺陷，具有更加優(yōu)異的防護(hù)性能。納米涂層是新近開(kāi)發(fā)的涂層體系，通過(guò)納米技術(shù)，使材料在納米尺度上收縮，在基體表面形成致密的保護(hù)層，其具有優(yōu)異的保護(hù)性能，而且通過(guò)加入不同的納米粒子，如TiO2、ZnO、ZrO2、Mg - Al層狀雙金屬氫氧化物(LDH)等，可以很好地調(diào)控涂層的性能，在CUI防護(hù)方面有一定的應(yīng)用前景。

(4)及時(shí)檢測(cè)腐蝕 CUI具有很強(qiáng)的隱蔽性和一定的偶然性，為了避免CUI帶來(lái)嚴(yán)重的事故和損失，有必要對(duì)保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)[41, 60, 61]。大范圍拆除保溫層檢測(cè)的成本太高，所以主要采用一些無(wú)損檢測(cè)的方法進(jìn)行檢測(cè)。在實(shí)際檢測(cè)中，應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇合適的方法進(jìn)行，及時(shí)排除CUI的隱患。除了表3中羅列的保溫結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)外，近年來(lái)還有一些新的技術(shù)被應(yīng)用于保溫層下腐蝕檢測(cè)。例如，美國(guó)ALS油氣管道與設(shè)備完整性監(jiān)測(cè)公司和美國(guó)無(wú)人駕駛公司UAI合作推出以無(wú)人機(jī)成像技術(shù)為核心的保溫層下腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人工或常規(guī)儀器無(wú)法觸及的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。殼牌公司開(kāi)發(fā)了機(jī)器人系統(tǒng)，搭載無(wú)損檢測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)保溫層下腐蝕的檢測(cè)，機(jī)器人檢測(cè)可以有效地節(jié)約檢測(cè)成本，而且檢測(cè)更具針對(duì)性。還有人研究了利用獵犬敏銳的嗅覺(jué)來(lái)實(shí)現(xiàn)保溫層下的腐蝕。由于獵犬不被允許進(jìn)入煉油廠或能源加工廠，無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接檢測(cè)，研究人員還采用一種稱(chēng)為遠(yuǎn)程氣味追蹤(Remote smell tracking，RST)的技術(shù)(該技術(shù)最初是用來(lái)在雷區(qū)檢測(cè)地雷炸藥)，收集空氣中的揮發(fā)物(氣味)，然后通過(guò)獵犬來(lái)進(jìn)行分析。董俊華教授課題組就保溫層下腐蝕監(jiān)檢測(cè)無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)的建立做了大量的實(shí)驗(yàn)工作，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于ZigBee工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的保溫層下腐蝕監(jiān)檢測(cè)無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)金屬電位傳感器和PT100熱電阻溫度傳感器測(cè)量電位和溫度信息，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生CUI的時(shí)間及位置[61]。

4 總 結(jié)

保溫對(duì)于石油石化行業(yè)是必不可少的一部分，大量管道設(shè)施存在保溫結(jié)構(gòu)，由于各種因素，包括自然的和人為的因素都會(huì)造成保溫結(jié)構(gòu)的提前失效。保溫結(jié)構(gòu)失效會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和發(fā)生安全事故。通過(guò)總結(jié)引發(fā)造成保溫結(jié)構(gòu)失效的因素，尋找建立保溫結(jié)構(gòu)失效評(píng)價(jià)的方法和保溫結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估技術(shù)，可以減少保溫結(jié)構(gòu)失效的發(fā)生。另一方面，保溫結(jié)構(gòu)失效主要是通過(guò)保溫層下金屬腐蝕的形式來(lái)表征。本文總結(jié)了保溫層下腐蝕發(fā)生的影響因素、保溫層下腐蝕檢測(cè)技術(shù)和保溫層下腐蝕防護(hù)方法。面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)重的保溫層問(wèn)題，未來(lái)需要從多個(gè)角度入手。第一，大力開(kāi)發(fā)新型保溫材料，特別是保溫涂料，利用涂料的特點(diǎn)來(lái)防止或者減緩保溫層下金屬腐蝕的發(fā)生；第二，優(yōu)化保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)建立模型，對(duì)設(shè)計(jì)的保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以及評(píng)估保溫結(jié)構(gòu)的壽命，以主動(dòng)設(shè)計(jì)解決保溫層下腐蝕；第三，加強(qiáng)保溫層下腐蝕的監(jiān)檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)保溫層下腐蝕監(jiān)控實(shí)施的在線無(wú)損檢測(cè)至關(guān)重要。保溫層下腐蝕問(wèn)題的解決對(duì)于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和安全效益具有重要的意義。