海洋石油平臺的保溫層下腐蝕研究
2021-04-19 03:24:05
hualin
引 言
在海洋石油平臺中，出于工藝的需要，開采出來的石油只有在合適的溫度和壓力下，其流動性才能達到最合適的輸送狀態。因此大量的管道或設備均需要覆蓋保溫層。保溫層的作用不僅能夠減少工藝輸送的熱量損失、保持整個系統的操作溫度，同時也可以作為阻隔外界有害物質的屏障。
然而，管道或設備的保溫層往往在安裝、使用過程中，由于各種因素造成破損，在保溫材料和基體金屬間局部區域形成半密閉的腐蝕環境，這種環境比海洋大氣環境還惡劣，將造成保溫層下管道或設備發生嚴重的腐蝕。這類發生在保溫層下的腐蝕現象，學術界統稱為保溫層下腐蝕（corrosion under insulation，CUI）。研究表明，設備或管道的保溫層結構，在運行5~10 a后，60%均含有腐蝕性的冷凝水，將難以避免CUI發生。
由于外層鋁箔等包覆材料和保溫材料的存在，使CUI具有極強的隱蔽性。當發現CUI時，腐蝕已經相當嚴重了，甚至可引起突發性的泄漏事故。在石油化工領域，CUI導致了超過60%的泄露故障。全球因CUI引起的設備損壞，停產損失、人員傷亡等損失高達每年數十億美元。
不僅在石油石化領域被發現和研究，同樣在發電廠、核電站、無機化工、有機化工、煉化工廠等各種存在保溫的領域均有發現。目前學術界就CUI開展了針對性的研究，從傳統的石油天然氣工業領域，擴展到建筑科學工程，化學工程，核科學工程，燃料，電力，無機，金屬工藝等各個方面。CUI受到越來越多學者們的重視，這對我們認識CUI、保護被保溫設備設施的安全有著積極的作用。
CUI常用的檢測技術
由于保溫層的阻隔，需要將保溫層剝離才能準確檢測。維修完涂層或者設備基體后，必須重新制作保溫層。常用的檢測方法有目視檢測，超聲檢測，射線檢測和渦流檢測等，這些方法均無法在腐蝕發生的第一時間確認CUI。
1 目視檢測
目視檢查是確定碳鋼和低合金鋼上是否存在CUI的最基礎的方法，但是需要拆除保溫層系統。目視檢查可用于確定奧氏體不銹鋼上CUI是否存在。通常情況下，鋼材表面的腐蝕垢體積會不斷增加，通常比原始損失金屬的體積大10倍。然而，并非所有保溫層下腐蝕都能用目視判定，有些需通過金屬損失量的測量確定，甚至需要使用更精細的無損檢測技術。
2 超聲檢測
通常采用手動操作方法，可以安裝固定的監測點監測碳鋼和低合金鋼設備的內部腐蝕動態，定期進行多點厚度測量，相關數據也可用于確定CUI的發生。若在保溫層外使用超聲檢測，則需在保溫層外制作探測孔，用蓋子遮蔽該孔防水，這樣的測試僅限于在不易受CUI影響的適合區域使用，要獲得可靠的結果則需要測量多處。由于保溫層上切下的檢查孔將損害保溫層的完整性，如果修補不良，反而會增加CUI發生的概率。超聲檢測在任何情況下都不能確定奧氏體不銹鋼中的CI-ESCC。
3 射線檢測
對小部分管道進行射線曝光，通過和原始數據比較從而計算管道的剩余壁厚。曝光源通常為銥192（可檢測材料厚度12~63 mm）和鈷60（可檢測材料厚度50~150 mm）。鈷60一般無法用于海上。射線檢測是一種有效的評估方法，但當管道的公稱直徑﹥250 mm（10 in）時，采用射線檢測有一定局限，通常只能提供相對較小區域的驗證性檢測。有研究報道，在某些射線檢測條件下，可以檢測到裂紋，如應力腐蝕開裂等。
4 渦流檢測
脈沖渦流技術可以“在線”使用，它可以隔著保溫層測量鐵磁性材料的平均剩余壁厚。脈沖渦流技術的測量主要基于一種在導電材料中，受到可變磁場的作用，會產生渦流的現象進行測量。主要原理為：感應磁性的強度通常大于給定材料的本征磁性，通過感應線圈系統產生磁場，線圈放置在待測位置的保溫板表面上，在規定的時間內，直流電通過線圈，在管道或容器壁上形成穩定磁場，切斷電流后，磁場迅速降至零，這會在受檢材料內產生渦流。封閉磁場中渦流的持續時間與材料厚度直接相關，渦流的強度和可測量的持續時間取決于磁場的強度以及材料的導電性和磁導率。如果測量強度和持續時間確定，則可以計算出平均壁厚。脈沖渦流可用于幾何規整的管道或設備的表面，對于管嘴、焊縫等，由于幾何限制，無法使用渦流監測技術。
其他檢測技術還有紅外射線、數字成像、中子掃描等，不逐一展開介紹。
預防CUI措施
1 選擇合適的外防護層
保溫層的外防護層是防護CUI的首要屏障，一般認為外防護層可以保護設備或管道免受機械損傷，同時能夠阻擋惡劣環境中水等腐蝕介質。通常外防護層的選取只考慮經濟性、實用性、易于安裝和被保溫設備或管道的工況溫度等條件。
外防護層一般分為金屬和非金屬材料。金屬防護層具有一定的厚度，可以抵抗沖擊，抗腐蝕性能優異。常用的材料有鍍鋁鋼、鋁箔和不銹鋼板等。
非金屬防護層通常包括固化玻璃纖維增強塑料、熱塑性塑料和相關材料的聚合物等，相比金屬防護層，非金屬防護的可塑性使得其具有更好的密封性能，然而在面對更惡劣的工況時，非金屬的低熔點和較差的耐沖擊性使其應用受到不少限制。
外防護層很容易受到氣候變化、機械損傷、環境腐蝕等影響，因此，經常性地維護防護層是必不可少的。根據管道和設備實際情況，選擇可靠的外防護層，是保溫系統抵抗CUI能力不可或缺的條件之一。
2 選擇優異的保溫材料
保溫材料是包裹在管道或設備外的第二道屏障，是保溫系統必不可少的部分。設計合理的保溫材料，在正確安裝并提供充分的維護的情況下，能有效提高對CUI的防護效率。
根據對水分的保持程度，分為疏水保溫材料和親水保溫材料。疏水性保溫材料的原理通常分為自身疏水和加入化學添加劑疏水。通常使用的巖棉、硅酸鈣等均屬于親水性保溫材料。
研究發現，能有效抵抗CUI的保溫材料貯存水分最少并且干燥速率最快。在CUI容易發生的溫度范圍內 （-4~175℃），保溫材料越吸水，越會加速CUI；相反，當保溫材料不易吸水即疏水性材料時，能夠抑制CUI。針對疏水保溫材料的研究較少，同時疏水性材料價格較高，使得高效的疏水性保溫材料難以推廣，導致疏水性材料的應用并不廣泛。
目前已知的保溫材料均無法規避CUI的出現。究其原因，保溫材料的安裝均會與基體間形成環形空隙，加上設備和管道本身存在缺陷，導致腐蝕性介質容易存留，為水分的聚集提供場所，是引起CUI的關鍵。大量的工程案例表明，經過長期運行后，保溫材料內部和外界的污染物 （例如氯化物、硅酸鹽等）會不斷隨著水分的滲透而溶解，加上保溫材料本身逐漸老化，加劇了腐蝕的發生。基于此情況，應要求保溫材料中Cl-含量＜10 mg/kg（可浸出值），或者在保溫材料的制造過程中采取添加抑制劑、疏水劑等措施。通常添加的疏水材料對水分的貯存越低，干燥時間越短，發生CUI的風險也更低。
將保溫材料包裹在裸露碳鋼管外進行實驗室條件下的環境模擬，Williams等利用該模擬方法研究不同保溫材料的性能。結果表明，常用的玻璃棉保溫材料導致碳鋼發生CUI最嚴重，大量由管壁、玻璃棉保溫層形成的楔形空間留存有積水。玻璃棉材料本身具備的疏水性，反而使水分氣相和液相難以自然遷移，從而留存在易于存水的空間中。礦物棉保溫材料則在管線頂部發現了部分腐蝕，且其腐蝕表面風化嚴重，觸感潮濕，礦物棉纖維自身的吸水性能良好，頂部易于保存積水。與之相同的硅酸鈣保溫材料，大量的CUI腐蝕集中在管道底部，最終整體的吸水量為保溫材料的157%，這是由于過高的吸水性，水分由于重力自發聚集在管線底部引起的。
由上述分析可知，慎重選用能有效阻止水分滲入的保溫材料抵抗CUI能力最佳。
3 選擇高性能的防護涂層
高性能的有機涂層和熱噴鋁涂層已廣泛用于CUI的防護中。與通常的腐蝕環境不同，CUI的腐蝕環境更加惡劣，在抵抗CUI中使用的防護涂層應具備的特性有：優異的耐高溫降解性能、優秀的抵抗熱膨脹和收縮應力性能；良好的耐熱性能、充足的防腐蝕性能、優良的抗氧化性和抗熱循環性能；對于低表面處理的容忍性高，施工快捷、高效且與基體結合性能良好；能夠提供可靠的屏障用以抵抗腐蝕性污染物或者水汽的腐蝕。以上性能同時具備的防腐涂料很少，若使用不合適的涂層，則會在保溫層下這類惡劣腐蝕環境中長時間后發生涂層降解，導致抵抗水分滲透能力降低，進而引發CUI。因此，選擇高性能的防護涂層是預防CUI的重要環節。
有機涂層防護
有機涂層的防護機理是將涂層作為阻擋侵蝕性離子擴散的阻擋層，涂層防腐性能的關鍵是涂層與金屬基體間的粘結強度和涂層對侵蝕性離子溶液的抗滲透能力。然而，在涂層施工安裝過程中，不可避免地產生破損和劃傷，有機涂層自身的滲透性也是難以隔絕CUI的因素。
環氧涂層是有機涂層中一種重要的類型，環氧樹脂是其中主要的成膜物，具有良好的延展性，固化速度快且粘附性能高。環氧樹脂不僅耐化學腐蝕性優良，耐磨性能良好也是其應用廣泛的重要原因。其缺點也很明顯，在溫度波動嚴重時，環氧樹脂容易出現脆性轉變，在應力作用下形成細小裂紋。其有機的化學成分使環氧涂層只適用＜120 ℃的環境中，過高的溫度將使涂料內部的聚合物碳化，化學鍵斷裂，進而導致涂層失效。即使嚴格把控涂層施工質量，加強常規檢查及維護，環氧涂層在保溫層下也只能使用9~13a。
與之相似的另外一種有機涂層是酚醛環氧，其維修性能良好，防腐蝕性能優異，耐酸性、耐水性和抗滲透性均表現優良，常用于＜230 ℃的工況。相比其他環氧涂層，酚醛型環氧涂料對噴涂厚度、噴涂工藝等要求更為嚴苛，對熱循環和熱沖擊下的抵抗力較差。
熱噴鋁涂層
熱噴鋁是制備金屬涂層的一種優良的工藝方法，是金屬表面防護的新技術之一，其可靠性已經被大量工程項目證實，在惡劣環境下均可對基體表面形成良好保護。大量實驗結果表明，經過熱噴鋁涂層處理后的材料，其防護壽命可達20~30a。然而，單位造價昂貴是制約熱噴鋁廣泛使用的因素。
在海洋石油中，相對于傳統有機涂層，熱噴鋁涂層的主要優點有：
① 壽命更長，維護和檢查要求最低；
② 抗機械損傷；
③ 比有機涂層具有更大的耐溫范圍（-100~500℃）；
④ 為浸泡環境中的鋼材提供陰極保護。
熱噴鋁涂層相比傳統有機涂層的主要缺點有：
① 應用成本更高；
② 現場施工的難度大；
③ 運營和維護修復的費用較高。
總結以上，如果綜合考慮到海洋平臺的全壽命周期成本，熱噴鋁涂層作為一種防腐保護涂層，在CUI的防護應用中比使用有機涂層更加有效，其可靠性使海洋平臺的保溫層維護和檢修費用極大降低，具有很高的應用前景。
結 語
CUI具有隱蔽性，常規的檢測手段難以在第一時間發現CUI，往往引發嚴重的腐蝕失效后才被察覺，從而造成巨大的財產損失。在海洋平臺工程中，CUI受到越來越多重視，如何減輕甚至避免CUI，是未來海洋油氣發展的重要方向。
未來主要研究方向有：
（1）研究更加優良的防腐涂料，能長效抵抗嚴苛的CUI環境。無溶劑、高固含量的防腐涂料是未來研究方向之一；
（2）研究憎水性、耐老化性保溫材料，集保溫和防腐于一體性的復合保溫材料是未來研究方向之一；
（3）研究更有效可靠的便捷檢測，監測技術，第一時間發現腐蝕線索，提前消除腐蝕因子是CUI預防的研究方向之一；
（4）研究更加高效的金屬鍍層，如熱噴鋁等，降低整體綜合成本，是能夠長效解決CUI的防護方法之一。
隨著后續海洋油氣田逐步往深海方向開發，平臺整體的免維護性要求不斷提高，CUI的防護，基于以上或更多研究方向，都有待更多學者和工程師不斷的深入研究。