日照某碼頭架空管道因加熱管道節(jié)能需求覆有巖棉類保溫層，外部以鋁箔板封裝。正常工作10年后，更換保溫層材料時(shí)發(fā)現(xiàn)管道環(huán)焊縫、支管連接處、管托部位等普遍發(fā)生了腐蝕，其中壓力表接管等發(fā)生了較嚴(yán)重的局部腐蝕。

由于對其腐蝕原因了解不夠透徹，且腐蝕發(fā)生在保溫層下難以通過日常檢測發(fā)現(xiàn)，這種架空管道保溫層下腐蝕嚴(yán)重威脅著管道運(yùn)行安全，使管道存在腐蝕破裂泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

在石油、化工等行業(yè)中，服役于高溫或低溫環(huán)境中的設(shè)備及管道外表面施加保溫層不僅能有效降低能耗，而且對于確保工藝條件達(dá)到設(shè)備運(yùn)行能力和裝置安全具有重要作用。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于外防護(hù)層受損或其他原因，保溫材料會(huì)受潮或受濕，在保溫層與金屬外表面間形成薄層電解液腐蝕環(huán)境，導(dǎo)致保溫層包覆下的設(shè)備及管道外表面發(fā)生局部腐蝕，即保溫層下腐蝕（CUI）。

CUI是由于水或其他腐蝕介質(zhì)滲入保溫層后，在保溫層與金屬表面形成電解液環(huán)境而導(dǎo)致金屬腐蝕的現(xiàn)象，CUI長期以來難以避免且頻繁發(fā)生。特別是海洋裝備、石油管道和煉化企業(yè)設(shè)備，氯離子和硫化物在金屬表面聚集，無論是碳鋼、低合金鋼，還是不銹鋼，都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，影響設(shè)備安全。

對于保溫層下腐蝕的機(jī)理，多數(shù)研究者認(rèn)為CUI的發(fā)生是水、水中的雜質(zhì)以及溫度共同作用的結(jié)果。保溫層的縫隙或者破損等會(huì)導(dǎo)致水分滲入保溫層使其變潮濕，保溫層內(nèi)外溫差會(huì)使水汽冷凝在金屬基體表面，形成局部液體聚集。同時(shí)，雨水或保溫層中有害介質(zhì)的溶解聚集會(huì)形成電解質(zhì)溶液，特別是在原油碼頭等潮濕的環(huán)境中，會(huì)加速設(shè)備管道的腐蝕和過早失效。而且此時(shí)保溫層導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)增大，使保溫節(jié)能效果降低，這也會(huì)加速CUI。CUI常見的腐蝕產(chǎn)物以氯化物和硫酸鹽為主。

海洋大氣環(huán)境含有大量鹽分，其特點(diǎn)是相對濕度大、鹽分含量高，處于該環(huán)境中的管道設(shè)備極易受到海洋大氣的腐蝕破壞。如日照實(shí)華原油碼頭位于黃海畔，屬典型的海洋性氣候，大氣相對濕度較高，空氣中含有較多的鹽分，金屬材料表面很容易形成含有氯化鈉、氯化鎂等無機(jī)鹽的水膜，與清潔大氣中形成的冷凝水膜相比，鋼材的腐蝕速度會(huì)增加8倍以上。為了保障設(shè)備安全運(yùn)行，需要從根本上消除腐蝕導(dǎo)致的管道泄漏及破壞隱患。

迄今，關(guān)于海洋大氣環(huán)境中架空管道保溫層下腐蝕發(fā)生和發(fā)展規(guī)律、作用機(jī)制等的研究甚少，現(xiàn)有成果不足以支撐保溫層下腐蝕損傷的正確評(píng)估，難以針對性提出有效防護(hù)措施。為此，日照實(shí)華原油碼頭有限公司和中國石油大學(xué)（華東）材料科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員針對原油碼頭架空輸油管道保溫層下腐蝕進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)研，并開展腐蝕防護(hù)對策的相關(guān)研究，以期查清腐蝕原因，有效進(jìn)行腐蝕控制，從而保障系統(tǒng)的完整性，提高生產(chǎn)安全性。

1 架空管道典型部位的保溫層下腐蝕調(diào)查

架空管道為L245鋼，其三通、封頭、接管等采用20鋼。在保溫層更換期間，針對拆除保溫層架空管道已發(fā)生腐蝕和易腐蝕的部位進(jìn)行調(diào)研，主要包括管道附件、法蘭、焊縫等部位，采用防爆數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行腐蝕形貌宏觀觀察，評(píng)估其腐蝕損傷程度。

01 匯油管頂部排氣閥連接處腐蝕

匯管一側(cè)排氣閥部位的腐蝕形貌如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)在排氣閥與管道連接處以及附近區(qū)域發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，腐蝕產(chǎn)物堆積，并且出現(xiàn)了腐蝕坑，有的孤立存在，有的連成一片。

圖1 匯油管北側(cè)排氣閥部位腐蝕形貌

除了排氣閥部位本身，這種腐蝕現(xiàn)象還向周圍擴(kuò)展。一方面，沿著匯油管的軸向在匯油管的3點(diǎn)位置，出現(xiàn)零散的腐蝕坑；另一方面，沿著匯油管的頂部，在周邊區(qū)域出現(xiàn)聚集和零散并存的腐蝕坑。

這些是典型的保溫層下瘤狀腐蝕，基本單元為發(fā)生于涂層下的局部腐蝕，腐蝕產(chǎn)物呈層狀；密度較大時(shí)為群落狀腐蝕產(chǎn)物堆積，伴隨著腐蝕產(chǎn)物膜下管道的局部腐蝕坑出現(xiàn)。

02 管道底部排水閥連接處腐蝕

不僅管道頂部的附件容易發(fā)生腐蝕，管道底部也是腐蝕的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。現(xiàn)場檢查了管道底部附件連接處，發(fā)現(xiàn)匯油管底部的排水閥連接處腐蝕較為顯著，如圖2所示。

圖2 匯油管底部排水閥連接處的腐蝕形貌

查詢了設(shè)計(jì)資料，管道及管件均為20號(hào)碳鋼，排除電偶腐蝕的可能性，這主要是由于該連接處的保溫層積水導(dǎo)致的焊縫腐蝕。

03 管道頂部剝離涂層下腐蝕

除了瘤狀腐蝕坑外，管道頂部還發(fā)生了剝離涂層下腐蝕，出現(xiàn)了顯著的涂層成片脫落，暴露出管道基材，帶有紅褐色腐蝕產(chǎn)物，其腐蝕形態(tài)為均勻腐蝕。

04 焊縫區(qū)域腐蝕

現(xiàn)場檢查到輸油管SY04與匯油管連接處焊縫區(qū)域發(fā)生了顯著腐蝕，焊縫區(qū)域出現(xiàn)大面積瘤狀腐蝕，并且發(fā)生了明顯的局部腐蝕坑，坑深度為1.5mm。

05 壓力表接管腐蝕

輸油管道的壓力表等設(shè)施也檢查到明顯的腐蝕，而且腐蝕部位不僅局限于焊縫連接處，還包括整個(gè)壓力表接管。

06 管道法蘭

引堤上架空輸油管道使用法蘭結(jié)構(gòu)連接，法蘭結(jié)構(gòu)的腐蝕如圖3所示。

圖3 法蘭結(jié)構(gòu)的腐蝕形貌

由于其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，覆蓋保溫層的完整性受到影響，水汽進(jìn)入容易導(dǎo)致法蘭結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕。其腐蝕形態(tài)不同于瘤狀腐蝕坑，法蘭結(jié)構(gòu)由于其物理構(gòu)造造成了縫隙，故法蘭發(fā)生端面及螺孔內(nèi)的縫隙腐蝕。

07 管托結(jié)構(gòu)

引堤上架空輸油管道采用管托進(jìn)行支撐。管道與管托之間焊接不完整且存在縫隙，縫隙內(nèi)腐蝕狀況不明。調(diào)研過程中進(jìn)行了管托拆卸、腐蝕檢查與管托安裝。拆卸管托的腐蝕形態(tài)如圖4所示。

圖4 管托結(jié)構(gòu)的腐蝕形貌

管托整體比較光滑，在其底部存在明顯銹跡，距離邊緣較近處發(fā)現(xiàn)有三處點(diǎn)蝕坑。這是由于管托與管道底部存在縫隙，導(dǎo)致保溫層下電解液積聚，從而引發(fā)了縫隙結(jié)構(gòu)中的點(diǎn)蝕。

2 架空管道保溫層下腐蝕部位測厚

對腐蝕相對比較嚴(yán)重的輸油管SY01~04，匯油管及其管件進(jìn)行了腐蝕檢測，采用奧林巴斯45MG超聲波測厚儀進(jìn)行了管道及管件測厚。

輸油管02的小節(jié)管壓力表的接管腐蝕相對比較嚴(yán)重，平均厚度僅為4.5mm，最薄處僅有4.37mm。輸油管01和04的氮?dú)夤芫€最薄，分別為3.80mm和3.73mm，顯著低于02和03輸油管。4個(gè)輸油管的壓力遠(yuǎn)傳腐蝕相對較小，厚度基本沒有明顯損失。閥后主管的厚度顯著低于抽空管道，顯示為閥后區(qū)域的流態(tài)不穩(wěn)定影響其腐蝕速率。

3 腐蝕產(chǎn)物成分分析

現(xiàn)場調(diào)研輸油管道腐蝕狀態(tài)并采集了代表性腐蝕產(chǎn)物，包括匯油管抽空線短節(jié)、匯油管排水短節(jié)、匯管排氣閥北一連接處、SY04與匯油管連接處、SY01壓力接管以及匯管排氣閥周邊頂部。為了明確腐蝕機(jī)理，針對收集到的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD和XPS測試，以確定其腐蝕產(chǎn)物構(gòu)成。

由XRD分析結(jié)果可知，腐蝕產(chǎn)物主要由Fe2O3和Fe3O4組成，部分樣品中還含有SiO2，應(yīng)該來自空氣中沉降的顆粒物，部分含有Zn，應(yīng)該來自管道涂覆的富鋅底漆。

XPS與XRD分析結(jié)果一致，也顯示腐蝕產(chǎn)物主要由Fe2O3和Fe3O4組成。

4 腐蝕原因分析

海洋大氣環(huán)境具有大氣濕度高、含鹽量高、腐蝕性介質(zhì)濃度高等特點(diǎn)，當(dāng)含腐蝕性介質(zhì)的水分滲透形成薄液膜，促進(jìn)形成了一個(gè)原電池，使得保溫層下腐蝕更容易發(fā)生和發(fā)展。如果設(shè)備具有保護(hù)層，保護(hù)層的破裂和長時(shí)間的服役仍能使其受潮。

日照原油碼頭腐蝕環(huán)境為含氯離子的海洋大氣環(huán)境，碳鋼發(fā)生陽極反應(yīng)生成的Fe2+與陰極反應(yīng)生成的OH-生成次生腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)2，F(xiàn)e(OH)2在氧氣的作用下繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，生成最終腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)3和Fe3O4。這些腐蝕產(chǎn)物比較疏松，缺乏保護(hù)性，所以一旦在金屬表面的某處生成，腐蝕就會(huì)持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致局部腐蝕穿孔。

設(shè)備表面有涂層保護(hù)，覆蓋有保溫層，保溫層外層為金屬薄板，當(dāng)設(shè)備表面存在電解液時(shí)，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成了密閉的腐蝕環(huán)境，可視為一種特殊的縫隙腐蝕環(huán)境。電解液厚度不均、涂層損傷、設(shè)備表面溫度差異等因素都能導(dǎo)致薄層電解液下設(shè)備腐蝕呈現(xiàn)局部化特征，例如涂層完整程度不同會(huì)導(dǎo)致涂層下設(shè)備材料腐蝕產(chǎn)生局部化趨勢，產(chǎn)生陰陽極分化。保溫層下管道材料的腐蝕通常呈現(xiàn)明顯的局部化特征，隨著時(shí)間的推移，這種局部化差異可能會(huì)更加明顯。

海洋大氣環(huán)境中保溫層下的局部腐蝕嚴(yán)重威脅著設(shè)備安全，然而由于保溫層的遮蔽，難以進(jìn)行設(shè)備損傷檢測，尤其是在保溫層下局部腐蝕發(fā)展初期。

CUI在海洋大氣環(huán)境中可以產(chǎn)生不同形式的腐蝕，如點(diǎn)蝕、均勻腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂等。點(diǎn)蝕是對架空管道安全威脅較大的一種局部腐蝕，點(diǎn)蝕坑能穿過厚壁導(dǎo)致管道破裂，或者引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂。隨著點(diǎn)蝕的發(fā)展，材料的強(qiáng)度受到影響，就有可能導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂，而這種斷裂是災(zāi)難性的，有可能破壞整體部件的完整性，造成嚴(yán)重的損失。

5 顯著腐蝕部位修復(fù)方案

01 腐蝕坑修復(fù)區(qū)域

適用范圍：

01 管道表面腐蝕坑、涂層下腐蝕凸起及周邊等位置；

02 壓力表、排水閥、排氣閥等管道附件連接結(jié)構(gòu)；

03 涂層腐蝕的管道環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)。

經(jīng)St3級(jí)表面處理后，需要在晴天進(jìn)行施工，帶有金屬光澤的腐蝕表面2小時(shí)內(nèi)需要采用金屬修復(fù)劑進(jìn)行填補(bǔ)。

修復(fù)劑固化干燥后，推薦采用如下表所示的涂層防護(hù)方案。

表1 腐蝕坑修復(fù)區(qū)域的防護(hù)涂層方案

02 保溫層下一般涂層防腐蝕方案

針對架空主管道、分支管和匯管無腐蝕缺陷部位，經(jīng)St2級(jí)表面處理后2小時(shí)內(nèi)涂覆底漆，需要在晴天進(jìn)行施工，推薦涂層方案見下表。

表2 推薦的保溫層下涂層防護(hù)方案

03 管托和法蘭結(jié)構(gòu)防腐蝕方案

管托與管道底部連接結(jié)構(gòu)注滿帶有緩蝕劑的防腐蝕膠泥，周邊采用黏彈體配套的膠泥密封后，用黏彈體密封防水。

管道法蘭結(jié)構(gòu)，表面St2級(jí)處理后，同樣可采用黏彈體整體包裹防腐蝕方案。

需要注意：疏松或剝落的涂層應(yīng)該刮除，直至牢固的漆層暴露。光滑的表面需要進(jìn)行輕度拉毛，以產(chǎn)生理想的附著力。損傷僅為面層油漆（主要為聚氨酯面漆），表面拉毛后用聚氨酯面漆進(jìn)行修補(bǔ)。

6 保溫層下腐蝕監(jiān)檢測方案

為了避免新的保溫層下腐蝕破壞并控制原油缺陷發(fā)展，有必要建立腐蝕檢查制度并適當(dāng)實(shí)施腐蝕監(jiān)檢測技術(shù)。

01 每年進(jìn)行一次腐蝕檢查，重點(diǎn)檢查外防護(hù)層完整性，檢查保溫層內(nèi)積液狀態(tài)，以及管道壓力表、支管、排水管、排氣閥等管件部位，檢查支管及連接處腐蝕狀態(tài)。

02 建議對匯油管排氣閥連接部位等腐蝕嚴(yán)重部位實(shí)施電場指紋腐蝕監(jiān)測技術(shù)，對金屬結(jié)構(gòu)的缺陷、裂紋、腐蝕以及它們的擴(kuò)展情況進(jìn)行高精度的檢測。

03 建議每三年針對管道壓力表、支管、排水管、排氣閥等管件部位及焊接接頭等高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)部位進(jìn)行腐蝕檢測，評(píng)估其損傷風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)語

針對海洋大氣環(huán)境中保溫層下架空輸油管道典型部位腐蝕現(xiàn)狀進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)匯油管與排氣閥連接處、小節(jié)管連接處、焊縫區(qū)域、管托底部等位置容易發(fā)生顯著的局部腐蝕。

收集典型部位腐蝕產(chǎn)物分析得知主要由Fe2O3和Fe3O4組成；架空管道連接處海洋性水汽容易進(jìn)入，電解液厚度不均、涂層損傷、設(shè)備表面溫度差異等因素都能導(dǎo)致管道保溫層下腐蝕呈現(xiàn)局部化特征。

針對架空管道不同部位提出綜合性腐蝕控制維護(hù)方案，包括架空管道保溫層下腐蝕防護(hù)施工推薦方案和腐蝕檢查、監(jiān)檢測方案，以對架空原油管道進(jìn)行有效腐蝕控制，從而保障系統(tǒng)的完整性和提高生產(chǎn)安全性。