保温层下腐蚀检测与防护

王 海 韩 斌 刘少辰 朱万东

（中海油常州涂料化工研究院有限公司上海海铠防腐工程技术分公司，天津 300452）

0 引言

保温层下腐蚀（Corrosion Under Insulation, CUI）指的是在敷设了隔热材料等覆盖层的设备外表面上发生的一种腐蚀现象。由于保温层的存在，使得CUI具有较强的隐蔽性，一般很难发现，所以，CUI被形象地的称作躲在“被子”下面的腐蚀。常规检测方法无法在不拆除隔热系统的情况下对设备进行全面准确的检测，导致保温层下腐蚀给整个装置的稳定运行与安全生产带来巨大隐患。因此，如何对这种类型的腐蚀进行全面有效地检测与防护需要引起研究人员的高度重视[1]。

1 CUI的概述

1.1 CUI的原因

保温层下腐蚀是由于设备需要保温、节能或工艺稳定而采取隔热措施所引起的腐蚀。在石油和天然气生产中，为减轻温度波动对工艺设备的影响，经常需要在钢管、储罐等设备上安装隔热材料。然而，由于设计不当，安装不正确，维护损坏以及接缝、间隙的出现使得来自降雨、蒸汽、冲洗、冷凝等途径的水和污染物很容易侵入。一旦潮湿，水分会由于隔热材料多孔结构的滞留作用无法及时挥发，因此保温层下会长时间保持湿润，从而形成非常强的腐蚀环境[2]。

1.2 CUI的腐蚀机理

CUI的本质是一种由氧化反应和还原反应组成的电化学反应。金属原子在阳极发生氧化反应，失去电子，进入离子状态。然后电子被转移到一种化学物质中，成为还原反应的一部分。铁的两种常见氧化反应是：

当钢表面与含有溶解氧的水接触并存在自由电子时，会在阴极发生还原反应：

OH-与Fe2+和Fe3+反应分别形成Fe（OH）2和Fe（OH）3，最终形成H2O和Fe2O3的沉淀。总化学反 应为：

1.3 CUI的危害

保温层下腐蚀（CUI）是当今石油化工行业面临的最昂贵的问题之一，占到所有管道维护成本的80%。每年全球由于CUI引发的重大设备停机等问题比其他所有原因都多。在荷兰圣约翰举办的腐蚀研讨会上，CUI已被行业专家认定为头号腐蚀问题[3]。而在我国，CUI的影响同样严重，已经给国民经济造成巨大损失，甚至引发灾难性事故。

2 CUI的无损检测

CUI的真正问题在于，唯一能够准确确定管道和设备是否发生腐蚀的方法是完全拆除隔热系统，然而这是也最昂贵的检测方法。目前，传统的检测方法是拆除管道表面覆盖物、目测检查、恢复表面覆盖物原貌。该方法是一个非常耗时且劳动密集型的过程，而且如果表面覆盖物质中含有石棉并且需要安全移除，情况可能还会变得更加复杂。因此，开发一些无需拆除隔热系统实现CUI检测的技术就显得尤为重要[4]。这些检测技术可以与传统方法相结合，为管道网络提供经济、全面的CUI 检测。

2.1 中子反向散射技术

中子反向散射技术通过大面积扫描管道，可以在短时间内得到检测结果。这种方法使用放射源将高能中子发射到待检测位置，高能中子穿过保温层并与氢等轻元素碰撞，转化为低能中子。用于检测低能中子的灵敏探测器通过测量低能中子的数目来确定“湿润保温层”的位置。该数目与保温层中的水量成正比，因此可以快速准确地识别可能发生 CUI 的区域。这种技术非常便携，在某些情况下，不需要脚手架。但是，该方法需要具有涉及健康和安全问题的辐射源，而且它不会直接检测 CUI。

2.2 红外热成像

IR热成像技术可以有效地用于识别管道保温层中的进水部位，并且比传统的水分密度计更有效、更快捷。另一个优势是可以使用这种技术从远处扫描管道，无需昂贵且耗时的脚手架结构。由于导热系数的不同，湿润保温层与干燥保温层温差明显，因此检测员可以通过红外图像直观地发现进水部位。通过使用较小的温度跨度，可以提高该技术的灵敏度。

2.3 远距离超声波检测

远距离超声波检测（LRUT）通过使用导波扫描管道，对于原本无法检测的管道特别有用[5]。超声波由探头发出，传送到管壁，一旦沿着管道传播，超声波就会被不连续处反射，例如环焊缝、管道回路中的分支以及壁厚减少处。这些壁厚的减少与腐蚀区域有关，一旦检测到它们就可以通过计算机软件进行分析。这种方法通常可以扫描长达120m的直线管道，被认为是在难以或无法进入的位置对保温管道进行检测的最可靠技术之一，尤其是在人迹罕至的涵洞、埋地管道和道路交叉口下经过的管道。

2.4 计算机射线照相

这种技术使用的设备与传统射线照相相似，不同之处在于利用成像板代替胶片来创建图像。为充分检测保温层下的CUI，该方法需要对目标区域进行有效隔离，以消除管道支架等的干扰。检测产生的图像和获得的数据以数字方式存储，因此可以快速访问数据从而提高检测效率。

2.5 脉冲涡流

以涡流为原理的脉冲涡流（PEC）已逐渐成为一种普遍使用的检测方法。这种方法是一种用于测定平均壁厚非接触式电磁法。测试系统通过探测线圈产生磁场，磁化目标基板，这会在管壁中产生涡流，从而向内扩散。如果检测到异常，涡流脉冲就会停止，从而导致施加的磁场突然下降。管壁越厚，涡流的反弹时间就会越长，从而可以计算出管壁厚度减少的百分比。这种技术不受隔热材料的限制，可以在工作温度超过450°C的情况下就地使用。敏感性较差是该技术的不足。

保温层下腐蚀的各种检测方法适用范围不同，使用时需结合实际情况和工况进行选择。表1对不同的检测方法的优势和局限性进行了对比，具体 如下。

表1 不同CUI检测方法的对比

3 CUI的防护措施

保温层下腐蚀一直以来都是石油化工行业难以避免和高频率发生的事件，由于其不易发现，往往会造成无法挽回的经济损失和重大的安全事故。CUI防护应多管齐下，从隔热材料、护套、涂层等多方面进行优化，开发新型保温结构，严把施工质量，缓解腐蚀现象。

3.1 隔热材料

图1是保温管的横截面图。其中，隔热材料不仅影响保温能力，而且还影响腐蚀速率。如今使用的隔热材料重要有硅酸钙、人造矿物纤维、多孔玻璃、有机泡沫和陶瓷纤维等。如果长期处于湿润环境中，某些隔热材料中（如酚醛泡沫和聚氨酯泡沫）含有的卤化物（如氯化物和溴化物离子）会溶解。这将导致保温层下滞留水分的 pH 值降低，从而加速钢的腐蚀速率。不同隔热材料的芯吸特性也存在很大差异。例如，硅酸钙是一种经常使用的隔热材料，它可以吸收高达自身重量400%的水分，而蜂窝玻璃（泡沫玻璃）在隔热单元结构完好无损时是一种不吸水的隔热材料。此外，湿润硅酸钙的pH值为9～10，这将产生对醇酸树脂和无机锌（IOZ）等涂料不利的腐蚀环境。

图1 保温管的横截面

3.2 隔热护套

在所有传统的隔热系统中，抵御环境的第一道防线就是保护套。保护套不仅可以作为防水系统防止水分侵入，还可以保护隔热系统免受机械损坏、化学侵蚀和火灾损坏。保护套一般可以分为金属和非金属两个基本类别。金属护套主要由304SS、铝或镀锌钢的薄板制成，内表面涂有缓解护套腐蚀的防潮涂层。金属护套的优点是使用寿命长且易于安装。然而，由于它们难以密封并且在维护、维修过程中容易损坏，所以CUI发生的几率较高。相比之下，由热塑性材料或纤维增强塑料等材料制成非金属护套，不仅可以提供比金属护套更强防水密封，而且还可以有效避免维护、维修过程中出现的人为损坏。

3.3 涂层

保温层下的保护涂层可有效阻止侵入隔热系统的水分与钢接触，从而减轻腐蚀[6]。然而，所有类型涂层的使用寿命都是有限的，并且使用条件也存在一些限制。两组分的酚醛环氧树脂和酚醛环氧树脂是缓解CUI的最常用涂料系统。然而，工艺温度的提高，对涂层性能提出了更为严格的要求，因此需要开发新的用于高温涂层的化学物质。由于保温层下含有水分，CUI被视为浸没环境。由美国腐蚀工程师协会（NACE）提供的行业指南指出，浸没级保护涂层是CUI 的最佳防护措施。

3.4 气相缓蚀剂

气相缓蚀剂（VCIs）是与涂层完全不同的防护方式。VCIs是一种挥发性化合物，可在金属界面形成稳定的化学键，防止腐蚀性物质渗透到金属表面。通过重力进料系统或便携式注射泵注入隔热护套后，它们会形成6微米左右的干燥、疏水薄膜。这些缓蚀剂易于应用，可用于保护在各种腐蚀性环境中使用的多种金属及合金。

4 结语

保温层的使用对石油化工行业的环境保护和节能降耗具有重要价值，但也发生了无法避免的腐蚀现象。通过对保温层下腐蚀的多年研究分析与实践，技术人员已经总结出一套较为成熟的检测与防护方法。检测技术的选择需针对具体的应用环境，综合考虑安全性、便携性以及检测的质量，灵活选用。对于CUI的防护，需要更加仔细的判断和分析以选择最合适的防护或防护组合。毫无疑问，目前的检测技术与防腐措施已经在保温层下腐蚀方面发挥了巨大的作用，降低了腐蚀速率，减少了生产事故的发生。