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(dá)到最合適的輸送狀態(tài)。因此大量的管道或設(shè)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(tǒng)的操作溫度，同時也可以作為阻隔外界有害物質(zhì)的屏障。
然而，管道或設(shè)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(qū)域形成半密閉的腐蝕環(huán)境，這種環(huán)境比海洋大氣環(huán)境還惡劣，將造成保溫層下管道或設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕。這類發(fā)生在保溫層下的腐蝕現(xiàn)象，學(xué)術(shù)界統(tǒng)稱為保溫層下腐蝕（corrosion under insulation，CUI）。研究表明，設(shè)備或管道的保溫層結(jié)構(gòu)，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(fā)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(qiáng)的隱蔽性。當(dāng)發(fā)現(xiàn)CUI時，腐蝕已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重了，甚至可引起突發(fā)性的泄漏事故。在石油化工領(lǐng)域，CUI導(dǎo)致了超過60%的泄露故障。全球因CUI引起的設(shè)備損壞，停產(chǎn)損失、人員傷亡等損失高達(dá)每年數(shù)十億美元。
不僅在石油石化領(lǐng)域被發(fā)現(xiàn)和研究，同樣在發(fā)電廠、核電站、無機(jī)化工、有機(jī)化工、煉化工廠等各種存在保溫的領(lǐng)域均有發(fā)現(xiàn)。目前學(xué)術(shù)界就CUI開展了針對性的研究，從傳統(tǒng)的石油天然氣工業(yè)領(lǐng)域，擴(kuò)展到建筑科學(xué)工程，化學(xué)工程，核科學(xué)工程，燃料，電力，無機(jī)，金屬工藝等各個方面。CUI受到越來越多學(xué)者們的重視，這對我們認(rèn)識CUI、保護(hù)被保溫設(shè)備設(shè)施的安全有著積極的作用。
CUI常用的檢測技術(shù)
由于保溫層的阻隔，需要將保溫層剝離才能準(zhǔn)確檢測。維修完涂層或者設(shè)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(fā)生的第一時間確認(rèn)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(chǔ)的方法，但是需要拆除保溫層系統(tǒng)。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(xì)的無損檢測技術(shù)。
2 超聲檢測
通常采用手動操作方法，可以安裝固定的監(jiān)測點監(jiān)測碳鋼和低合金鋼設(shè)備的內(nèi)部腐蝕動態(tài)，定期進(jìn)行多點厚度測量，相關(guān)數(shù)據(jù)也可用于確定CUI的發(fā)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(qū)域使用，要獲得可靠的結(jié)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(fā)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(jìn)行射線曝光，通過和原始數(shù)據(jù)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(dāng)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(qū)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(yīng)力腐蝕開裂等。
4 渦流檢測
脈沖渦流技術(shù)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(shù)的測量主要基于一種在導(dǎo)電材料中，受到可變磁場的作用，會產(chǎn)生渦流的現(xiàn)象進(jìn)行測量。主要原理為：感應(yīng)磁性的強(qiáng)度通常大于給定材料的本征磁性，通過感應(yīng)線圈系統(tǒng)產(chǎn)生磁場，線圈放置在待測位置的保溫板表面上，在規(guī)定的時間內(nèi)，直流電通過線圈，在管道或容器壁上形成穩(wěn)定磁場，切斷電流后，磁場迅速降至零，這會在受檢材料內(nèi)產(chǎn)生渦流。封閉磁場中渦流的持續(xù)時間與材料厚度直接相關(guān)，渦流的強(qiáng)度和可測量的持續(xù)時間取決于磁場的強(qiáng)度以及材料的導(dǎo)電性和磁導(dǎo)率。如果測量強(qiáng)度和持續(xù)時間確定，則可以計算出平均壁厚。脈沖渦流可用于幾何規(guī)整的管道或設(shè)備的表面，對于管嘴、焊縫等，由于幾何限制，無法使用渦流監(jiān)測技術(shù)。
其他檢測技術(shù)還有紅外射線、數(shù)字成像、中子掃描等，不逐一展開介紹。
預(yù)防CUI措施
1 選擇合適的外防護(hù)層
保溫層的外防護(hù)層是防護(hù)CUI的首要屏障，一般認(rèn)為外防護(hù)層可以保護(hù)設(shè)備或管道免受機(jī)械損傷，同時能夠阻擋惡劣環(huán)境中水等腐蝕介質(zhì)。通常外防護(hù)層的選取只考慮經(jīng)濟(jì)性、實用性、易于安裝和被保溫設(shè)備或管道的工況溫度等條件。
外防護(hù)層一般分為金屬和非金屬材料。金屬防護(hù)層具有一定的厚度，可以抵抗沖擊，抗腐蝕性能優(yōu)異。常用的材料有鍍鋁鋼、鋁箔和不銹鋼板等。
非金屬防護(hù)層通常包括固化玻璃纖維增強(qiáng)塑料、熱塑性塑料和相關(guān)材料的聚合物等，相比金屬防護(hù)層，非金屬防護(hù)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(yīng)用受到不少限制。
外防護(hù)層很容易受到氣候變化、機(jī)械損傷、環(huán)境腐蝕等影響，因此，經(jīng)常性地維護(hù)防護(hù)層是必不可少的。根據(jù)管道和設(shè)備實際情況，選擇可靠的外防護(hù)層，是保溫系統(tǒng)抵抗CUI能力不可或缺的條件之一。
2 選擇優(yōu)異的保溫材料
保溫材料是包裹在管道或設(shè)備外的第二道屏障，是保溫系統(tǒng)必不可少的部分。設(shè)計合理的保溫材料，在正確安裝并提供充分的維護(hù)的情況下，能有效提高對CUI的防護(hù)效率。
根據(jù)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(xué)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(fā)現(xiàn)，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(fā)生的溫度范圍內(nèi) （-4~175℃），保溫材料越吸水，越會加速CUI；相反，當(dāng)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(dǎo)致疏水性材料的應(yīng)用并不廣泛。
目前已知的保溫材料均無法規(guī)避CUI的出現(xiàn)。究其原因，保溫材料的安裝均會與基體間形成環(huán)形空隙，加上設(shè)備和管道本身存在缺陷，導(dǎo)致腐蝕性介質(zhì)容易存留，為水分的聚集提供場所，是引起CUI的關(guān)鍵。大量的工程案例表明，經(jīng)過長期運行后，保溫材料內(nèi)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(fā)生?；诖饲闆r，應(yīng)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(fā)生CUI的風(fēng)險也更低。
將保溫材料包裹在裸露碳鋼管外進(jìn)行實驗室條件下的環(huán)境模擬，Williams等利用該模擬方法研究不同保溫材料的性能。結(jié)果表明，常用的玻璃棉保溫材料導(dǎo)致碳鋼發(fā)生CUI最嚴(yán)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(fā)現(xiàn)了部分腐蝕，且其腐蝕表面風(fēng)化嚴(yán)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(fā)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(hù)涂層
高性能的有機(jī)涂層和熱噴鋁涂層已廣泛用于CUI的防護(hù)中。與通常的腐蝕環(huán)境不同，CUI的腐蝕環(huán)境更加惡劣，在抵抗CUI中使用的防護(hù)涂層應(yīng)具備的特性有：優(yōu)異的耐高溫降解性能、優(yōu)秀的抵抗熱膨脹和收縮應(yīng)力性能；良好的耐熱性能、充足的防腐蝕性能、優(yōu)良的抗氧化性和抗熱循環(huán)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(jié)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(huán)境中長時間后發(fā)生涂層降解，導(dǎo)致抵抗水分滲透能力降低，進(jìn)而引發(fā)CUI。因此，選擇高性能的防護(hù)涂層是預(yù)防CUI的重要環(huán)節(jié)。
有機(jī)涂層防護(hù)
有機(jī)涂層的防護(hù)機(jī)理是將涂層作為阻擋侵蝕性離子擴(kuò)散的阻擋層，涂層防腐性能的關(guān)鍵是涂層與金屬基體間的粘結(jié)強(qiáng)度和涂層對侵蝕性離子溶液的抗?jié)B透能力。然而，在涂層施工安裝過程中，不可避免地產(chǎn)生破損和劃傷，有機(jī)涂層自身的滲透性也是難以隔絕CUI的因素。
環(huán)氧涂層是有機(jī)涂層中一種重要的類型，環(huán)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(huán)氧樹脂不僅耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良，耐磨性能良好也是其應(yīng)用廣泛的重要原因。其缺點也很明顯，在溫度波動嚴(yán)重時，環(huán)氧樹脂容易出現(xiàn)脆性轉(zhuǎn)變，在應(yīng)力作用下形成細(xì)小裂紋。其有機(jī)的化學(xué)成分使環(huán)氧涂層只適用＜120 ℃的環(huán)境中，過高的溫度將使涂料內(nèi)部的聚合物碳化，化學(xué)鍵斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致涂層失效。即使嚴(yán)格把控涂層施工質(zhì)量，加強(qiáng)常規(guī)檢查及維護(hù)，環(huán)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(jī)涂層是酚醛環(huán)氧，其維修性能良好，防腐蝕性能優(yōu)異，耐酸性、耐水性和抗?jié)B透性均表現(xiàn)優(yōu)良，常用于＜230 ℃的工況。相比其他環(huán)氧涂層，酚醛型環(huán)氧涂料對噴涂厚度、噴涂工藝等要求更為嚴(yán)苛，對熱循環(huán)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(yōu)良的工藝方法，是金屬表面防護(hù)的新技術(shù)之一，其可靠性已經(jīng)被大量工程項目證實，在惡劣環(huán)境下均可對基體表面形成良好保護(hù)。大量實驗結(jié)果表明，經(jīng)過熱噴鋁涂層處理后的材料，其防護(hù)壽命可達(dá)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(tǒng)有機(jī)涂層，熱噴鋁涂層的主要優(yōu)點有：
① 壽命更長，維護(hù)和檢查要求最低；
② 抗機(jī)械損傷；
③ 比有機(jī)涂層具有更大的耐溫范圍（-100~500℃）；
④ 為浸泡環(huán)境中的鋼材提供陰極保護(hù)。
熱噴鋁涂層相比傳統(tǒng)有機(jī)涂層的主要缺點有：
① 應(yīng)用成本更高；
② 現(xiàn)場施工的難度大；
③ 運營和維護(hù)修復(fù)的費用較高。
總結(jié)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(hù)涂層，在CUI的防護(hù)應(yīng)用中比使用有機(jī)涂層更加有效，其可靠性使海洋平臺的保溫層維護(hù)和檢修費用極大降低，具有很高的應(yīng)用前景。
結(jié) 語
CUI具有隱蔽性，常規(guī)的檢測手段難以在第一時間發(fā)現(xiàn)CUI，往往引發(fā)嚴(yán)重的腐蝕失效后才被察覺，從而造成巨大的財產(chǎn)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(fā)展的重要方向。
未來主要研究方向有：
（1）研究更加優(yōu)良的防腐涂料，能長效抵抗嚴(yán)苛的CUI環(huán)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(fù)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(jiān)測技術(shù)，第一時間發(fā)現(xiàn)腐蝕線索，提前消除腐蝕因子是CUI預(yù)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(hù)方法之一。
隨著后續(xù)海洋油氣田逐步往深海方向開發(fā)，平臺整體的免維護(hù)性要求不斷提高，CUI的防護(hù)，基于以上或更多研究方向，都有待更多學(xué)者和工程師不斷的深入研究。