你們廠的設(shè)備管道遇到過“保溫層下腐蝕嗎”？該如何預(yù)防和維護(hù)？
導(dǎo) 讀
保溫層下腐蝕（Corrosion Under Insulation，簡稱CUI）是指保溫層覆蓋下的金屬管道或設(shè)備，在水和腐蝕性物質(zhì)的參與下發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象。CUI隱蔽性強(qiáng)，很難在第一時間發(fā)現(xiàn)，因而極易引發(fā)突發(fā)泄漏事故。一般運(yùn)行5年后的設(shè)備或管道發(fā)生保溫層下腐蝕的概率大幅上升，而運(yùn)行16~20年的管道最容易發(fā)生泄漏。CUI不僅造成產(chǎn)品泄漏、裝置故障或停工及維修成本增加，甚至有可能發(fā)生傷亡事故。每年全球由于CUI所造成的損失高達(dá)數(shù)十億美元。在國內(nèi)工程中，CUI一直未能得到普遍重視，或僅從保溫層設(shè)計或防護(hù)涂層單一方面入手，因此從工程運(yùn)營全周期對其進(jìn)行全面分析很有必要。
CUI的發(fā)生機(jī)理
CUI的發(fā)生是水、污染物以及溫度共同作用的結(jié)果。保溫層下的水主要來自兩個方面：
①外界的水滲透及冷凝。由于外保護(hù)層的設(shè)計缺陷、某些部位施工不當(dāng)及機(jī)械損傷等原因都會使水進(jìn)入保溫層。
②保溫層內(nèi)蒸汽和熱水伴熱管的泄漏也是水的一大來源，同時，當(dāng)金屬表面溫度低于介質(zhì)露點溫度時，水蒸氣也會凝結(jié)在金屬表面形成液態(tài)水。
導(dǎo)致保溫層下腐蝕的主要污染物有氯化物和硫酸鹽等，污染物來自外部環(huán)境和保溫材料，保溫層所用的材料含有大量的無機(jī)鹽（如硫酸鹽、氯化物和氟化物等）。無機(jī)鹽在水中大多有較高的可溶性，能增加水的電導(dǎo)率及腐蝕性。金屬鹽的水解會引起陽極區(qū)的pH值降低而導(dǎo)致局部腐蝕。金屬表面和保溫材料間形成的薄層電解質(zhì)溶液，為電化學(xué)腐蝕創(chuàng)造了必要條件。電化學(xué)腐蝕產(chǎn)物Fe（OH）3和Fe3O4較為疏松，腐蝕介質(zhì)能順利穿過腐蝕產(chǎn)物并繼續(xù)腐蝕金屬本體，因此金屬表面某處一旦發(fā)生腐蝕，就會不斷地發(fā)展下去。
腐蝕介質(zhì)的濃度、氧含量及溫度都會影響CUI速率。最容易發(fā)生CUI的溫度范圍是-4~175℃。當(dāng)溫度低于-4℃時，一般沒有腐蝕；而在溫度高于175℃時，金屬表面溫度足夠保持其干燥，也很少發(fā)生腐蝕。在達(dá)到水的沸點之前，溫度每升高15~20℃，腐蝕速率就會增加一倍。周期性的溫度變化，會導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)的不斷濃縮和聚積，加劇了該區(qū)域的腐蝕。
工程設(shè)計中往往較多關(guān)注了碳鋼的腐蝕，而忽視了不銹鋼和合金鋼的腐蝕。不銹鋼和合金鋼的腐蝕不易被發(fā)現(xiàn)，但其腐蝕比碳鋼腐蝕更危險。碳鋼和低合金鋼在保溫層下的腐蝕常表現(xiàn)為均勻腐蝕和點蝕；奧氏體不銹鋼在保溫層下的腐蝕為應(yīng)力腐蝕開裂和點蝕。循環(huán)通過水露點的操作工況對應(yīng)力腐蝕開裂特別敏感：低溫時存在的水，在高溫時蒸發(fā)，每次溫度循環(huán)，水中溶解的氯化物鹽類都會在表面濃縮。對應(yīng)力腐蝕開裂最敏感的不銹鋼是18-8不銹鋼。高鎳、鉻、鉬奧氏體不銹鋼和低鎳、高鉻含量的雙相不銹鋼在保溫層下不易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。
CUI的防護(hù)措施
01 防護(hù)層設(shè)計
外防護(hù)層能有效阻止或阻擋外部水分及腐蝕介質(zhì)的進(jìn)入。外防護(hù)層有金屬和非金屬兩大類，外防護(hù)層選擇需要綜合考慮成本、環(huán)境腐蝕性及操作溫度等因素。工業(yè)應(yīng)用最廣泛的金屬防護(hù)層有鍍鋁、鍍鋁鋅、鋁皮和不銹鋼。在海洋性氣候條件下，空氣相對濕度大，空氣中鹽分含量較高，保溫層下腐蝕較嚴(yán)重。工程實踐表明，碳鋼鍍鋁鋅在海洋性氣候條件下抗腐蝕性能較好。
只有防護(hù)層結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，才能有效阻止外部水分進(jìn)入保溫層，可參考相關(guān)工程設(shè)計手冊。該文僅以保溫盒為例介紹防護(hù)層設(shè)計的要點：連接處應(yīng)搭接以降低外部水分進(jìn)入的可能性，搭接后接縫應(yīng)涂抹密封膠，盒蓋上部應(yīng)保持傾斜以便于排水，閥門盒底部應(yīng)設(shè)置排水孔等。
工程設(shè)計應(yīng)注意如下幾點：
①管道布置間距應(yīng)合理，留足保溫空間，充分考慮管道之間，管道和其他設(shè)施之間的間距，特別關(guān)注保溫盒所占空間；
②減少管道設(shè)備保溫開口，開口越多水和污染物侵入保溫層中可能性越大；
③設(shè)備附件應(yīng)避免出現(xiàn)穿透保溫層的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)致水分滯留的外形結(jié)構(gòu)；
④裝置應(yīng)設(shè)置合理通道，以免維護(hù)人員踩踏保溫外皮。
02 保溫材料選擇
保溫層是水及電解質(zhì)擴(kuò)散的通道，選擇合理的保溫材料能有效降低CUI的影響。保溫材料分親水型和疏水型兩大類，疏水型保溫材料分為自身疏水（泡沫玻璃）和加入化學(xué)添加劑疏水（如WRG巖棉），常用的親水型材料有巖棉和硅酸鈣等。工程實踐表明，吸水性材料會加速CUI速率；而自身干燥速率快、貯存水分少的保溫材料可以有效降低CUI。保溫材料的選擇，還應(yīng)結(jié)合考慮材料的經(jīng)濟(jì)性、導(dǎo)熱性能、使用溫度限制、抗壓強(qiáng)度及施工性能等因素。
任何保溫材料都無法阻止CUI發(fā)生，主要是由于：
①防護(hù)層結(jié)構(gòu)所決定。防護(hù)層上必然存在開口，保溫材料與金屬表面之間必然存在間隙，提供了水和腐蝕介質(zhì)的進(jìn)出通道；
②保溫材料本身的組成所決定。保溫材料具有可濕性、水溶性和滲透性；
③保溫材料自身帶入污染物，在保溫材料變潮或受濕后，污染物從保溫材料中滲出，隨著水分向金屬表面擴(kuò)散。
03 防腐涂層選擇
保溫層下防腐蝕最為關(guān)鍵的措施是金屬表面涂覆高性能防腐蝕涂層。防腐蝕涂層從物理角度隔斷了水及污染物向金屬基體表面的擴(kuò)散，是降低CUI的有效措施。
有機(jī)涂層是工程中應(yīng)用最廣的的防腐蝕涂層，其原理主要是通過有機(jī)涂層與金屬基體形成良好的粘結(jié)層來阻擋水及電解質(zhì)向金屬表面的擴(kuò)散；防腐蝕性能主要取決于涂層與金屬基體的粘結(jié)強(qiáng)度和涂層抵抗水及侵蝕性離子滲透的能力。
耐高溫涂層一直是CUI研究的重點，防腐蝕耐高溫涂層體系及特性如下：
①環(huán)氧樹脂體系，適用于溫度較低處，耐酸性一般，涂層較硬。
②環(huán)氧酚醛體系，適用溫度可至250℃，是常用的耐高溫涂料，其電絕緣性良好，耐水及抗一般化學(xué)品腐蝕性能較好，但機(jī)械性能較差。
③有機(jī)硅樹脂體系，適用溫度可至600℃，是常用的耐高溫涂料，其高亮度、高硬度耐磨及絕緣性能好，但耐堿性差，在高溫下可能會產(chǎn)生回粘。
④無機(jī)共聚物體系適用溫度可超過1000℃，其具有較高的耐熱性、導(dǎo)熱系數(shù)低及電絕緣性好，但使用成本較高，常用于超高溫工況。
新型涂層技術(shù)在CUI預(yù)防中也得到了廣泛的應(yīng)用，其中包括熱噴鋁和冷噴鋁等。熱噴涂技術(shù)是利用氧燃料或噴射電弧，將噴涂材料加熱至半熔融或熔融狀態(tài)，通過氣流吹動使其霧化高速噴射到零件表面，形成噴涂層。美國腐蝕工程師協(xié)會研究表明，熱噴鋁涂層能有效預(yù)防碳鋼的CUI，對設(shè)備的防護(hù)壽命達(dá)到20~30年。冷噴鋁涂層，主要成膜物質(zhì)是鈦改性無機(jī)共聚物，片狀金屬鋁，能充分發(fā)揮屏蔽保護(hù)作用。冷噴鋁涂料在高溫情況下，尤其是熱沖擊或熱循環(huán)工況條件中，表現(xiàn)出了優(yōu)異的防腐蝕性能。轉(zhuǎn)化膜新技術(shù)、滲鋁技術(shù)已成功應(yīng)用于長輸管防腐蝕工程中。金屬表面防腐蝕涂層的選用，應(yīng)綜合考慮最高運(yùn)行溫度、持續(xù)運(yùn)行時間以及涂層推薦應(yīng)用壽命來進(jìn)行選擇。工程設(shè)計中可參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如HG/T20679-2014《化工設(shè)備管道外防腐設(shè)計規(guī)范》及美國腐蝕工程師協(xié)會（NACE）最新標(biāo)準(zhǔn)NACESP0198-2010《保溫層下和防火材料下面腐蝕控制》。NACESP0198-2010從腐蝕機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、保溫材料選擇及防腐蝕涂料選擇等方面非常詳細(xì)地介紹了CUI的產(chǎn)生和預(yù)防手段，列出了部分針對不銹鋼以及碳鋼表面防腐蝕處理的涂層體系，具有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義。
04 檢測與維護(hù)
CUI具有隱蔽性和偶然性。有效的檢測和維護(hù)，能最大程度地降低和減緩CUI的發(fā)生。除目視檢測外，常用的檢測方法有：X射線或γ射線背反射；深度滲透渦流（厚壁）、微波和紅外成像等。渦流技術(shù)在帶防腐蝕涂層檢測技術(shù)中報道較多，其原理是基于磁感應(yīng)將保溫層下出現(xiàn)腐蝕或微裂紋通過渦流大小顯現(xiàn)出來。對目視檢查腐蝕嚴(yán)重的，在測厚檢測的基礎(chǔ)上，還應(yīng)輔以蝕坑測量、光譜分析及X光成相等技術(shù)手段，準(zhǔn)確評定腐蝕程度和評估風(fēng)險。對不易檢查和檢查費(fèi)用較高的管線（如塔附屬管線）可采用導(dǎo)波檢測。
重點關(guān)注易發(fā)生CUI部位：
①冷卻塔溢出水影響區(qū)域；
②暴露于濕氣或酸氣、液體溢濺及Cl-含量高區(qū)域；
③蒸汽排放點附近；
④保溫層系統(tǒng)分支或開口部位，如管線的支吊架和高低點放空等；
⑤包覆層、防潮層及防腐涂層老化的部位；
⑥保護(hù)層接縫處水平上半部和密封搭接不嚴(yán)實的部位；
⑦保護(hù)層脫落或損壞的部位；
⑧豎管保溫的終端；
⑨保溫層下法蘭、螺栓和其他附件；
⑩設(shè)備穿透保溫層的部位（如支腿、管口、支架及銘牌等伸出部位）和水分容易滯留的部位等。
維護(hù)還應(yīng)重點關(guān)注對工廠安全運(yùn)行影響大的高溫高壓和有毒有害管道設(shè)備的CUI狀況。