近年来，随着石油化工装置运行年限的增加，设备和管道的保温层下腐蚀（CUI）问题变得日益突出，严重威胁装置的安全稳定运行。在分析CUI成因的基础上，综述了传统CUI检测方法和新型无损监检测技术的研究进展，对比分析了各种CUI检查方法的优缺点。选择CUI的检查方法时应从可操作性、工作量、效率、效果、成本及安全等方面进行综合评判和分析，选择出最合适的监检测技术或方法，从而实现精准高效监检测。
关键词：保温层下腐蚀（CUI）；检测；石油化工装置；应力腐蚀开裂
基金项目：中国石化集团公司科技开发项目（CLY19141）
在石油化工行业中，出于节能和工艺考虑，多数设备和管道需要采取绝热保温层措施。然而，设备和管道运行过程中，会发生保温层下腐蚀（CUI），特别是沿海企业，CUI问题更为突出，严重时甚至发生腐蚀泄漏，导致非计划停工，严重威胁了装置的安全稳定长周期运行，影响企业的经济效益［1-3］。由于CUI具有一定的偶然性和隐蔽性，很难在第一时间发现。传统的检测方法是拆除保温层结构，进行目视检查、渗透检测和超声波测厚等，这些方法检测效率低，且拆除保温层结构成本较高，难以满足企业的检测需求。
该文综述了不同CUI监检测方法，对比分析了不同CUI检测方法的应用情况和优缺点，提出CUI检测方法的发展趋势，为石油化工企业CUI检测提供借鉴。
1 CUI成因分析
采用了保温层结构的设备或管道，由于水分的渗入而又无法及时挥发导致保温层下金属发生的腐蚀现象称为保温层下腐蚀（CUI）。CUI分为两种类型：一是碳钢或低合金钢发生的均匀腐蚀或坑蚀，其腐蚀产物通常为松散的片状腐蚀产物结构；另一种是奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂。CUI腐蚀形貌见图1。
1.1 腐蚀机理
在装置运行中，保温层的结构被破坏导致水分进入，保温材料的多孔结构对水分起到一定的滞留作用，从而在保温层下形成电化学腐蚀环境。同时保温材料中含有一定量的Cl和S等元素，加剧了腐蚀，其电化学腐蚀反应方程式如下：
阳极和阴极反应的 Fe2+和 OH-生成Fe（OH）2，在氧气作用下进一步生成 Fe（OH）3和Fe3O4，腐蚀产物疏松易脱落，缺乏保护性，从而进一步加剧腐蚀。
图1 保温层下腐蚀形貌
1.2 影响因素
CUI主要受水分、温度和保温材料类型等因素的影响［5］。保温层结构中水分的滞留是导致CUI发生的直接原因，水分的来源主要包括保温层结构被破坏后雨水的渗入和金属表面产生的冷凝水。保温层下水分的滞留和氧含量受温度影响较大，碳钢和低合金钢CUI的敏感温度区间为-12～175℃，奥氏体不锈钢保温层下应力腐蚀开裂的敏感温度区间为60～205℃，而双相不锈钢应力腐蚀开裂敏感性较低。图2为碳钢在水中的腐蚀速率与温度的关系。从图2可以看出：在开放系统中，温度升高，水中氧含量降低，在80℃以上时，碳钢的腐蚀速率开始明显降低；但是在封闭系统中，随着温度的升高，碳钢的腐蚀速率持续增大直至达到水分可以快速蒸发的温度为止［5-6］。
图2 温度对碳钢腐蚀速率的影响
保温材料具有一定的吸水性，其中含有的氯化物、硫酸盐等可溶性盐类增加了水溶液的导电性，且金属盐类的水解会导致溶液pH值降低，这些均对电化学腐蚀过程具有促进作用。在大量水分存在的区域，CUI的温度上限也会随之升高。此外，设备或管道在冷热循环、干湿交替等工况下运行也会加速 CUI。
2 CUI监检测技术应用现状
2.1 目视检查
目视检查是通过拆除设备或管道的外保温层结构，直接观察并配合超声波测厚获得保温层下金属材料的腐蚀及裂纹状况的检测方法。该方法的突出特点是简单、直接、有效，但是，由于拆除保温层结构工作周期长、工作量大导致成本较高，且恢复后的保温层质量也难以得到保证，易发生二次腐蚀。鉴于以上原因，该方法在实施过程中通常又适宜于进行局部的单点检测，难以实现全面检查，检查结果存在片面性，不能真实地反映保温层下腐蚀状况。因此，该方法更适合于企业生产管理人员的日常巡检，针对发现保温层结构破损的部位实现快速筛查。
2.2 渗透检测技术
渗透检测技术是利用毛细作用的原理，将溶有荧光染料和着色染料的液体涂覆到管道或设备表面，形成放大了的缺陷，有效地实现检测的方法。渗透检测技术可用于不锈钢保温层下应力腐蚀开裂（ESCC）检测，具有操作简便、快速和检测结果直观等特点，成本较低。然而，实施渗透检测技术前需要拆除保温层结构，适用于局部小范围检查，若用于大面积检查则效率偏低。此外，该方法仅能检测出表面的裂纹分布，难以确定裂纹深度并做出定量评价。
2.3 红外热成像技术
红外热成像的原理是将不同温度物体辐射出的不可见红外能量以热图像的形式呈现出来，可精准识别保温层结构中异常的温度区域［14］。保温层进水后，其导热系数会明显提高，与未发生进水部位的温差明显增大，通过红外图像可以直观地发现进水部位，针对异常部位及早检查处理，防患于未然。
马永明［15］采用红外热成像的方法对某企业常压塔顶部位进行检测，发现该处存在异常温度，温差达到20℃以上，两个月后该处出现油气泄漏引发火灾导致装置停工，由此可知，红外热成像技术在一定程度上能够及早发现温度异常部位，识别潜在腐蚀风险。
红外热成像仪便于携带、操作简单、检测效率高，且不受检测距离的限制，避免了高处保温层结构检测耗时耗力的缺点，检测范围较广，可实现对设备和管道的大面积扫查，有效避免局部疏漏。红外热成像法属于间接检测，通过发现保温层结构的温度异常点，拆除保温结构，并结合目视检查进一步确定腐蚀状况。红外热成像法不适合用于埋地保温层结构的检测。
2.4 脉冲涡流检测技术
脉冲涡流检测原理：对被测物体施加一个具有一定占空比的脉冲方波信号，当迅速切断方波信号时，被测物体周围的磁场会迅速衰减，被测物体在衰减的磁场中感应出脉冲涡流，脉冲涡流进而产生二次磁场，此时切断激励电流产生的一次磁场为零，如果被测物体表面有缺陷，就会反映出二次磁场的变化，通过检测线圈将二次磁场的变化转换为电压信号，可以判断出被测物体表面的缺陷状况。
仇朝军等［20］对带有保温层结构的Q235B压力容器进行了脉冲涡流检测，检测结果与容器实际缺陷的分布和大小一致。脉冲涡流检测不需要将探头与试样表面直接接触，在保持一定距离的情况下仍然具有较高的准确度，因此该方法可以在不拆除保温层的条件下实施CUI检查。此外，通过使用绳索或移动传感器连接，脉冲涡流检测仪可实现自动爬行检测，大幅度提高检测效率，降低人工成本。脉冲涡流检测技术仅适用于碳钢或低合金钢等铁磁性材料，对于非磁性的奥氏体不锈钢及带有镀锌板覆层的保温层检测效果欠佳，因而其应用范围也受到限制。
2.5 X射线成像技术
X射线成像技术的原理：利用X射线对不同材料的穿透能力不同（对保温材料穿透能力强、对金属材料穿透能力弱），通过激发的X射线将管道及其保温层结构进行投影成像，获得保温层渗水和管道表面腐蚀情况等直观图像信息，达到CUI无损检测的目的。
董聪等［23］采用X射线成像技术对某管道进行保温层下腐蚀检测见图3。其中图3右下侧暗色部位为管道主体；亮色与暗色交界面为管道的外表面轮廓，该线条越不光滑，说明管线表面腐蚀越严重；亮色区域为保温材料；亮色中较暗的部位为保温层进水区域。从图片中直观的获得管道表面腐蚀状况和保温材料进水情况，获得了良好的检测效果。
图3 某管道X射线检测照片
X射线成像技术在不拆除保温层结构的情况下，可以快速、真实、直观地反映设备或管道表面的腐蚀以及保温层结构的渗水情况，是一种直观、高效的无损检测技术。但是，由于X射线穿透能力较强，该方法仅能针对小范围区域进行检测，不适用于大面积的筛查。并且X射线对人体有一定的辐射伤害，操作人员应当进行适当的防护。
2.6 超声导波检测技术
超声导波检测技术的原理是将磁性铁钴薄条粘贴在被测物体表面上并施加超声波，该超声波沿被测物体传播并被其表面的形状所约束。当被测物体表面存在缺陷时会反射回相应的信号，并在接收线圈上产生变化的电压，从而实现对缺陷部位的定位。
广东省特检院季鹏等［27］采用超声导波技术对7条管道实施保温层下腐蚀检测，发现多处缺陷部位，检测效率高。谢浩平等［28］采用同样的方法对导波检测技术进行了验证，认为该技术可用于保温层下管道缺陷的检出和辨识。超声导波较传统超声波传播距离长，通常在20～30 m的范围内衰减很小，现场检测时拆除一段保温层结构就可以实现长距离的检测，扩大了检测范围，提高了检测效率；但是，超声波受温度、保温层结构、涂层、支架及弯头等因素影响，适用于-20～120℃的温度，因此，在布置探头位置时需要进行合理的选择［29］。
此外，超声导波检测设备价格较高，虽然能够提供被测物体的整体腐蚀状况（平均壁厚），但检测结果不能区分出内外壁的缺陷，且对点蚀等孤立缺陷的检出率较低。因此，在采用超声导波检测前，应进行综合分析，设置合理的阈值，从而更高效地检测出缺陷的位置和大小［30］。
2.7 基于金属电位差的在线监测技术
基于金属电位差在线监测技术采用的是电化学原理，其原理如图4所示。两种金属材料之间存在电位差，将其同时浸入电解质溶液中时，二者与溶液之间形成了电极电位。该技术通过将设备或管道与金属保护层用导线连接，采用万用表定期监测二者之间电位的变化，实现对保温层结构进水情况的监测［31］。
图4 基于金属电位测试原理
基于金属电位差在线监测技术实施方法简单，在不破坏保温层结构的前提下，仅需要使用导线将其引出，节约了监测成本，而且该技术响应快、检测灵敏度高，可以在第一时间发现保温层进水情况，并配合目视检查进一步确认。但是，该技术无法对已经进水的保温层进行进水程度量化评定，因此更适合用于石油化工企业保温层下腐蚀的日常监测。
3 检测技术对比分析
基于前文对保温层下腐蚀各种检测方法进行了详细的分析和评价，从可操作性、工作量、效率、效果、成本费用及安全等方面对不同CUI检查方法的优缺点进行对比，见表1。
表1 不同CUI检测方法的对比
4 结 语
随着石油化工装置运行年限的增加，设备和管道的保温层下腐蚀问题变得突出，逐渐受到越来越多的重视。目视检查和渗透检测等传统检测方法虽然有一定的直观性，但是在检查效率、成本等方面存在着明显的不足。未来，无损检测技术将在保温层下腐蚀的预防和检测方面发挥更大的作用，采用多种检测技术的组合应用，实现各种检测技术的优势互补将成为未来CUI检测的主流形式。此外，针对不锈钢保温层下应力腐蚀开裂的新型检测方法的研究和应用也将取得突破。
作者：李晓炜1，2，樊志帅1，2，段永锋李1，2 （1.中石化炼化工程集团洛阳技术研发中心；2.中国石油化工集团石化设备防腐蚀研究中心）
