实验室测试验证电场图腐蚀监测技术
Testing and Validation of Advanced Corrosion Monitoring Technology
作者:Bander F. Al Daajani 等 翻译:王向农
(本文译自美国NACE《Materials Performance》杂志2017年5月刊)
在线腐蚀监测技术是任何高效的管道完整性管理系统不可分割的一部分,因为它可以确保已建成管道网络的可靠运行。腐蚀监测技术可以分为介入式方法与非介入式方法。实施非介入式腐蚀监测技术时,腐蚀监测位置的选择有更大的灵活性。
本文讨论了应用EFM(electric field mapping)电场图的非介入式腐蚀监测技术,模拟现场条件下的实验室测试评价结果。实验室测试中,应用UT超声波扫描检测进行了比较,以此验证EFM电场图技术的检测结果。
众所周知,腐蚀威胁管道的运行和完整性,也威胁石油天然气工业的其他资产,因为设备管道腐蚀可能导致发生腐蚀穿孔事故,造成生产系统停产事故,危及人员健康和安全,破坏生态环境,造成巨大的经济损失。碳钢是油气输送管道首选材料,因为碳钢具有良好的机械性能和可焊接性,而且碳钢管道建设成本比较低,但是,碳钢材料也容易发生不同程度的腐蚀破坏。所以,碳钢管道需要实施腐蚀监测方案,有效加强管道的运行管理。
目前,石油天然气工业通常在管道上安装介入式在线腐蚀探针或者挂片,用于评价和检测流体的腐蚀性。这些腐蚀监测技术包括电化学噪声、电阻探针、成对环形电阻传感器、线性极化电阻、电化学阻抗谱、多电极矩阵、失重腐蚀挂片等。腐蚀挂片监测属于劳动密集型技术,无法提供早期预警,而且,需要人工拆下腐蚀挂片来计算腐蚀速率。此外,选择介入式腐蚀监测技术时,要考虑到探针和挂片等所处的环境,例如酸性含硫或者脱硫环境。
因此,对于高效的管道完整性管理系统,非介入式腐蚀监测技术的应用就变得尤为重要了。这样可以根据现场操作状况,检测出腐蚀特性的变化,可以及时采取应对措施,减少计划外事故停工的几率,可以对特殊腐蚀问题进行诊断,对正在实施的化学加药防腐方案的效果进行评估,有效延长设备管道的使用寿命。
除了EFM电场图腐蚀监测技术外,可以采用的非介入式方法还有UT超声波扫描和FOS光纤传感器。本文集中讨论EFM电场图腐蚀监测技术,因为EFM电场图腐蚀监测技术比FOS光纤传感器涵盖更大的面积,并能够提供在线读数,而UT超声波扫描技术只能得出某一点的读数。
EFM电场图是非介入式腐蚀监测技术,是基于两点之间的电阻研发成的监测技术。根据欧姆定律,在恒定不变的电流条件下,EFM电场图测量两点之间的电压,这个电压值与电阻成正比。电阻值是随金属的电阻率和带电金属的体积而变化的。当管道设备发生腐蚀导致壁厚减薄时,带电金属的体积就减小了,此时实测的电阻值就会增加。
EFM电场图腐蚀监测系统由112根低碳钢的钢针组成,每根钢针直径6 mm,两根钢针之间距离25 mm。本文讨论实验室测试结果,目的是评价EFM电场图腐蚀监测技术在现场应用的适用性和可靠性。
实验程序
实验选用了三根内径150 mm、长300 mm的碳钢短管,钢管上加工焊接了适宜的接口,以便实验气体进出钢管。每根钢管包含一个特定的电场,用以代表某种腐蚀条件的特定环境。在每根实验钢管4点钟和8点钟位置之间,一共安装了112根钢针,构成了EFM电场图腐蚀监测系统。这些钢针覆盖了4点钟至8点钟之间的目标区域。所有实验钢管的入口与出口串联到一个入口和一个出口上,以便排出实验气体。图1所示是实验装置。
图1 实验装置
Spool 实验钢管 EFM system 电场图腐蚀监测系统 Pins 钢针
之后,用酸液和蒸馏水仔细清洗这些实验钢管。同时,为实验条件1和2制备高总溶解固体分溶液(现场水样总溶解固形物含量24,000,pH = 3.5),为实验条件3制备10%盐酸溶液,pH = 1。
实验用腐蚀性气体含有0.1%摩尔的硫化氢和0.39%摩尔的二氧化碳,剩余为氮气。仅在1号实验钢管和2号实验钢管中使用这些腐蚀性气体。每星期要在70 kPa的压力下,将配置好的腐蚀性气体重新通入这两根实验钢管15分钟。之后,使实验钢管的腐蚀性气体停止循环流动,并维持大约40 kPa较低的压力。3号实验钢管浸泡在10%浓度的盐酸溶液里。此实验钢管连接一台泵,使酸液在钢管内循环流动,实验过程中不通入腐蚀性气体。
如图2所示,X射线衍射分析结果表明,该部位的沉积物以方解石为主,约占85%(重量),还有8%(重量)黄铁矿(FeS2)和3%(重量)四方硫铁矿(FeS)。此外,X射线衍射图谱中还观察到有微量坡缕石、石英和重晶石。
图2 输油管道现场实际采集沉积物的X射线衍射分析结果
Intensity 强度 Compound 化合物 Calcite方解石 Pyrite 黄铁矿Palygorskite 坡缕石
Barite 重晶石 Quartz 石英Mackinawite 四方硫铁矿
结果和讨论
每星期采集一次EFM电场图腐蚀监测系统产生的壁厚数据,用数据管理分析系统解释和分析这些数据。所有实验钢管纵向剖开,目测每根实验钢管内表面的状况。下文分别讨论每根实验钢管的试验结果。
1号实验钢管
目测检查发现金属损失极小,管壁上沉积了少量腐蚀产物,形成坚硬的膜。EFM电场图检测结果表明,如图3所示,没有检测出任何金属损失。与此形成鲜明对比的是,用UT超声波扫描技术检测出0.06 mm的金属损失,相当于年腐蚀速率0.122 mm。
图3 在实验条件1用EFM电场图技术检测的剩余壁厚
Pipe Remaining Thickness管子壁厚 Pipe Longitudinal Direction 管子纵向
Pipe Circumferential Direction 管子环周方向 Linear Distance 线性距离
为了比较EFM电场图检测读数与UT超声波扫描读数,在1号实验钢管的6点钟位置选了六个位置。图4所示是分别用EFM电场图与UT超声波扫描实测的这些位置金属损失平均值。结果表明,用EFM电场图技术是无法检测出六个位置上任何微小的金属损失的,而用UT超声波扫描技术在位置1至5检测出0.03 mm至0.12 mm的金属损失。位置6用两种方法都没有检测出任何金属损失。
图4 用UT超声波测试和EFM电场图技术检测出的平均金属损失
Detected Average Metal Loss 检测出的平均金属损失 Location 位置
2号实验钢管
2号实验钢管的实验条件侵蚀性更强,增加了现场沉积物来模拟实际的现场条件。在这样的实验条件下,用EFM电场图技术依然没有检测出任何金属损失。用UT超声波扫描结果,如图5所示,平均检测出的金属损失大约0.097 mm。相当于年平均腐蚀速率0.194 mm。可以清楚观察到在实验钢管里增加实际现场沉积物的影响,平均检测出的金属损失从0.06 mm增加到0.097 mm。
图5 用UT超声波测试和EFM电场图技术检测出的平均金属损失
Detected Average Metal Loss 检测出的平均金属损失 Location 位置
3号实验钢管
在此实验钢管,用10%浓度的盐水构成更严酷的腐蚀环境。用EFM电场图技术和UT超声波扫描,都观察到钢管内壁有严重的金属损失。用UT超声波扫描在16个检测位置得出平均金属损失大约0.36 mm,相当于年腐蚀速率2.3 mm。在这样的盐酸环境下,用EFM电场图技术检测结果与UT超声波扫描结果相似,平均金属损失大约0.257 mm,相当于年腐蚀速率1.82 mm。因此,两种检测方法得出的金属损失相差只有大约0.1 mm,也就是说,在侵蚀性较强的环境中,EFM电场图检测系统的数据精度和可靠性更加明显。图6所示是实验完成后,3号实验钢管内壁用UT超声波扫描检测出的腐蚀部位。
图5 实验完成后3号钢管内壁用UT超声波检测出的腐蚀部位
图7所示是实验完成后,3号实验钢管内壁用EFM电场图技术检测得出的最终管壁厚度,表明EFM电场图技术能够检测出金属厚度的变化。因此,本项研究确认,当钢管壁厚减薄程度大于0.2 mm时,用EFM电场图检测金属厚度变化是有效的。
图7 实验完成后,用EFM电场图检测得出的剩余壁厚
Pipe Remaining Thickness管子壁厚 Pipe Longitudinal Direction 管子纵向
Pipe Circumferential Direction 管子环周方向
图8所示是六个检测位置上分别用EFM电场图技术和UT超声波扫描得出的结果。由图可见,在2号位置至4号位置,用UT超声波扫描技术得出的读数比用EFM电场图技术得出的读数高出大约30%至50%,而在1号、5号和6号位置,用EFM电场图技术得出的读数比用UT超声波扫描技术得出的读数略高些,大约高出7%至20%。
图8 用UT超声波测试和EFM电场图技术检测出的平均金属损失
Average Detected Metal Loss 检测出的平均金属损失 Location 位置
结论
在三种实验条件下,评价了用EFM电场图检测系统测量金属损失的灵敏度和可靠性。每种实验条件下,比较了用EFM电场图技术的检测结果与用UT超声波扫描的检测结果。根据本项实验,可以得出这样的结论:当金属材料厚度减薄量大于0.2 mm时,EFM电场图技术才能对厚度变化做出有效响应。相比之下,用UT超声波扫描,即使金属材料厚度变化小于0.2 mm,也能够检测出微小的厚度变化。