作者：李喆，李妍
（海洋石油工程股份有限公司，上海 200050）
摘要：
某位于沿海地区的乙烷分离塔在运行期间,其保温层下奥氏体不锈钢出现密集裂纹。通过现场调查分析,确认其失效模式为高温环境下氯离子引发的应力腐蚀开裂。案例分析表明,在类似腐蚀环境的工况下,应合理使用奥氏体不锈钢作为设备材料,且必须采用有效的防腐涂层并实施严格的氯化物浓度控制。本研究进一步从材料优化选择、腐蚀风险评估与在役监测技术等方面,系统探讨了保温层下腐蚀的综合防护策略,以期为同类压力容器的完整性管理提供参考。
关键词：保温层下腐蚀; 应力腐蚀开裂; 案例分析; 腐蚀防护
0 引言
沿海地区工业设备常面临高温、高湿及氯离子富集的复杂腐蚀环境，给压力容器的长期安全运行带来严峻挑战。保温层作为保障设备换热效率、维持工艺温度的重要结构，其下金属基体的腐蚀问题却易因隐蔽性被忽视，成为设备失效的潜在隐患。近期，沿海地区某乙烷分离塔在服役过程中，保温层下奥氏体不锈钢基体出现密集裂纹缺陷。该案例不仅导致设备停机检修并造成经济损失，更暴露出同类工况下保温层下腐蚀防护体系存在的薄弱环节。本文以该乙烷分离塔腐蚀失效案例为切入点，明确了其失效机理，并系统探讨了保温层下腐蚀的防护策略。
1 乙烷分离塔腐蚀
1.1 乙烷分离塔情况概述
1.1.1 乙烷分离塔设计参数
该乙烷分离塔设计处理能力为 4×109 m3/a，设计使用寿命25a，于 2013 年正式投入运行。其设计操作参数为：操作压力 4.0 MPaG，操作温度范围-40 ℃（顶部）至 103 ℃（底部）。塔体底部采用碳钢材质，塔体其余部位选用 SS304 奥氏体不锈钢，选用复合硅酸盐板与聚氨酯泡沫作为保温材料。碳钢表面涂敷涂料，不锈钢表面未进行涂敷。
1.1.2 环境条件、工艺流程、介质组分
该乙烷分离塔所处地理位置临海，夏季多东南风，气温高，相对湿度大，设备处于高盐雾环境。塔内处理介质不含H2S，经前置工艺脱碳脱水后进入乙烷分离塔。
1.2 裂纹分布与腐蚀形貌
对乙烷分离塔进行渗透检测，在碳钢与不锈钢连接处的整条焊缝(图 1(c))以及靠近焊缝的不锈钢本体一圈(图 1(a))发现大量裂纹。裂纹呈现不规则状，不锈钢腐蚀裂纹分布呈下多上少趋势。裂纹深且密集，最深的裂纹已达 25 mm［图 1(d)］。在裂纹缺陷消除修复的可行性试验中，发现已经打磨干净的母材随着补焊的进行，次生裂纹不断产生和扩展。对塔内情况进行检查，如图 1(b)所示，内部碳钢与不锈钢及焊缝均未出现腐蚀情况。
2 腐蚀机理分析
2.1 保温层下腐蚀
保温层下腐蚀(Corrosion Under Insulation, CUI)是指碳钢、低合金钢及奥氏体不锈钢在其外表面保温层覆盖区域发生的外腐蚀现象。该腐蚀的核心原因是水或冷凝水通过保温层的缝隙、破损处渗入，在保温层与金属表面之间形成持续潮湿环境，进而引发电化学腐蚀反应。对于碳钢和低合金钢，腐蚀形式通常为点蚀或均匀腐蚀；对于奥氏体不锈钢，其腐蚀形式通常为应力腐蚀开裂。本案例中的腐蚀基质为奥氏体不锈钢。
对塔体外部保护层的完整性检查结果显示，保护层连接部位的铆钉存在明显松动及脱落现象。该缺陷直接导致保护层密封性能失效，使得塔体所处的高盐雾环境中的腐蚀性介质(水分、氯离子)具备了渗入保温层内部的通道。由于保温层材料具有一定的吸湿保水特性，渗入的水分与氯离子无法有效挥发或排出。在干湿循环的作用下，氯离子逐渐在保温层与不锈钢表面的界面处积聚，最终形成了持续的潮湿、高氯离子浓度的局部腐蚀环境。
乙烷分离塔奥氏体不锈钢腐蚀形貌主要表现为明显的裂纹状缺陷，其主要特征为：（1）裂纹密集分布于塔体的焊缝热影响区，该区域存在较高的焊接残余拉应力，属于典型的应力集中区域；（2）从裂纹的宏观形态来看，其呈现出典型的“河流状”分枝特征，即主裂纹延伸过程中不断产生次级分枝裂纹，该形貌与应力腐蚀开裂的特征吻合。该乙烷分离塔工作地点靠海，设备处于高盐雾环境。经测定，保温层中氯离子含量高达270×10-6。综上，可判定乙烷分离塔奥氏体不锈钢发生的腐蚀形式为氯离子应力腐蚀开裂(Chloride- Induced Stress Corrosion Cracking, CISCC)，该腐蚀过程示意图如图 2 所示。
2.2 氯离子应力腐蚀开裂
CISCC 是指奥氏体不锈钢在氯化物与拉应力共同作用下发生的脆性开裂现象。在本案例中，乙烷分离塔的保温层为氯离子腐蚀提供了高温环境。外界水溶液携带氯离子通过保护层破损处进入乙烷分离塔，扩散至不锈钢表面。水溶液在保温层高温下的持续浓缩会使得氯离子不断富集，逐渐在不锈钢表面形成盐壳覆盖层。此时不锈钢表面会交替处于液相与气相环境中，温度升高，盐壳下方易发生沸腾现象，进而引发缝隙腐蚀。该腐蚀过程首先会在不锈钢表面形成蚀坑，且其内部存在残余应力，蚀坑会进一步扩展形成微观裂纹。CISCC 具有典型的温度敏感性。本案例中，在乙烷分离塔下部高温区域，裂纹深且密集分布；而在塔上部操作温度相对较低的区域，裂纹数量明显减少，裂纹分布与操作温度梯度相关。因此，一旦在奥氏体不锈钢设备上观察到这种与温度梯度相关的裂纹分布，应当考虑发生了 CISCC。
3CUI防护策略与建议
CUI的发生具有隐蔽性，且保温层下的环境会加速材料腐蚀。有研究表明，对于碳钢而言，保温层下的腐蚀速率可达正常条件下的20倍。本案例中的乙烷分离塔仅投用12a便出现了深度达25 mm的裂纹，充分印证了保温层下腐蚀的严重危害性和潜在风险。因此，需针对 CUI 建立系统化的检测与防腐体系，以保障设备在设计服役周期内的结构完整性与运行安全性。本研究针对CUI防护提出几点策略与建议。
3.1 材料选择与优化
应遵循系统性防护原则，从保温材料、金属保护层、基体材料及外防腐涂层 4 个方面，对保温层下管道或设备进行综合腐蚀防护。
（1）保温材料
当保温材料用于奥氏体不锈钢设备时，应严格按照《GB/T17393—2008 覆盖奥氏体不锈钢用绝热材料规范》中对可溶出氯离子含量的要求对保温材料进行检测，确保材料本身不成为腐蚀诱导源。同时，宜选用憎水性强、吸水率低的产品，以最大限度减少水分的吸附与滞留。
（2）保护层
保护层是阻隔水分侵入的首道物理防线。在腐蚀性较强的环境中，推荐采用耐候性更佳的铝板或镀铝钢板。其施工须严格执行《GB 50126—2008 工业设备及管道绝热工程施工规范》等标准，确保接缝严密、搭接方向合理。
（3）基体材料
对于处于极端腐蚀环境下的设备或管道，在经济性与可靠性权衡的基础上，可考虑将基体材料升级为耐氯化物应力腐蚀性能更优的超级双相不锈钢。
（4）防腐涂层
应当选择满足要求的外防腐涂层。ISO19277-2018对保温层下涂层的选用有着严格的规定，要求相应涂层进行人工老化(Artificial ageing)以及热循环（Thermal cycling）测试。人工老化测试要求涂层试样在盐雾环境下暴露720 h并且热暴露480h。热循环测试要求不同 CUI 分级的涂层试样在对应温度下循环20 次。此外，还要求进行为期 6 周的多相 CUI 循环腐蚀测试。该测试循环流程具体为：每轮循环包含 15组各4 h的干热环境与 4 h 的湿热环境交替暴露，以及1次48h的常温环境暴露(用以模拟设备停工工况)，整体试验需完成 6 轮上述循环。随着工业界对保温层下腐蚀危害认识的逐渐加深，对 CUI 下涂层的预认证测试更为严格。NORSOK M-501-2022中要求除了对涂层进行 ISO 19277-2018中的相关测试以外，还要求对涂层进行高温静态热测试(High temperaturestatic heat test)。该测试要求 将试样放置于炉中以10 ℃/min 的加热速率升温至 204 ℃，在 204 ℃下保持28 d，随后冷却至室温并检查涂层粘结状况。
3.2 CUI 风险评估CUI
风险评估(CUI Risk based assessment)方法是一种基于风险的系统性管理方法。该方法通过识别设备 CUI 隐患、量化风险等级、制定分级管控策略，实现设备腐蚀失效的防控目的。DNV-RP-G109提出了一种基于 PDCA(计划-执行-检查-行动)循环的金属保温层下腐蚀风险评估框架。该方法从材料属性、涂层性能、湿润条件及设计因素 4 个维度综合评价失效概率(Probability of Failure, PoF)，进而确定保温层下金属腐蚀的总体失效概率水平。根据所得 PoF 值，可将风险划分为非常低(VL)、低(L)、中等(M)、高(H)和非常高(VH)5 个等级。DNV-RP-G109是以碳钢为基本对象建立的风险评估框架，这套方法论的核心逻辑同样适用于其他材料。但需要针对特定材料的失效机理，对应调整关键的敏感参数。例如，对于本案例中位于盐雾环境中的奥氏体不锈钢，可以在此框架的基础上额外引入“氯离子含量”等因素作为关键因子来进行CUI风险评估。
3.3 腐蚀检测监测技术
通过对设备进行定期检测，可以有效降低 CUI 失效的发生概率。常用的检测方法为目视检测，即需要首先人工拆除设备保护层以及保温层，然后对金属表面形貌进行检查。目视检测不仅会产生人工拆卸与恢复费用，还会产生设备停产造成的经济损失。此外，在恢复过程中，若施工质量不佳，会为水分再次侵入创造新的路径，反而加剧了未来的 CUI 风险。无损检测可以节省人力、物力和时间成本，避免因拆卸和恢复作业引入的新风险。
目前，CUI 无损检测主要包括以下方式：超声波法，红外无损检测、X 射线、伽马射线检测、超声检测、涡流检测等。通常通过设置腐蚀挂片，传感器等方式进行腐蚀的连续性监测。针对 CUI 腐蚀的特点，应当综合设置润湿传感器、温湿度传感器、氯离子/污染物传感器等环境传感器，以及电阻探针、电化学噪声探针等腐蚀监测传感器。例如，Thomas等在保温层下设置了分布式光纤湿度传感器，以进行水分的实时监测，从而降低 CUI 风险；Cho 等在保温层下安装了湿度传感器和声发射装置，以实现腐蚀速率的动态监测；林斌等则在保温层下安装了电偶探针、温湿度传感器、涂层阻抗传感器，对保温层下腐蚀情况与涂层进行耐久性监测。腐蚀的实时监测与可视化技术的融合是一个重要且具有应用前景的技术手段。
Tsai 等基于均匀腐蚀理论，通过传感器采集数据进行腐蚀预测计算，将 预 测 结 果 直 观 集 成 于 建 筑 信 息 模 型 (BuildingInformation Modelling, BIM)中，实现了 CUI 的可视化监测。Oskuie 等将保温层内嵌入式传感器采集到的腐蚀相关数据无线传输至中央服务器，通过 CUI 风险评估模型计算出保温层下腐蚀失效概率，使终端用户可以远程获取腐蚀分析结果，从而优化腐蚀监测方案。综上，依托前文所述的 CUI 风险评估方法，整合传感器数据采集技术与 BIM 可视化优势，构建一体化腐蚀监测与预警平台，能够突破传统监测局限，实现CUI 的实时化、可视化动态评估。
4 结语
本案例通过某乙烷分离塔的失效案例分析，揭示了盐雾环境下奥氏体不锈钢发生保温层下应力腐蚀开裂的腐蚀机理，并得出以下工程经验：对于高温条件和有氯离子存在的 CUI 环境中应合理使用奥氏体不锈钢，且必须配合外防腐涂层系统以及严格的氯离子控制。由于保温层下环境的复杂性，在实际工程中，应当针对具体案例开展材料选择与优化，进行腐蚀实时监测，采用 CUI 风险评估方法等手段，以降低CUI 安全隐患。目前的 CUI 风险评估方法体系大多基于碳钢，针对 CUI 下不锈钢的风险评估方法需要进一步研究。此外，将 CUI 风险评估方法与实时监测技术融入设备完整性管理，是实现安全隐患早期识别与低成本高效治理的必然趋势。
来源：《涂层与防护》2026年第5期
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