压力容器腐蚀监测技术:电阻法

2022-03-18 14:40:29 作者：工业小南点来源：工业小南点分享至：

第八章

压力容器腐蚀监检测技术及腐蚀寿命预测

压力容器腐蚀监测技术简介

电阻法

1 原理

腐蚀监测电阻法是测定压力容器壳体及受压元件金属的电阻变化，如果腐蚀大体是均匀的，则电阻的变化与腐蚀的增量成比例。从每次的读数可以计算出经过一段时间之后的总腐蚀，因而也可以计算出腐蚀速度。如果选择足够灵敏度的元件，就允许腐蚀速度变化较快。如腐蚀速度变化参数很重要时，也可以选用更为合适的其他方法。

电阻法在实际应用中已得到很好验证，其使用和对结果的解释通常都很简单。商品仪器可以用一个或多个探头作周期性测量或连续测量。因此，可以将腐蚀与工艺参数联系起来。这种方法是压力容器运行期间进行腐蚀监测的基本手段之一，常用于腐蚀控制。它也可作为一种诊断手段，估计工艺变化对腐蚀的影响，如评选缓蚀剂的效果，图8-2。

图8-2 腐蚀探头测量结果（轻石脑油冷凝器）

这种方法的优点在于它能够测定液相或气相的腐蚀。而且，它不像使用极化阻力法那样，液相必须是电解液。其缺点是除非腐蚀是均匀的，否则不容易解释测量结果。因此，这种方法不适合于点蚀、应力腐蚀破裂或其他局部性腐蚀破坏。此外，它也和那些测试元件通常都要插入生产装置内部作为探头的技术一样，具有共同的弱点，探头行为不可能与生产装置本身的行为完全相同。

2 仪器装置

大多数现场经验都是用Corrosometer仪和探头取得的，市场上可买得到的其他规格的仪器也基于相同的原理，具有相似的或等效的特性。测量仪器通常以凯尔文或惠斯登电桥为基础，处于腐蚀状态下的元件作为电桥电路的一个臂。采用交流电桥（凯尔文电桥）比较好，因为它避免了测试元件上任何电极电位变化而产生的影响，并使仪器设计简化。该仪器的设计原则是，对于元件的有效寿命来说，平衡电位器的阻抗与元件厚度成比例。元件的有效寿命一般取为元件厚度减少到原始厚度的一半所需要的时间，以最大限度地减小由于腐蚀不完全均匀而产生的测试误差，这一点，随着元件的逐渐变薄而愈来愈重要。

平衡电位器是这样选择的，其刻度范围为0~1000，此范围与探头元件的有效金属损失相对应。例如，一个丝状探头元件，厚2.0mm，此探头的有效厚度损失为1.0mm，这相当于在元件周围0.5mm的穿透深度。因而，将0.5mm的金属损失与平衡电位器上刻度的变化相对应，经过一段时间之后的穿透深度（总腐蚀）或者平均腐蚀速度可由下述关系确定：

在Corrosometer仪里，这种关系可以写成：

对于直径2.0mm的丝状元件，式中探头系数为0.5。探头系数是所用元件类型和尺寸的表征。对于原始厚度为0.25mm的管状元件，如果只从一侧腐蚀，那么，探头系数就是0.125。如果采用单一类型的元件，显然可以标定这个仪器，以直接读取累积的金属损失。这种基本仪器可以很容易组配起来进行连续记录，或利用传统的仪表工程技术自动地扫描大量的探头。另外，还可以配合使用差动分析器直接得到腐蚀速度读数。

3 探头设计

测试元件通常采用丝状、管状或片状，这样，可以预期这种元件的电阻与温度之间密切的依赖关系。所以设置一个“比较”元件，可将温度补偿置入Corrosometer仪探头内。此比较元件必须防腐，并靠近受腐蚀的元件放置，因而经受相同的温度条件。该比较元件装到探头体内，可以采用填充在探头内的环氧树脂或陶瓷保护。进行测量时，它作为电桥的第二臂。第二个 “比较电极”通常放置在探头体内，使用时用来对填充系统和探头内部回路的完整性作 “检查”测量。为了通向腐蚀性介质，暴露的测试元件通常采用通道狭窄或类似结构的套筒做机械性防护。如图8-3所示。

图8-3 可伸缩型电阻探头示意

购买市售探头可根据合金和各种元件的类型和厚度的范围来考虑。选择一种元件时，需要在工作寿命和灵敏度之间权衡。对于那些厚度变化微小的测量，使用管状或片状薄元件的探头可获得最大灵敏度。但薄元件的有效寿命比那些较厚的丝状元件短得多，丝状元件的灵敏度则较低。大多数灵敏的探头都采用薄的金属箔作元件，这种元件可用于大气腐蚀实验。对现场应用来说，管状元件常常具有最好的综合性能，这种元件将适当的灵敏度与强度结合起来，可以防止机械损坏，避免流速影响。这种元件还有另外一些优点，它比片状或丝状元件往往更能代表压力容器的冶金条件（出现蚀坑时，对横截面积的影响相对减小），比丝状元件有更长的寿命。

所制成的Corrosometer探头可用于加压系统，压力达到3.5MPa以上。最高使用温度取决于聚四氟乙烯或者取决于陶瓷、玻璃端面绝缘块（用来将探头元件与探头体绝缘的材料）。聚四氟乙烯和玻璃块的使用温度 260 ℃以下，陶瓷块可达540 ℃。但是，如果密封垫或填充材料在使用环境中发生化学破坏，则实际限度要比这些数值低。这种探头可以制成固定式，在停车期间插入和从系统中取出；或者，制成伸缩式的探头，可通过一个填料密封装置和法兰或闸阀在压力容器运行期间插入和取出。其他探头许多设计大体类似。有时，可以将一种来源的探头与另一种来源的仪器组合。但是各种探头在总设计上是采用某特殊仪器来操作的，因此，并不是所有的探头与仪器都能组合起来使用。

特殊的探头已经用于各种目的。之所以设计一种特殊探头，是因为要对一种特殊合金进行试验；或者，是因为使用环境使得通常的探头腔或密封材料不合适；或因需要采用一种特殊要求的几何形状。还设计了各种探头对特殊问题进行研究。例如，在一种适当的基片上沉积一层薄的金属膜所制成的腐蚀显示器已经用于包装和贮藏方面的研究；通过印刷电路技术将接线引入包装内，并采用特别的测量仪器，可以测定出小至3×10-5 mm的金属损失量；在其他极个别情况下，测试元件可从板材或管材加工而成，并用塑料浇铸，使组合件成为设备壁的一部分。其他特殊的探头设计曾用来模拟如换热器的列管入口端的几何条件，还可以设想各种特殊设计及其多种变化。

4 安装及使用

电阻法已经在许多种化工、石油化工生产装置和环境中获得应用。可以预料，它将成为一种标准方式并扩大应用到工艺过程和其他工业上。但这种技术也有其局限性。要想得到有用的信息，探头选择和安放位置都是很关键的。

a.使用环境的类型。可以用于液相或气相中测量腐蚀，而且，液相不必是一种良好的电解液。此技术也已经用到 “固相”环境中，比如在混凝土中模拟钢筋的腐蚀。这种技术应用时主要的局限性是由探头设计和材料所带来的，而且，腐蚀还必须基本上均匀；

b.探头类型和尺寸的选择。当腐蚀速度低或者腐蚀速度的频繁变化与其他参数有关时，宜采用采用灵敏的薄元件。如果腐蚀速度高，较厚的元件将有较长的使用寿命。在灵敏度和寿命之间的最佳协调取决于环境。

有实际重要意义的典型腐蚀速度是0.25 mm?a-1。这样，一个2 mm的丝状元件，其有效寿命为2年；而0.25 mm厚的管状元件，其有效寿命为6个月；厚度相同的片状元件，如果腐蚀从两侧同时进行，其有效寿命为3个月。所达到的实际灵敏度取决于使用条件下误差的影响程度，但在典型情况下Corrosometer仪的有效分辨力是电位器上的3个小分度。在上述3种情况下，这大体相当于厚度变化0.0015 mm、0.0004 mm和0.0002 mm。如果腐蚀速度大致不变，那么，从统计学上看，要想得到有明显差别的读数，可在下述时间间隔下测读：约4天、2天、24小时。然而，如果腐蚀速度预期会变化，则合理的做法就是较频繁地读数，这也是任何情况下所希望的。对于某仪器来说，只要认为读数时间间隔不足以精确分辨厚度变化，就不可能从两个读数获得精确的腐蚀速度。一般说，根据一系列读数来估计腐蚀速度更为可靠。测定结果表明，经过一段时间之后，腐蚀速度大体上是恒定的，见图8-4。

图8-4 在重现性良好但在测试期间腐蚀速度已经发生阶段性变化的情况下探头电阻随时间的变化

c.探头位置。探头应放在能模拟所需试验条件的位置上。重要的参数是温度和流速。要避免高速流体直接冲刷探头，除非磨损腐蚀效应是所要研究的目的。假如流体速度可能有重要影响，则可以采用与容器表面贴平安装的平嵌式探头来获得更为精确的结果。

使用时，需要判断一下探头是否安装在腐蚀速度可能是最高的地方，是否安装在能模拟该压力容器 “平均”腐蚀行为的位置上。这种判断与所进行的监测原因有关。可以设置多个探头以说明该容器各部位腐蚀的分布；

d.密封垫和填充垫的稳定性。对一给定结构的探头来说，其有效的工作极限通常受密封垫以及处在监测环境下填充料的稳定性所限制。损坏形式通常都是在金属-非金属界面处发生渗漏而不是整体变质。采用环氧树脂作填充料的探头不应该在含有氯化烃类、有机酸或胺类化合物的介质中使用。采用陶瓷填充料的探头不应在pH大于9的系统或者存在F-的介质中使用。即使此种探头在某些腐蚀性较低的环境中使用，在其整个有效使用期内，其有效温度极限也应低于标称值。

5 误差来源

采用电阻法所得的原始数据是金属元件的电阻变化。当然，这种测量容易产生误差。但是，从这些数据得到不正确的或无法解释的结论，其主要原因是假设了该元件的电阻变化正比于容器的腐蚀。假定测量装置的安装与操作都正确，考虑到仪器探头组合的分辨力极限并考虑到这种技术不能正确地跟随腐蚀速度的快速变化，那么，可能产生的主要误差来源如下：

a.探头元件的冶金条件。在探头元件和生产装置之间冶金条件方面的差异通常并不重要，但有时候还是值得注意的。在高温下作业，元件应力松弛也能产生误差。

b.探头安装。如果采用常规结构的探头，则测试元件经受的流速条件可能明显不同于压力容器表面，元件的腐蚀行为与容器表面也会不同。实际上，与冶金上的差异相比，这种流速条件的差异更可能是个重要因素。但在大多数情况下，这种作用又不是很大的。

c.温度变化。在温度快速波动的物料中，单个测量的精度减小，需要对腐蚀结果进行平均。由于暴露元件对温度变化的响应往往快于被保护起来的比较元件，所以，这种情况就会发生。例如，在蒸馏塔顶馏出物管线上，如果遇到蒸汽或液体的“未蒸发的液滴”，就不可能获得有意义的测量（见图8-5）。

图8-5在温度容易发生快速波动的蒸馏系统中探头电阻随时间的变化

d.局部腐蚀。电阻探头不容易测定局部腐蚀，如点蚀、应力腐蚀破裂等，也不能对这些现象作出有意义的测量。然而，局部损坏能引起全面腐蚀速度偏大。如果在暴露元件上发生了这些类型的腐蚀，起初对电阻的影响不是很大，当探头接近使用寿命极限时，这种影响才比较大。因此，如果可能发生局部破坏现象，则表观腐蚀速度的明显增加就要受到怀疑。

e.腐蚀产物。电阻法测量通常不会受到元件上沉积物或腐蚀产物的影响，因为金属导电性一般要比这些物质高得多。但当测量是在高温下进行的时候，对于带有某种锈皮，如硫化物的元件，情况可能就不同。

插到已经使用过的压力容器内的新探头，其元件的表面状况不同于该容器的表面，这是采用探头进行测定的各种监测技术可能存在的一个难题。最初的腐蚀速度可能与容器表面的腐蚀速度不同，但当形成一层与容器表面膜相类似的膜时，情况就会有所改变了。

f.电解液电阻。在导电性强的电解液中，有可能在电流流过探头元件的同时，平行地从电解液流过一定电流。在大多数情况下，这种误差并不重要，但当需要精确测量时，就必须考虑这一点。

电阻法在广泛的使用条件下已被实践所证明是种很好的方法。在许多工业上，可视为一种标准方法，所讨论过的误差来源通常并不明显。然而正像许多监测技术那样，只有在其使用范围内应用，它才可靠。

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