行业和解决方案
石油和天然气行业绝缘层下腐蚀问题的检测和监测
绝缘层下腐蚀 (CUI) 是各个行业面临的重大挑战，尤其是在石化以及石油和天然气行业。 这个普遍存在的问题隐藏在绝缘层之下，在进行日常维护之前通常不会被发现。如果忽视这个问题，可能会导致安全受到威胁、环境破坏、运营中断、财务损失、不合规、资产寿命缩短和维护挑战增加，最终造成严重的人身伤害，甚至生命损失风险。报告显示，CUI 会带来 40% 至 60% 的管道维修成本 (Dey, n.d.)，相当于数千亿美元的年度行业支出。
本白皮书旨在应对绝缘层下腐蚀 (CUI) 这个长期存在的问题，探讨了先进的传感器技术和监测技术，这些技术在早期检测和持续监测绝缘层下的腐蚀问题方面发挥了关键作用，这反过来又能够显著减少潜在危害，从而保持资产完整性，并在石油和天然气行业实现连续和安全的运营。
绝缘层下的腐蚀概述
CUI 是一种外部腐蚀，通常发生在由碳或低合金钢制成的绝缘设备（如管道）中。要发生这种类型的腐蚀，需要满足两个条件：
- 有水存在
- 有氧气供应
CUI 在温度波动下运营的加工厂和炼油厂最为普遍，这对腐蚀过程起着重要作用。此外，系统暴露在与管道表面接触的腐蚀性产品中也是一种腐蚀源。
绝缘核心的管道通常由钢制成，绝缘材料由缠绕在管道上的材料或组合材料组成，以显著减少热能传递。这将有效减少能量损失，有助于节省大量成本。
保温与保冷管道
保温可防止能量从加热的流体中转移。这种绝缘材料的主要功能是保温。它还可以确保操作员免受热表面的伤害。常用的保温材料有矿物棉、玻璃棉、硅酸钙等。
另一方面，冷绝缘可减少从外部环境到管道的热传递，也限制了冷凝。广泛使用的保冷材料包括聚氨酯泡沫或橡胶泡沫。
了解绝缘材料（包括保温和保冷材料）的组成和功能，即可了解它们在绝缘层下腐蚀这一复杂问题中的作用。虽然绝缘材料的主要作用是控制能量的传递，但当与某些环境和操作条件相结合时，它会无意中创造一个有利于腐蚀的环境。
影响绝缘管道的腐蚀性环境条件。
传统 CUI 检测
各种因素相互作用，进一步加剧了 CUI。 这些因素的相互作用形成了一个复杂的因果关系网络，加剧了该问题，使检测和管理变得具有挑战性。让我们更仔细地剖析这些因素的相互作用，阐明它们复杂的相互作用如何加剧 CUI 问题发展。
首先，环境条件对 CUI 的发生有很大影响。湿度、温度波动以及暴露在盐雾或工业污染物中会增加水侵入绝缘材料的可能性，而这是发生 CUI 的先决条件。这些条件与设备的工作温度相结合，通常为腐蚀创造了完美的条件。
另一个关键因素是绝缘材料的质量和类型。如前所述，绝缘材料差异很大，它们的有效性和保水性有助于发生 CUI。例如，多孔绝缘材料（亲水性）或闭孔（疏水性）将以不同的方式推动 CUI 的发生。
绝缘设备的材料特性，特别是其耐腐蚀性，在 CUI 的发生中起着关键作用。碳钢和低合金钢在暴露于潮湿环境中时容易生锈，而高温会加剧这一过程。
此外，操作实践也是一个推动因素。例如，频繁在高温和低温之间循环的设备会导致绝缘层内部凝结，从而为腐蚀创造理想的环境。维护实践也会显著影响 CUI 的发生。如果绝缘材料持续遭受损坏或没有及时解决湿气入侵问题，风险就会升级。
了解这些复杂的相互作用对于制定预防和缓解 CUI 的有效策略至关重要。 在讨论这些策略及其功效之前，让我们通过研究一个典型案例来更深入地了解 CUI 现象：保温管施工。为了以物理方式固定绝缘材料并确保其不受外部天气条件的影响，在绝缘材料周围贴上一层金属护套，通常称为“覆层”，并用金属带固定到位。这种护套设计用于包裹绝缘材料，从而形成纵向或径向接缝。
带金属覆层的绝缘管。
降雨虽然是一个常见原因，但并不是引发 CUI 的唯一水源。 水也可能来自冷却塔、蒸汽和可能导致液体溢出的不同过程。如果覆层损坏、密封件破裂或由于外力（如撞击、尖锐或坠落的物体）或有人在管道上行走，就可能会发生水浸入。一旦出现进水点，它并不总是立即会引起注意，但在下雨的情况下，水浸入变得不可避免。
水和绝缘材料之间的相互作用可能因材料的性质而异。如上所述，如果绝缘材料是疏水性的（不允许吸水的闭孔），水将流动并保持在绝缘材料和管道之间。随着时间的推移，这些水并不总是会完全蒸发，而某些地方可能会持续存在一些水。
相反，如果绝缘材料是亲水性的（能够像海绵一样吸收水分），水将通过海绵产生热传导，热动量将从管道传递到覆层，形成蒸发-冷凝循环，而随着水的蒸发，管道表面上的“盐”浓度会增加。这种“盐”与这种绝缘材料类型的其他天然成分，会共同降低管道保护性能，并导致腐蚀和裂缝，称为绝缘层下的氯化物应力腐蚀开裂 (CSCC)。
污染物（主要是氯化物和硫酸盐）在绝缘层下很常见。它们可能会从绝缘材料中浸出或来自外部来源。它们的水溶液具有高导电性，可以加快腐蚀过程。
温度也起着举足轻重的作用。人们普遍认为（或不同的来源表明），在 -4°C (25°F) 至 149°C (300°F) 的温度范围内工作的碳钢具有最高 CUI 风险。在 -4°C (25°F) 以下连续运行的设备往往保持无腐蚀状态。在 149°C (300°F) 以上运行的设备，由于超过水的沸点并且碳钢表面基本上保持干燥，因此腐蚀减少。
掌握绝缘材料、水浸入、污染物和温度变化之间的相互作用对于了解 CUI 的发生至关重要。然而，如果没有充分认识到这个问题的潜在后果，这种了解是不全面的。其后果超出了腐蚀本身，不仅影响石油和天然气行业的财务方面，还会影响健康、安全和环境方面。
CUI 的含义与更普遍的腐蚀含义相呼应。腐蚀会使管道产生裂缝，最终可能导致石油产品的断裂和管道泄漏。由于可能存在污染，这不仅对周围环境构成重大威胁，而且还会对居住在泄漏点附近的人们造成健康危害。此外，火灾和爆炸风险会使本已危急的情况雪上加霜。
这种损害不仅危险，而且代价高昂。就资本和运营支出（CAPEX 和 OPEX）而言，修复这些缺陷可能既会带来财务负担，又会给执行维修的技术人员带来危险。在以下各节中，我们将探讨预防和缓解 CUI 的策略，以有效控制这些风险。
由于 CUI 隐藏在绝缘层之下，因此发现 CUI 具有挑战性，通常只有在为时已晚时才会被发现。检测 CUI 的传统方法从简单到高级技术不一而足，都旨在在腐蚀造成重大损害之前发现它们。
检测 CUI 的最普遍且最直接的方法包括切割绝缘材料中的一部分，以便进行无损测试或目视检查。
通常采用以下方法检测 CUI，它们各有优缺点：
- 目视检查：最简单的第一种方法是去除绝缘层，检查管道的表面状况，并恢复绝缘层。研究表明，大多数情况下，在去除绝缘层后并不会发现 CUI。其他挑战可能是与在存在石棉的情况下处理绝缘材料相关的风险，或者如果管道正在使用，则会影响保温的风险。
- 无需去除绝缘层的检查：这种技术大大降低了检查成本，因为它无需去除和恢复绝缘层。这种技术通常使用无损检测 (NDE) 方法。
- 无损检测 (NDE)：NDE 包括各种用于评估材料特性、元件或整个工艺单元的非侵入性检测技术。脉冲涡流 (PEC) 和数字射线照相等多种方法均可用于检测 CUI。通常，不会将一种方法单独使用，而是将几种方法结合使用以获得最佳效果。
- 脉冲涡流 (PEC)：PEC 设备在电磁作用下工作，通过其绝缘层有效地确定管道的平均壁厚。这将能够检测和定位 CUI。PEC 的主要优点是它通常能够辨别绝缘物体的壁是否变薄，而无需去除绝缘层或进行任何物体表面处理。
- 导波 (GW)：用于评估长管道是否存在 CUI 的替代技术。它使用沿管道传播的低频引导超声波。导波传感器可以检测到内部和外部腐蚀，但需要与管道直接接触，因此需要去除一些绝缘层才能安装该传感器。
- 实时数字射线照相：X 射线在绝缘管的一侧放出，穿过管道、覆层和绝缘层，传感器在另一侧接收 X 射线。传感器接收到的射线会被转换为实时图像，并会突出显示异常情况，例如内部或外部腐蚀或管道上的缺陷。可以在不去除覆层的情况下应用这种方法，并获得实时信息。
- 热成像：用于石油化工行业。这种方法可以提供物体的热成像，并检测损失的能量，例如，可能由绝缘缺陷、水浸入、气体或液体泄漏而损失的能量，这些损失会影响绝缘管的温度。
专家正在安装 X 射线设备以对焊接接头进行无损检测。
虽然所描述的每种方法都有独特的优势， 但它们都具有固有的局限性，这些局限性可能使它们无法有效地揭示绝缘层下隐藏的 CUI 问题。目视检查虽然简单明了，但只能揭示表面情况，可能会忽略内部更深层次的腐蚀。在进行这些检查期间，绝缘层的去除和恢复也增加了大量成本和后勤工作，例如管理石棉。（德克萨斯州无损检测学会和 III 级服务，N.D.）
无损检测 (NDE) 方法在不损坏绝缘层的情况下评估材料特性，但受到其各自特性的限制。例如，脉冲涡流 (PEC) 系统能够提供有关壁变薄的宝贵洞察，但可能无法准确检测局部腐蚀或小凹坑。（德克萨斯州无损检测学会和 III 级服务，N.D.）
导波技术需要去除特定位置的绝缘层，从而有可能遗漏其他地方发生的腐蚀。此外，高损耗涂层或焊缝和夹具等特征的信号反射等因素会影响信号衰减，从而限制可检测的管道长度。（Chukwuemeka 等人，2021 年）
实时数字射线照相可以对绝缘层下的潜在异常情况进行成像，但可能缺乏检测早期腐蚀的灵敏度。此外，它仅用于检测材料密度，可能无法有效地发现某些管道材料的腐蚀。（Nanan，2020 年）
目视检查和热成像虽然可以有效地识别由于防风雨层或覆层损坏而导致的潜在 CUI 危险，但它只能提供表面水平分析，并且可能会遗漏隐藏在绝缘层下方更深处的腐蚀。（Fujifilm，2022 年）
从本质上讲，主要挑战在于这些方法无法对隐藏的腐蚀进行完整且全面的评估，尤其是当腐蚀是局部的或处于早期阶段时。每种方法的局限性都可能导致无法检测重要区域，从而可能导致被忽视的 CUI 在绝缘层下继续发展。
CUI 检测传感器
该行业不断深入的数字化转型， 物联网 (IoT) 设备和互连系统的快速普及，这些都为 CUI 检测领域的技术创新（特别是通过无线电池供电的传感器）奠定了基础。这场技术革命的加速很大程度上是由于电池供电无线传感器的出现，这些传感器利用低功耗电子技术的进步，以及“电池友好型”无线通信协议的推出，例如 LoRaWAN、NB-IoT、LTE M 和蓝牙。
开发人员正在评估各种传感原理，包括检测管道和外部覆层之间或绝缘材料内部或周围的潮气（湿度和温度）的传感器，例如光纤或 EMGR。然而，挑战仍然存在，例如用光纤改造现有基础设施或将“消耗性”电线（电缆）集成到绝缘层中存在困难。
这些“消耗性”电线能够与电磁制导雷达 (EMGR) 结合使用，其中电缆腐蚀作为 CUI 的预指示器，而非腐蚀性电缆将信号传输到放置在覆层外部的无线模块。这种结合实现了创新检测方法和实施的实际限制之间的无缝连接，反映了将新技术与现有基础设施合并所固有的复杂性。
TE Connectivity 凭借其独特的传感器专业知识，特别是其核心 RH 电容式传感技术和无线发射器，在克服这些挑战方面表现出色。可以从战略角度将这些传感器放置在绝缘管道上，从而有效地绘制整个基础设施的地图。它们可以检测水浸入情况，并通过智能分析，简化使用无损检测 (NDE) 方法精确定位需要进一步检测 CUI 的区域的任务。有关如何在真实环境中应用该技术的更多详细信息，请参阅案例研究部分。
行业内的共同努力为增强实时监控提供了途径。然而，当与 TE Connectivity 的先进传感器技术配合使用时，这些解决方案的功效会大大增强。
传统方法通常需要进行成本高昂且资源密集型的检查。然而，TE Connectivity 的传感器旨在使这一过程更高效、更少使用大量资源，从而节省时间和成本。超过 90%的目视检查是在拆除覆层后进行的，没有发现腐蚀。因此，我们先进的传感器技术可以推动进行有针对性的检查，从而节省大量成本。
不同的公司可能有自己的基于风险的检查策略。关键资产可能会继续使用定期维护和 NDE 方法，但如果配备
TE Connectivity 的无线远程传感器，不太重要的资产可以大大降低维护成本。
目标仍然是设计和部署一个强大、精确、经济高效且持久的传感器，能够监测炼油厂的所有绝缘管道和表面。TE Connectivity 的传感器已经符合这些标准，并且还完全通过了 ATEX FCE 认证，可在潜在危险环境中提供安全操作。
传感器技术的进步及其优势
利用 LoRaWAN 等技术，可以从几米到几公里的距离检索传感器数据。通过与网关、高级分析、以 CUI 为中心的管理策略和专业腐蚀专业知识相结合，操作员和维护公司都可以主动检测腐蚀。这样可以快速、有针对性地进行干预，以修复发生腐蚀的区域，从而节省时间并降低成本，同时确保基础设施的安全性和使用寿命。
此类系统的集成为主动管理绝缘层下腐蚀提供了深远的好处。近年来，已经进行了许多涉及湿度传感器的模拟和实验室实验。这些实验已经产生了积极的成果，表明湿度和温度测量确实可以有效地在 CUI 发生之前检测到 CUI。在 TE Connectivity，我们为自己在传感器技术方面的专业知识感到自豪，这是这些进步的关键。然而，像这样的进步并不仅仅停留在实验室中；它们通过强大的战略合作伙伴关系投入实际应用，我们现在将进一步探讨。
KAEFER 案例研究
认识到业界的严重关切
近年来，作为综合工业服务解决方案的领导者，KAEFER Group 对全球众多的石油和天然气公司进行了采访。他们在采访中发现了一个共同点：即，所有人都将应对绝缘层下腐蚀 (CUI) 列为首要任务。这种担忧不仅是技术方面的，而且具有深远的影响，就像本文前面所讨论的那样。正是在这种背景下，我们与 KAEFER 进行合作，旨在满足这些迫切的需求。
通过 KIT® 提供完善的解决方案
Blu Empowered by KAEFER 推出了 KIT® (KAEFER Integrity Technology)，作为 CUI 管理的整体端到端服务。KIT 展示了 KAEFER 在有效管理不同规模的 CUI 项目方面的专业知识。从传感器放置和安装的复杂优化到系统配置，KIT 都是一个完整的软件包。但是，增强其功能的是 TE Connectivity 的传感器技术。
KAEFER 的集成服务与 TE 的先进传感解决方案之间的协同作用构成了这一创新合作伙伴关系的基石。TE 的无线传感器技术嵌入了电池寿命长和承受严苛环境考验等功能，代表了 CUI 检测领域的一大进步。这些无线传感器经过认证，符合最高安全标准，可使用 LoRaWAN™ 等高级协议实现远距离通信，并配备低功耗蓝牙®，可实现多功能远程配置。
此外，可定制的测量时间和智能阈值事件管理的结合体现了这种合作伙伴关系的前瞻性，提高了数据的可靠性和准确性，同时优化了电池寿命。传感器能够根据配置的阈值自主调整其数据测量和传输，并自动发出电池管理通知，此次合作将带来极大的效率。
这种技术中的传感元件经过精心设计，通常利用久经考验的 MEMS 湿度芯片和 ASIC 技术，这些技术已广泛应用于各个行业，包括汽车、非公路车辆和卡车行业。值得注意的是，这种跨行业的应用着重强调了以下方面的潜力：可在石油和天然气等行业进行大规模扩展、可支持提供汽车等行业所需的质量水平的能力，以及将其作为有效数据采集和实时监控的支柱。
KIT® 的技术成熟度
KIT 可提供完全数字化的 CUI 监测方案。虽然已确定的问题区域确实仍然需要传统的检查方法，但有可能使现场活动自主化，减少人为干预，从而降低风险。此外，该系统正在开发中，将包括各种功能，例如咨询服务，甚至还包括机器人、自主安装技术，它们均由 TE 电池供电的无线传感器供电。
在数据可视化方面，KIT 提供从现代仪表板到数字孪生表示的选项。这些方案通过复杂的分析进一步得到丰富，有助于预测绝缘层下的腐蚀以及提供维护措施建议。
用于机器人传感器安装的 Monkeybot
将 TE Connectivity 的传感器技术集成到 KIT® 中不仅提供了技术复杂性，还带来了实实在在的好处。案例研究表明，在维护和提高工厂完整性方面节省了大量成本。所有这些最终都会提高客户价值，这是 KAEFER 和 TE Connectivity 努力实现的目标。
结语
在应对绝缘层下腐蚀的普遍挑战时， 这一困境对运营效率、环境安全和社区福祉产生了重大影响，先进技术的作用再怎么强调也不过分。本白皮书说明了腐蚀对石油和天然气行业的巨大影响，不仅影响财务底线（资本支出和运营支出 (CAPEX 和 OPEX)，还影响健康、安全和环境 (HSE) 因素。
我们与 KAEFER 的合作以此为背景，认识到行业对强大 CUI 管理解决方案的迫切需求。KIT® by KAEFER 集成了 TE Connectivity 的创新传感器技术，为 CUI 管理提供全面的端到端服务。这种合作体现了一种跨学科解决问题的方法，将各种专业知识融合在一个致力于应对 CUI 检测和管理复杂挑战的生态系统中。我们的无线电池供电传感器的大规模部署不仅仅是一项技术成就；它代表了对该行业的变革性影响。减少定期维护和不必要的目视检查的潜力提高了安全性，并节省了大量成本。
资产的数字化（包括“数字孪生”的发展）使我们能够在精度和可预测性方面取得飞跃。我们的传感器以强大的分析工具为后盾，与现有系统和标准完美契合，这表明我们致力于引领 CUI 检测和预防方面的发展。它展示了我们对传感器技术持续发展的奉献精神，以及使这些发展进步成为可能的行业合作伙伴关系。
展望未来，TE Connectivity 的重点仍然很明确：利用先进的技术开创更安全、更可持续的解决方案。由我们的无线智能传感器提供支持的可视化工具提供了对资产运行状况的全面概览，从而实现了从基于风险的通用维护到更有针对性的数据驱动方法的深刻转变。
TE Connectivity 的无线传感器已经部署，目前用于状态监测应用，能够对旋转资产和油气井口进行预测性维护。
我们提供全面的智能平台，包括频率范围高达 15KHz 的单轴和三轴压电振动传感器（集成了 FFT 和信号处理），可夹在管道上的温度传感器，能够承受高达 260°C 的外部管道温度，以及可以测量绝对压力或相对压力的压力传感器。
这些智能传感器可通过 TE Sensor Toolbox 或使用智能手机和 Apple App Store 或 Google Play Store 上提供的 TE SensorConnect 应用程序进行完全配置。展望未来，我们坚信，我们在 CUI 监控解决方案方面的领导地位将引领行业转型，将效率和安全性推向新的高度。
通过将先进技术与根深蒂固的专业知识和合作伙伴关系相结合，我们不仅能够应对当今的挑战，而且能够塑造未来的解决方案。
