應(yīng)用背景

近幾年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為了特種設(shè)備使用大國(guó)，特別是承壓類(lèi)特種設(shè)備數(shù)量劇增，其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大，其中年限較長(zhǎng)的壓力管道出現(xiàn)了腐蝕、泄露等安全隱患，其運(yùn)行安全問(wèn)題成為了特種設(shè)備安全生產(chǎn)的重中之重。傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法只能為檢驗(yàn)檢測(cè)人員和設(shè)備管理人員提供設(shè)備的當(dāng)前缺陷狀態(tài)，無(wú)法給出造成承壓類(lèi)設(shè)備缺陷的原因。而造成設(shè)備缺陷的成因分析，可以為檢驗(yàn)檢測(cè)人員及設(shè)備使用單位提供缺陷原因，為后期的設(shè)備維護(hù)與防腐提供了很好的數(shù)據(jù)支持，幫助特種設(shè)備管理單位對(duì)承壓累特種設(shè)備缺陷的來(lái)龍去脈進(jìn)行合理有效地監(jiān)控。目前，國(guó)內(nèi)外已有研究人員將X 射線衍射儀（XRD）技術(shù)應(yīng)用于承壓類(lèi)特種設(shè)備的檢驗(yàn)檢測(cè)及成因分析中，獲得良好的運(yùn)用效果。如：馬磊（2015）利用X 射線衍射儀（XRD）分析了工業(yè)鍋爐的水垢成分及成因，給出了后期工業(yè)鍋爐除垢的技術(shù)依。本文結(jié)合壓力管道的檢驗(yàn)檢測(cè)實(shí)際情況利用更加高效的便攜式X 射線衍射（pXRD）分析儀，定性定量分析湖北某化工廠工業(yè)管道內(nèi)腐蝕層的腐蝕物，通過(guò)對(duì)腐蝕物的成分分析，推斷出其物質(zhì)來(lái)源，給出壓力管道內(nèi)腐蝕的可能成因，為進(jìn)一步防止壓力管道內(nèi)腐蝕的再次產(chǎn)生和后期保養(yǎng)維護(hù)提供參考依據(jù)，同時(shí)能夠?yàn)槌袎侯?lèi)特種設(shè)備的安全事故調(diào)查提供新的重要線索。

石油和天然氣資產(chǎn)中的結(jié)垢

從勘探和萃取環(huán)節(jié)到石油管線和精煉廠的整個(gè)石油和天然氣供應(yīng)鏈中的設(shè)備都可能受到結(jié)垢和腐蝕的影響。了解結(jié)垢和腐蝕產(chǎn)物的組成成分有助于維護(hù)團(tuán)隊(duì)立即采取適當(dāng)?shù)姆拦柑幚泶胧蛘呤┯糜行У姆栏g添加劑。例如：鹽酸通常用于去除碳酸鈣結(jié)垢，而硫酸鈣結(jié)垢可以使用螯合劑去除，如：乙二胺四乙酸（EDTA）。

過(guò)去，維護(hù)團(tuán)隊(duì)需要將樣本送到遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，一般要等待幾天或幾個(gè)星期才會(huì)得到分析結(jié)果，或者使用耗資較高的化學(xué)處理方法嘗試進(jìn)行處理（后者可能會(huì)有損壞設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)）。不過(guò)，石油和天然氣資產(chǎn)中常見(jiàn)的結(jié)垢和腐蝕產(chǎn)物的數(shù)量一般來(lái)說(shuō)較為有限，而XRD分析儀可以快速有效地完成這類(lèi)檢測(cè)，因此而成為一款受到用戶青睞的選擇。

淤泥沉積物

淤泥沉積物常見(jiàn)于精煉廠，通常由以下物質(zhì)組成：

• 碳?xì)浠衔铮ㄈ纾簼?rùn)滑油和油脂）

• 液體（如：水和油）

• 非碳?xì)浠衔锘驘o(wú)機(jī)物（如：結(jié)垢和腐蝕）

使用XRD分析儀了解淤泥的無(wú)機(jī)物成分，有助于完成淤泥的去除過(guò)程，并防止再次出現(xiàn)淤泥。二氯甲烷可用于從淤泥中分離出無(wú)機(jī)成分（結(jié)垢和腐蝕產(chǎn)物），從而可以（通過(guò)去除非晶相的方法）對(duì)結(jié)垢和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行更詳細(xì)的表征。

X 射線衍射儀原理

X射線衍射儀（XRD）屬于基于無(wú)損探測(cè)的射線分析儀器的一種，它通過(guò)研究樣本的晶體結(jié)構(gòu)，定性定量地分析出樣本中的主要成分，在醫(yī)學(xué)、化工、材料、生物、地質(zhì)等研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的X射線衍射儀（XRD）主要以放于大型的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的XRD儀器為主，主要包含設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的測(cè)角儀、外部水冷凝系統(tǒng)等附屬設(shè)備，其體積龐大、耗能大、需要專(zhuān)業(yè)人員定期進(jìn)行校準(zhǔn)的特點(diǎn)在實(shí)際使用工作中帶來(lái)有了諸多的限制。在這種情況下，便攜式X 射線衍射分析儀的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，它具有樣本準(zhǔn)備便捷、高效節(jié)能、不需要定期校準(zhǔn)以及便攜等特性，越來(lái)越多地應(yīng)用于野外實(shí)地的快速檢測(cè)之中，并且其定量分析結(jié)果的精度與傳統(tǒng)大型實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的X射線衍射儀（XRD）的精度具有很好的線性相關(guān)性，具有很高的參考價(jià)值。

SHINE儀器是由浪聲公司研發(fā)生產(chǎn)的一款便攜式XRD/XRF設(shè)備, SHINE儀器移動(dòng)式XRD系統(tǒng)是一款高性能、全封閉、電池操作、封閉射線式便攜XRD分析儀，可以通過(guò)對(duì)鎂到鈾元素進(jìn)行的一次性快速XRF掃查，提供材料主要成份、次要成份或微量成份的全晶相ID信息。系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行極少準(zhǔn)備的技術(shù)及其的樣品艙，可使操作人員在野外對(duì)樣品進(jìn)行快速的分析。

SHINE的分析速度極快、數(shù)據(jù)質(zhì)量高，而且就在用戶最需要得知檢測(cè)結(jié)果的樣本檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，為用戶實(shí)時(shí)提供定量化學(xué)成份值。

SHINE一起同時(shí)運(yùn)送給用戶的附件中有一個(gè)必需的軟件（CrystalX分析軟件），用于處理X射線衍射數(shù)據(jù)結(jié)果。這個(gè)軟件中集成了AMCSD礦石數(shù)據(jù)庫(kù)、ICDD礦石數(shù)據(jù)庫(kù)、ICSD礦石數(shù)據(jù)庫(kù),支持用戶進(jìn)行跨數(shù)據(jù)庫(kù)物相匹配。針對(duì)定量分析，CrystalX分析軟件提供了參考密度比率（RIR）定量分析方式以及對(duì)各種衍射圖案進(jìn)行分析的工具。

此外，SHINE還可以多種文件格式提供XRD圖案數(shù)據(jù)，從而可使用戶方便地獲得第三方項(xiàng)目中的XRD圖案的判讀信息。

常見(jiàn)的腐蝕產(chǎn)物

金屬腐蝕比較復(fù)雜，通常包括氧化腐蝕、硫化腐蝕、高溫氫化腐蝕、海水腐蝕及電化學(xué)腐蝕等，由于金屬所處環(huán)境不同其腐蝕機(jī)理不同，導(dǎo)致腐蝕的產(chǎn)物也相差萬(wàn)別。

常見(jiàn)的腐蝕產(chǎn)物包括如鐵的氧化腐蝕產(chǎn)物有磁鐵礦、針鐵礦、水鐵礦、纖鐵礦、六方纖鐵礦、四方纖鐵礦、赤鐵礦、方鐵礦，這些腐蝕產(chǎn)物主要生產(chǎn)于碳鋼管道之中，此外常見(jiàn)于石油天然氣管道之中的有重晶石、碳酸鈣、石膏、方解石、天青石等。對(duì)于城市供水，則常見(jiàn)于石英、鈉長(zhǎng)石、石膏、綠泥石、伊利石、微斜長(zhǎng)石、黃鉀鐵礬、析出鐵及碳酸鹽等。

這些東西很容易被X射線衍射儀（XRD）檢測(cè)并且分析出來(lái)。水垢是最早被發(fā)現(xiàn)的腐蝕產(chǎn)物，它是在管道和容器中慢慢堆積而成。附著在金屬表面的銹蝕也是腐蝕物的一種。分析腐蝕物，鑒定其種類(lèi)可以判定腐蝕物的成因，比如溶解元素混合、溫度變化、PH值變化、細(xì)菌作用以及氧化作用。通過(guò)了解這些信息，可以找出清除腐蝕物的方法及預(yù)防方案。最新的腐蝕調(diào)查結(jié)果顯示，我國(guó)由于腐蝕帶來(lái)的損失和防腐蝕投入，總額超過(guò)兩萬(wàn)億人民幣。因此及時(shí)找出金屬的腐蝕成因，尋找解決方案防止腐蝕的產(chǎn)生尤為重要。

樣品/制樣

本實(shí)驗(yàn)采用浪聲公司的SHINE便攜式X射線衍射（XRD）分析儀，對(duì)某水箱底部管道內(nèi)腐蝕/水垢層進(jìn)行檢測(cè)分析，采集現(xiàn)場(chǎng)的水箱底部管道內(nèi)腐蝕物樣本若干。將塊狀管道內(nèi)腐蝕層樣本，在120攝氏度烘箱中烘干2小時(shí)，通過(guò)浪聲提供的口袋制樣盒制取小于100um粉末樣品，將樣本放入樣本艙內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)并獲得樣本衍射圖譜，使用CrystalX分析軟件對(duì)衍射圖譜進(jìn)行成分定性及定量分析。

口袋制樣盒

腐蝕物分析流程

儀器配置

儀器：SHINE便攜式X射線衍射儀

靶材：Co靶

管壓：30kV

分析時(shí)間：10分鐘

分析結(jié)果

由浪聲公司的SHINE便攜式X射線衍射儀測(cè)試結(jié)果可知，腐蝕物/水垢中主要成分為鎂方解石，說(shuō)明該管道設(shè)備經(jīng)常與含礦物水質(zhì)接觸，并且礦物在該設(shè)備處富積。另外，從分析結(jié)果中可知，存在一定量的石英成分，可能來(lái)源于管道內(nèi)介質(zhì)附帶的雜質(zhì)。綜上所述，分析結(jié)果反應(yīng)出腐蝕物樣本產(chǎn)生于高礦物質(zhì)水質(zhì)環(huán)境的事實(shí)，印證了實(shí)驗(yàn)采樣現(xiàn)場(chǎng)的基本情況。

結(jié)論

從分析結(jié)果表明，通過(guò)SHINE便攜式XRD分析儀現(xiàn)場(chǎng)快速的分析腐蝕物，水垢，可及時(shí)獲得腐蝕成分信息，有助于了解腐蝕成因，并尋找解決方案防止腐蝕產(chǎn)生。