SHINE便攜式X射線衍射儀在管道腐蝕方面的應用

應用背景

近幾年來，隨著經濟的發展，我國已經成為了特種設備使用大國，特別是承壓類特種設備數量劇增，其運行風險逐漸增大，其中年限較長的壓力管道出現了腐蝕、泄露等安全隱患，其運行安全問題成為了特種設備安全生產的重中之重。傳統的無損檢測方法只能為檢驗檢測人員和設備管理人員提供設備的當前缺陷狀態，無法給出造成承壓類設備缺陷的原因。而造成設備缺陷的成因分析，可以為檢驗檢測人員及設備使用單位提供缺陷原因，為后期的設備維護與防腐提供了很好的數據支持，幫助特種設備管理單位對承壓累特種設備缺陷的來龍去脈進行合理有效地監控。目前，國內外已有研究人員將X 射線衍射儀（XRD）技術應用于承壓類特種設備的檢驗檢測及成因分析中，獲得良好的運用效果。如：馬磊（2015）利用X 射線衍射儀（XRD）分析了工業鍋爐的水垢成分及成因，給出了后期工業鍋爐除垢的技術依。本文結合壓力管道的檢驗檢測實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管道內腐蝕層的腐蝕物，通過對腐蝕物的成分分析，推斷出其物質來源，給出壓力管道內腐蝕的可能成因，為進一步防止壓力管道內腐蝕的再次產生和后期保養維護提供參考依據，同時能夠為承壓類特種設備的安全事故調查提供新的重要線索。

石油和天然氣資產中的結垢

從勘探和萃取環節到石油管線和精煉廠的整個石油和天然氣供應鏈中的設備都可能受到結垢和腐蝕的影響。了解結垢和腐蝕產物的組成成分有助于維護團隊立即采取適當的防垢處理措施，或者施用有效的防腐蝕添加劑。例如：鹽酸通常用于去除碳酸鈣結垢，而硫酸鈣結垢可以使用螯合劑去除，如：乙二胺四乙酸（EDTA）。

過去，維護團隊需要將樣本送到遠離現場的實驗室進行分析，一般要等待幾天或幾個星期才會得到分析結果，或者使用耗資較高的化學處理方法嘗試進行處理（后者可能會有損壞設備的風險）。不過，石油和天然氣資產中常見的結垢和腐蝕產物的數量一般來說較為有限，而XRD分析儀可以快速有效地完成這類檢測，因此而成為一款受到用戶青睞的選擇。

淤泥沉積物

淤泥沉積物常見于精煉廠，通常由以下物質組成：

• 碳氫化合物（如：潤滑油和油脂）

• 液體（如：水和油）

• 非碳氫化合物或無機物（如：結垢和腐蝕）

使用XRD分析儀了解淤泥的無機物成分，有助于完成淤泥的去除過程，并防止再次出現淤泥。二氯甲烷可用于從淤泥中分離出無機成分（結垢和腐蝕產物），從而可以（通過去除非晶相的方法）對結垢和腐蝕產物進行更詳細的表征。

X 射線衍射儀原理

X射線衍射儀（XRD）屬于基于無損探測的射線分析儀器的一種，它通過研究樣本的晶體結構，定性定量地分析出樣本中的主要成分，在醫學、化工、材料、生物、地質等研究領域有著廣泛的應用。傳統的X射線衍射儀（XRD）主要以放于大型的實驗室內的XRD儀器為主，主要包含設計較為復雜的測角儀、外部水冷凝系統等附屬設備，其體積龐大、耗能大、需要專業人員定期進行校準的特點在實際使用工作中帶來有了諸多的限制。在這種情況下，便攜式X 射線衍射分析儀的優勢逐漸顯現出來，它具有樣本準備便捷、高效節能、不需要定期校準以及便攜等特性，越來越多地應用于野外實地的快速檢測之中，并且其定量分析結果的精度與傳統大型實驗室內的X射線衍射儀（XRD）的精度具有很好的線性相關性，具有很高的參考價值。

SHINE儀器是由浪聲公司研發生產的一款便攜式XRD/XRF設備, SHINE儀器移動式XRD系統是一款高性能、全封閉、電池操作、封閉射線式便攜XRD分析儀，可以通過對鎂到鈾元素進行的一次性快速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。系統對樣品進行極少準備的技術及其的樣品艙，可使操作人員在野外對樣品進行快速的分析。

SHINE的分析速度極快、數據質量高，而且就在用戶最需要得知檢測結果的樣本檢測現場，為用戶實時提供定量化學成份值。

SHINE一起同時運送給用戶的附件中有一個必需的軟件（CrystalX分析軟件），用于處理X射線衍射數據結果。這個軟件中集成了AMCSD礦石數據庫、ICDD礦石數據庫、ICSD礦石數據庫,支持用戶進行跨數據庫物相匹配。針對定量分析，CrystalX分析軟件提供了參考密度比率（RIR）定量分析方式以及對各種衍射圖案進行分析的工具。

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

常見的腐蝕產物

金屬腐蝕比較復雜，通常包括氧化腐蝕、硫化腐蝕、高溫氫化腐蝕、海水腐蝕及電化學腐蝕等，由于金屬所處環境不同其腐蝕機理不同，導致腐蝕的產物也相差萬別。

常見的腐蝕產物包括如鐵的氧化腐蝕產物有磁鐵礦、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，這些腐蝕產物主要生產于碳鋼管道之中，此外常見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。對于城市供水，則常見于石英、鈉長石、石膏、綠泥石、伊利石、微斜長石、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）檢測并且分析出來。水垢是最早被發現的腐蝕產物，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、細菌作用以及氧化作用。通過了解這些信息，可以找出清除腐蝕物的方法及預防方案。最新的腐蝕調查結果顯示，我國由于腐蝕帶來的損失和防腐蝕投入，總額超過兩萬億人民幣。因此及時找出金屬的腐蝕成因，尋找解決方案防止腐蝕的產生尤為重要。

樣品/制樣

本實驗采用浪聲公司的SHINE便攜式X射線衍射（XRD）分析儀，對某水箱底部管道內腐蝕/水垢層進行檢測分析，采集現場的水箱底部管道內腐蝕物樣本若干。將塊狀管道內腐蝕層樣本，在120攝氏度烘箱中烘干2小時，通過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進行檢測并獲得樣本衍射圖譜，使用CrystalX分析軟件對衍射圖譜進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

分析時間：10分鐘

分析結果

由浪聲公司的SHINE便攜式X射線衍射儀測試結果可知，腐蝕物/水垢中主要成分為鎂方解石，說明該管道設備經常與含礦物水質接觸，并且礦物在該設備處富積。另外，從分析結果中可知，存在一定量的石英成分，可能來源于管道內介質附帶的雜質。綜上所述，分析結果反應出腐蝕物樣本產生于高礦物質水質環境的事實，印證了實驗采樣現場的基本情況。

結論

從分析結果表明，通過SHINE便攜式XRD分析儀現場快速的分析腐蝕物，水垢，可及時獲得腐蝕成分信息，有助于了解腐蝕成因，并尋找解決方案防止腐蝕產生。