一种基于传感器的新方法用于保温层下腐蚀(corrosion under insulation, CUI)的早期检测——经奇随机相位电化学阻抗谱(odd random phase electrochemical impedance spectroscopy, ORP–EIS)技术验证

《Progress in Organic Coatings》：A novel sensor-based approach for early detection of corrosion under insulation, validated by ORP–EIS technique

　　

本研究提出一种基于传感器的方法，用于无损、原位评估电解质在厚保温层中的传输过程及保温层下方发生的电化学过程（如保温层下腐蚀(corrosion under insulation, CUI)）。该方法通过监测电解质扩散引起的电容变化，应用于系统研究保温层内的水侵入及CUI的起始。研究人员考察了不同形貌的保温系统，以评估结构特征对传输行为的影响。所开发的传感器可在不扰动系统的情况下实时监测保温层下方的电化学变化。为验证方法的可靠性，研究人员进行了互补的奇随机相位电化学阻抗谱(odd random phase electrochemical impedance spectroscopy, ORP–EIS)测量。联合分析可追踪关键过程，包括湿气渗透、介电性能变化及不同保温系统下腐蚀的萌生。传感器测量结果与ORP–EIS数据高度吻合，证实该方法能够捕捉传输行为及早期腐蚀活动。研究结果表明，所提出的方法为保温系统中CUI的原位监测与评估提供了一种可靠且有效的工具。

本文发表于《Progress in Organic Coatings》，研究对象为工业环境中广泛存在的保温层下腐蚀（corrosion under insulation, CUI），即保温层（insulation）与金属基底间因水分滞留引发的隐蔽局部腐蚀。CUI难以通过目视发现，传统检测需大面积拆除保温层（cladding）和绝缘层，成本高昂且导致停产；现有无损检测（non-destructive testing, NDT）技术如脉冲涡流（pulsed eddy current, PEC）、红外热成像（infrared thermography）、导向波超声及中子背散射等存在设备昂贵、操作复杂、受金属包覆层干扰或无法连续监测等局限，电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy, EIS）虽能提供详尽的界面电化学信息，但仪器复杂、测试耗时且不适合大规模工业连续监测。为此，Jiryaeisharahi等人将此前在有机涂层铝体系上验证过的电容式传感器方法拓展至带厚保温层的涂覆碳钢体系，模拟工业CUI工况，通过监测水分渗入引起的介电常数及电容变化来探测水侵入和腐蚀起始，并以ORP–EIS作为参比验证传感器可靠性，同时比较不同保温材料形貌对传质行为的影响。

研究人员采用的主要关键技术方法如下：制备环氧胺涂层（干膜厚度27±1 μm）碳钢板作为基底，分别覆盖不同类型保温材料构成模拟CUI体系；在0.05 M NaCl溶液中长期浸泡，同步使用嵌入式电容传感器监测传感器响应（反映水分扩散导致的电容变化），并并行进行奇随机相位电化学阻抗谱（odd random phase electrochemical impedance spectroscopy, ORP–EIS）测量以验证传感器数据；对比不同保温形态下的传感器信号演变与EIS低频电容/阻抗变化趋势。

Sensor fundamentals and theoretical frameworks

研究人员基于已获专利的电容传感原理，传感器检测涂层/保温界面处因电解质（水及离子）渗入引起的介电常数升高及界面电化学变化，表现为传感器测得的电容值随吸水率增加而上升；当涂层下发生腐蚀时，局部电化学反应及双电层改变进一步调制电信号，从而实现早期腐蚀活动的识别，该方法在前期涂层铝体系中已由ORP–EIS验证。

Sample preparation

研究人员选用经丙酮及去离子水清洗的钢面板，喷涂工业溶剂型环氧–胺涂层（颜料体积浓度PVC=40%，AkzoNobel配制，干膜厚度27±1 μm），并分别包覆两种不同形态的保温材料以模拟典型工业保温层构造。

Sensor and ORP-EIS results of an epoxy coated steel covered with reference insulation

研究人员在0.05 M NaCl溶液中对包覆参比保温层的环氧涂覆钢样品进行为期82天的浸泡实验。传感器输出显示电容随时间逐渐升高，对应水分向涂层/保温界面扩散及吸湿饱和过程；ORP–EIS测得低频电容（C_lf）与传感器电容响应趋势一致，低频阻抗模量下降与传感器信号变化相对应。结果表明传感器可有效追踪水分渗入过程，且在腐蚀起始阶段传感器信号出现异常偏移，与ORP–EIS检测到涂层失效/腐蚀萌生相吻合，验证了传感器对水侵入及CUI早期阶段的检测能力。不同保温形貌实验显示多孔、分层结构的保温材料加速水分传输，传感器响应更快达到稳态，说明保温层微观结构显著影响传质速率及CUI风险。

Conclusion（研究结论部分翻译）

研究人员开发了一种基于传感器的方法，可对厚保温层下涂覆钢系统中的水分传输及腐蚀过程进行无损、原位监测，模拟了与保温层下腐蚀（CUI）相关的工业条件。该方法无需拆除保温层即可直接检测水侵入及腐蚀萌生，解决了常规检测策略的关键局限。使用奇随机相位电化学阻抗谱（ORP–EIS）进行验证表明，传感器测量结果与ORP–EIS数据具有良好一致性，证实了该方法捕捉传输行为及早期腐蚀活动的可靠性。研究还发现保温层形貌影响水分传输特性，传感器可反映不同保温结构下的吸湿动力学差异。所提出的传感器方法结构简单、信号解读直接、成本低廉且易于集成，适用于工业环境中CUI的实时、连续乃至分布式监测，为资产完整性管理提供了有效的原位评估工具。

讨论总结

研究人员指出，与传统NDT技术及常规EIS相比，所开发的电容传感器兼顾了操作简便性、低成本与连续监测能力，克服了全拆除检查的高成本及部分NDT技术信号衰减、无法定量或需部分拆卸的不足。ORP–EIS作为快速多频阻抗技术，在本研究中证明了其作为传感器标定与验证手段的价值。实验室模拟保留了工业CUI体系的关键特征（涂覆钢基底+厚保温层+电解质侵入），但现场长期稳定性、高温工况适应性及实际管线复杂几何形状的影响尚待后续工业试点研究。总体而言，该研究为CUI的早期预警提供了一种经电化学方法验证的可行传感方案，对降低工业装置因隐蔽腐蚀引发的安全风险具有重要工程意义。