على الرغم من مقاومة أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل، إلا أنها تتعرض لأنواع مختلفة من التآكل خلال عمرها الافتراضي في البيئات البحرية. قد يؤدي هذا التآكل إلى انبعاثات متسربة، وفقدان المنتجات، ومخاطر محتملة. يمكن لمالكي ومشغلي المنصات البحرية تقليل مخاطر التآكل باستخدام مواد أنابيب أقوى توفر مقاومة أفضل للتآكل. بعد ذلك، يجب عليهم توخي الحذر عند فحص خطوط حقن المواد الكيميائية، والخطوط الهيدروليكية، وخطوط النبض، وأجهزة القياس والاستشعار، لضمان عدم تهديد التآكل لسلامة الأنابيب المركبة، وبالتالي الحفاظ على السلامة العامة.
يمكن العثور على التآكل الموضعي في العديد من المنصات والسفن والأنابيب في المنشآت البحرية. يمكن أن يكون هذا التآكل على شكل تآكل نقري أو تآكل شقوقي، وكلاهما يمكن أن يؤدي إلى تآكل جدار الأنبوب والتسبب في تسرب السوائل.
يزداد خطر التآكل مع ارتفاع درجة حرارة تشغيل التطبيق. يمكن للحرارة أن تسرع من تدمير طبقة الأكسيد الخارجية الواقية للأنبوب، مما يعزز تكوين التآكل النُقري.
لسوء الحظ، يصعب اكتشاف التآكل الموضعي والتنقري، مما يجعل تحديد هذه الأنواع من التآكل والتنبؤ بها وتصميم المنشآت لمواجهتها أكثر صعوبة. ونظرًا لهذه المخاطر، ينبغي على مالكي المنصات ومشغليها والجهات المسؤولة عن تصميمها توخي الحذر عند اختيار أفضل مواد الأنابيب لتطبيقاتهم. يُعد اختيار المواد خط الدفاع الأول ضد التآكل، لذا فإن اختيارها الصحيح أمر بالغ الأهمية. ولحسن الحظ، يمكنهم الاختيار باستخدام مقياس بسيط وفعال للغاية لمقاومة التآكل الموضعي، وهو رقم مكافئ مقاومة التنقر (PREN). كلما ارتفعت قيمة PREN للمعدن، زادت مقاومته للتآكل الموضعي.
ستستعرض هذه المقالة كيفية تحديد التآكل النقطي والتآكل الشقوقي وكيفية تحسين اختيار مواد الأنابيب لتطبيقات النفط والغاز البحرية بناءً على قيمة PREN للمادة.
يحدث التآكل الموضعي في مناطق صغيرة مقارنةً بالتآكل العام، الذي يكون أكثر تجانسًا على سطح المعدن. يبدأ التآكل النُقري والتآكل الشقوقي في التكوّن على أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 316 عندما تتمزق طبقة الأكسيد الخارجية الغنية بالكروم نتيجةً للتعرض لسوائل أكالة، بما في ذلك المياه المالحة. تزيد البيئات البحرية الغنية بالكلوريدات، سواءً في عرض البحر أو على اليابسة، بالإضافة إلى درجات الحرارة المرتفعة وحتى تلوث سطح الأنابيب، من احتمالية تدهور طبقة التخميل هذه.
يحدث التآكل النُقري عندما تتلف طبقة التخميل على طول الأنبوب، مما يؤدي إلى تكوين تجاويف أو حفر صغيرة على سطحه. من المرجح أن تتسع هذه الحفر مع حدوث تفاعلات كيميائية كهربائية، مما يتسبب في ذوبان الحديد الموجود في المعدن في المحلول الموجود في قاع الحفرة. ثم ينتشر الحديد المذاب نحو أعلى الحفرة ويتأكسد مكونًا أكسيد الحديد أو الصدأ. مع ازدياد عمق الحفرة، تتسارع التفاعلات الكيميائية الكهربائية، ويزداد التآكل، وقد يؤدي ذلك إلى ثقب جدار الأنبوب وحدوث تسربات.
تصبح الأنابيب أكثر عرضة للتآكل النُقري عند تلوث سطحها الخارجي (الشكل 1). على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي التلوث الناتج عن عمليات اللحام والطحن إلى إتلاف طبقة الأكسيد الواقية للأنبوب، مما يُسبب التآكل النُقري ويسرع من حدوثه. وينطبق الأمر نفسه على التعامل مع التلوث الناتج عن الأنابيب نفسها. بالإضافة إلى ذلك، مع تبخر قطرات المحلول الملحي، تتبخر بلورات الملح الرطبة المتكونة على الأنابيب لحماية طبقة الأكسيد، مما قد يؤدي إلى التآكل النُقري. ولمنع هذا النوع من التلوث، حافظ على نظافة أنابيبك عن طريق شطفها بانتظام بالماء العذب.
الشكل 1 - أنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ 316/316L الملوث بالحمض والمحلول الملحي والرواسب الأخرى معرض بشدة للتآكل النقطي.
التآكل الشقوقي. في معظم الحالات، يمكن للمشغل تحديد التآكل النُقري بسهولة. ومع ذلك، يصعب اكتشاف التآكل الشقوقي، ويشكل خطرًا أكبر على المشغلين والعاملين. يحدث عادةً في الأنابيب ذات المسافات الضيقة بين المواد المحيطة، مثل الأنابيب المثبتة بمشابك أو الأنابيب المثبتة بإحكام جنبًا إلى جنب. عندما يتسرب المحلول الملحي إلى الشق، يتشكل محلول كلوريد الحديديك الحمضي (FeCl3) ذو الخصائص الكيميائية العدوانية في المنطقة بمرور الوقت، مما يؤدي إلى تسريع التآكل الشقوقي (الشكل 2). نظرًا لأن الشقوق نفسها تزيد من خطر التآكل، فقد يحدث التآكل الشقوقي في درجات حرارة أقل بكثير من التآكل النُقري.
الشكل 2 - قد يحدث تآكل الشقوق بين الأنبوب ودعامة الأنبوب (أعلى) وعندما يتم تركيب الأنبوب بالقرب من الأسطح الأخرى (أسفل) بسبب تكوين محلول كلوريد الحديديك الحمضي العدواني كيميائيًا في الشق.
عادةً ما يُحاكي التآكل الشقوقي التآكل النُقري في البداية في الشق المتكون بين جزء من الأنبوب ومشبك تثبيت الأنبوب. ومع ذلك، ونظرًا لزيادة تركيز أيونات الحديد الثنائي (Fe++) في السائل داخل الشق، تتسع الحفرة الأولية تدريجيًا حتى تُغطي الشق بأكمله. وفي النهاية، قد يُؤدي التآكل الشقوقي إلى ثقب الأنبوب.
تُعدّ الشقوق الضيقة أكبر خطر للتآكل. لذا، فإنّ مشابك الأنابيب التي تُحيط بمعظم محيط الأنبوب تُشكّل خطراً أكبر من المشابك المفتوحة، التي تُقلّل من مساحة التلامس بين الأنبوب والمشبك. يُمكن لفنيي الصيانة المساعدة في تقليل احتمالية تسبب تآكل الشقوق في حدوث تلف أو عطل من خلال فتح المشابك بانتظام وفحص سطح الأنبوب بحثاً عن التآكل.
يمكن الوقاية من التآكل النُقري والتآكل الشقوقي على أفضل وجه عن طريق اختيار سبيكة معدنية مناسبة للتطبيق. ينبغي على المصممين بذل العناية الواجبة لاختيار مادة الأنابيب المثلى لتقليل مخاطر التآكل بناءً على بيئة التشغيل وظروف العملية والمتغيرات الأخرى.
لمساعدة المصممين على تحسين اختيار المواد، يمكنهم مقارنة قيم PREN للمعادن لتحديد مقاومتها للتآكل الموضعي. يمكن حساب PREN من التركيب الكيميائي للسبيكة، بما في ذلك محتواها من الكروم (Cr) والموليبدينوم (Mo) والنيتروجين (N)، على النحو التالي:
يزداد مؤشر مقاومة التنقر (PREN) مع زيادة محتوى العناصر المقاومة للتآكل، مثل الكروم والموليبدينوم والنيتروجين، في السبيكة. وتعتمد علاقة PREN على درجة حرارة التنقر الحرجة (CPT) - وهي أدنى درجة حرارة يُلاحظ عندها تآكل التنقر - لأنواع مختلفة من الفولاذ المقاوم للصدأ، وذلك تبعًا لتركيبها الكيميائي. وبشكل أساسي، يتناسب PREN طرديًا مع CPT. لذا، تشير قيم PREN الأعلى إلى مقاومة تنقر أعلى. وتُعادل الزيادة الطفيفة في PREN زيادة طفيفة في CPT مقارنةً بالسبيكة، بينما تشير الزيادة الكبيرة في PREN إلى تحسن ملحوظ في الأداء عند درجة حرارة CPT أعلى بكثير.
يقارن الجدول 1 قيم PREN لمختلف السبائك الشائعة الاستخدام في تطبيقات النفط والغاز البحرية. ويوضح كيف يمكن للمواصفات أن تُحسّن مقاومة التآكل بشكل ملحوظ باختيار سبيكة أنابيب ذات درجة أعلى. لا تزداد قيمة PREN إلا قليلاً عند الانتقال من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 إلى 317. ولتحقيق زيادة ملحوظة في الأداء، يُفضل استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي الفائق 6 Mo أو الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج الفائق 2507.
تُعزز التركيزات العالية من النيكل (Ni) في الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومته للتآكل. مع ذلك، لا يُعد محتوى النيكل في الفولاذ المقاوم للصدأ جزءًا من معادلة PREN. على أي حال، غالبًا ما يكون من المفيد تحديد أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ ذات التركيزات العالية من النيكل، حيث يُساعد هذا العنصر على إعادة تخميل الأسطح التي تُظهر علامات التآكل الموضعي. يُثبّت النيكل الأوستنيت ويمنع تكوّن المارتنسيت عند ثني أو سحب الأنابيب الصلبة بقطر 1/8 بوصة على البارد. المارتنسيت هو طور بلوري غير مرغوب فيه في المعادن يُقلل من مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل الموضعي وكذلك التشققات الناتجة عن الإجهاد بسبب الكلوريدات. يُفضّل أيضًا أن يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ 316/316L على نسبة نيكل لا تقل عن 12% للتطبيقات التي تتضمن غاز الهيدروجين عالي الضغط. الحد الأدنى لتركيز النيكل المطلوب للفولاذ المقاوم للصدأ 316/316L في مواصفات ASTM القياسية هو 10%.
قد يحدث التآكل الموضعي في أي مكان على الأنابيب المستخدمة في البيئات البحرية. ومع ذلك، فإن التآكل النُقري أكثر احتمالاً في المناطق الملوثة بالفعل، بينما يزداد احتمال حدوث التآكل الشقوقي في المناطق ذات الفجوات الضيقة بين الأنبوب ومعدات التثبيت. وباستخدام معيار PREN كأساس، يمكن للمُصمِّم اختيار أفضل سبيكة للأنابيب لتقليل مخاطر أي نوع من أنواع التآكل الموضعي.
مع ذلك، يجب الأخذ في الاعتبار وجود عوامل أخرى قد تؤثر على خطر التآكل. على سبيل المثال، تؤثر درجة الحرارة على مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتنقر. في المناخات البحرية الحارة، يُنصح بشدة باستخدام أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ فائق الأوستنيتي 6 موليبدينوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ فائق الدوبلكس 2507، نظرًا لمقاومتها الممتازة للتآكل الموضعي وتشققات الإجهاد الكلوريدي. أما في المناخات الباردة، فقد تكون أنابيب 316/316L كافية، خاصةً إذا كان هناك سجل حافل بالاستخدام الناجح.
يمكن لمالكي ومشغلي المنصات البحرية اتخاذ خطوات لتقليل مخاطر التآكل بعد تركيب الأنابيب. ينبغي عليهم الحفاظ على نظافة الأنابيب وشطفها بالماء العذب بانتظام للحد من خطر التآكل النُقري. كما ينبغي عليهم تكليف فنيي الصيانة بفتح مشابك الأنابيب أثناء عمليات الفحص الروتينية للبحث عن وجود تآكل شقوقي.
باتباع الخطوات الموضحة أعلاه، يمكن لمالكي ومشغلي المنصات تقليل مخاطر تآكل الأنابيب والتسريبات ذات الصلة في البيئات البحرية، مما يحسن السلامة والكفاءة، مع تقليل فرصة فقدان المنتج أو إطلاق الانبعاثات المتسربة.
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok Company.He can be reached at bradley.bollinger@swagelok.com.
تُعد مجلة تكنولوجيا البترول المجلة الرئيسية لجمعية مهندسي البترول، حيث تقدم ملخصات ومقالات موثوقة حول التطورات في تكنولوجيا الاستكشاف والإنتاج، وقضايا صناعة النفط والغاز، وأخبار جمعية مهندسي البترول وأعضائها.