على الرغم من مقاومة أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل، إلا أن الأنابيب المُركّبة في البيئات البحرية عُرضة لأنواع مختلفة من التآكل خلال فترة خدمتها المتوقعة. قد يؤدي هذا التآكل إلى انبعاثات متسربة، وفقدان المنتجات، ومخاطر محتملة. يُمكن لمالكي ومشغلي المنصات البحرية تقليل مخاطر التآكل من خلال اختيار مواد أنابيب أقوى منذ البداية لتحسين مقاومتها للتآكل. بعد ذلك، يجب عليهم توخي الحذر عند فحص خطوط حقن المواد الكيميائية، وخطوط الضغط الهيدروليكي، وأجهزة القياس والتحكم في العمليات، لضمان عدم تهديد التآكل لسلامة الأنابيب المُركّبة أو المساس بالسلامة العامة.
يمكن ملاحظة التآكل الموضعي في العديد من المنصات والسفن وخطوط الأنابيب البحرية. وقد يكون هذا التآكل على شكل تآكل نقري أو تآكل شقوقي، وكلاهما قادر على تآكل جدار الأنبوب والتسبب في تسرب السوائل.
يزداد خطر التآكل مع ارتفاع درجة حرارة تشغيل التطبيق. فالحرارة قد تُسرّع من تدهور طبقة الأكسيد الخارجية الواقية للأنبوب، مما يُؤدي إلى حدوث التنقر.
لسوء الحظ، يصعب اكتشاف التآكل النُقري الموضعي وتآكل الشقوق، مما يجعل تحديد هذه الأنواع من التآكل والتنبؤ بها وتصميمها أمرًا بالغ الصعوبة. ونظرًا لهذه المخاطر، يجب على مالكي المنصات ومشغليها والجهات المسؤولة عنها توخي الحذر عند اختيار أفضل مواد خطوط الأنابيب لتطبيقاتهم. يُعد اختيار المواد خط الدفاع الأول ضد التآكل، لذا فإن اختيارها الصحيح أمر بالغ الأهمية. ولحسن الحظ، يمكنهم استخدام مقياس بسيط وفعال للغاية لمقاومة التآكل الموضعي، وهو رقم مكافئ مقاومة التآكل النُقري (PREN). كلما ارتفعت قيمة PREN للمعدن، زادت مقاومته للتآكل الموضعي.
ستتناول 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 بالتشكل على أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 316 عندما تتمزق طبقة الأكسيد الخارجية الغنية بالكروم نتيجة تعرضها لسوائل أكالة، بما في ذلك المياه المالحة. تزيد البيئات البحرية الغنية بالكلوريدات، بالإضافة إلى درجات الحرارة المرتفعة وحتى تلوث سطح الأنابيب، من احتمالية تدهور طبقة التخميل هذه.
يحدث التآكل النُقري عندما تتلف طبقة التخميل على جزء من الأنبوب، مُشكّلةً تجاويف أو حفرًا صغيرة على سطحه. من المرجح أن تتسع هذه الحفر مع استمرار التفاعلات الكهروكيميائية، مما يؤدي إلى ذوبان الحديد الموجود في المعدن في المحلول الموجود في قاع الحفرة. ثم ينتشر الحديد المذاب إلى أعلى الحفرة ويتأكسد مُشكّلًا أكسيد الحديد أو الصدأ. ومع ازدياد عمق الحفرة، تتسارع التفاعلات الكهروكيميائية، ويزداد التآكل، مما قد يؤدي إلى ثقب جدار الأنبوب وحدوث تسربات.
تكون الأنابيب أكثر عرضةً للتآكل النُقري إذا تلوث سطحها الخارجي (الشكل 1). على سبيل المثال، يمكن للملوثات الناتجة عن عمليات اللحام والطحن أن تُلحق الضرر بطبقة الأكسيد الواقية للأنبوب، مما يؤدي إلى تكوّن النُقر وتسريعه. وينطبق الأمر نفسه على التعامل مع التلوث الناتج عن الأنابيب. بالإضافة إلى ذلك، مع تبخر قطرات الملح، تحمي بلورات الملح الرطبة المتكونة على الأنابيب طبقة الأكسيد، وقد تؤدي 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 والملح والرواسب الأخرى معرض بشدة للتنقر.
التآكل الشقوقي. في معظم الحالات، يمكن للمشغل اكتشاف التآكل النُقري بسهولة. مع ذلك، يصعب اكتشاف التآكل الشقوقي، ويُشكّل خطرًا أكبر على المشغلين والعاملين. يحدث هذا عادةً في الأنابيب ذات الفجوات الضيقة بين المواد المحيطة، مثل الأنابيب المثبتة بمشابك أو الأنابيب المتراصة بإحكام بجانب بعضها. عندما يتسرب المحلول الملحي إلى الفجوة، يتشكل مع مرور الوقت محلول كلوريد الحديديك الحمضي (FeCl3) ذو الخصائص الكيميائية العدوانية في هذه المنطقة، مما يُسرّع من تآكل الفجوة (الشكل 2). ولأن التآكل الشقوقي بطبيعته يزيد من خطر التآكل، فإنه قد يحدث عند درجات حرارة أقل بكثير من التآكل النُقري.
الشكل 2 - يمكن أن يحدث تآكل الشقوق بين الأنبوب ودعامة الأنبوب (أعلى) وعندما يتم تركيب الأنبوب بالقرب من الأسطح الأخرى (أسفل) بسبب تكوين محلول حمضي عدواني كيميائيًا من كلوريد الحديديك في الفجوة.
عادةً ما يُحاكي التآكل الشقوقي ظاهرة التنقر في البداية في الفجوة المتكونة بين جزء الأنبوب وطوق الدعم. ومع ذلك، ونظرًا لزيادة تركيز أيونات الحديد الثنائي (Fe++) في السائل داخل الشق، يتسع نطاق التآكل تدريجيًا حتى يُغطي الشق بالكامل. وفي النهاية، قد يؤدي التآكل الشقوقي إلى ثقب الأنبوب.
تُمثل الشقوق الكثيفة أكبر خطر للتآكل. لذا، فإن مشابك الأنابيب التي تُحيط بجزء كبير من محيط الأنبوب تُشكل خطراً أكبر من المشابك المفتوحة، التي تُقلل من مساحة التلامس بين الأنبوب والمشبك. يُمكن لفنيي الصيانة المساعدة في تقليل احتمالية تلف الأنابيب أو تعطلها بسبب التآكل الشقوقي من خلال فتح التركيبات بانتظام وفحص أسطح الأنابيب بحثاً عن التآكل.
يمكن الوقاية من التآكل النُقري والتآكل الشقوقي باختيار سبيكة معدنية مناسبة للتطبيق المحدد. يجب على المصممين توخي الحذر الشديد عند اختيار مادة الأنابيب المثلى لتقليل مخاطر التآكل، وذلك بناءً على بيئة التشغيل وظروف العملية والمتغيرات الأخرى.
لمساعدة المصممين على اختيار المواد الأمثل، يمكنهم مقارنة قيم PREN للمعادن لتحديد مقاومتها للتآكل الموضعي. ويمكن حساب PREN من التركيب الكيميائي للسبيكة، بما في ذلك محتواها من الكروم (Cr) والموليبدينوم (Mo) والنيتروجين (N)، كما يلي:
تزداد قيمة PREN مع زيادة محتوى العناصر المقاومة للتآكل، مثل الكروم والموليبدينوم والنيتروجين، في السبيكة. وتعتمد نسبة PREN على درجة حرارة التنقر الحرجة (CPT) - وهي أدنى درجة حرارة يحدث عندها التنقر - لأنواع مختلفة من الفولاذ المقاوم للصدأ، وذلك تبعًا لتركيبها الكيميائي. وبشكل أساسي، تتناسب قيمة PREN طرديًا مع درجة حرارة التنقر الحرجة. لذا، تشير القيم الأعلى لـ PREN إلى مقاومة أعلى للتنقر. وتُعادل الزيادة الطفيفة في PREN زيادة طفيفة فقط في CPT مقارنةً بالسبيكة، بينما تشير الزيادة الكبيرة في PREN إلى تحسن ملحوظ في الأداء عند درجة حرارة تنقر حرجة أعلى بكثير.
يقارن الجدول 1 قيم PREN لمختلف السبائك الشائعة الاستخدام في صناعة النفط والغاز البحرية. ويوضح كيف يمكن للمواصفات أن تُحسّن مقاومة التآكل بشكل كبير باختيار سبيكة أنابيب ذات جودة أعلى. ترتفع قيمة PREN ارتفاعًا طفيفًا من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 إلى الفولاذ المقاوم للصدأ 317. يُعدّ كل من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي الفائق 6 موليبدينوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج الفائق 2507 مثاليين لتحقيق مكاسب كبيرة في الأداء.
تزيد زيادة تركيز النيكل (Ni) في الفولاذ المقاوم للصدأ من مقاومته للتآكل. مع ذلك، لا يُعدّ محتوى النيكل في الفولاذ المقاوم للصدأ جزءًا من معادلة PREN. على أي حال، يُفضّل غالبًا اختيار أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ ذات المحتوى العالي من النيكل، إذ يُساعد هذا العنصر على إعادة تكوين طبقة واقية على الأسطح التي تظهر عليها 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، يُقلّل من مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل الموضعي والتشقق الناتج عن الإجهاد بفعل الكلوريدات. كما يُفضّل أن يحتوي الفولاذ 316/316L على نسبة عالية من النيكل لا تقل عن 12% لتطبيقات غاز الهيدروجين عالية الضغط. الحد الأدنى لتركيز النيكل المطلوب للفولاذ المقاوم للصدأ ASTM 316/316L هو 10%.
قد يحدث التآكل الموضعي في أي مكان ضمن خط الأنابيب المستخدم في البيئة البحرية. ومع ذلك، فإن التآكل النُقري أكثر شيوعًا في المناطق الملوثة، بينما يزداد احتمال حدوث التآكل الشقوقي في المناطق ذات الفجوات الضيقة بين الأنبوب ومعدات التركيب. وباستخدام معيار PREN كأساس، يمكن للمُصمِّم اختيار أفضل نوع من الأنابيب لتقليل مخاطر أي نوع من التآكل الموضعي.
مع ذلك، يجب الأخذ في الاعتبار وجود عوامل أخرى قد تؤثر على خطر التآكل. فعلى سبيل المثال، تؤثر درجة الحرارة على مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتنقر. في المناخات البحرية الحارة، يُنصح بشدة باستخدام أنابيب الفولاذ الأوستنيتي الفائق 6 الموليبدينوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ الفائق المزدوج 2507، نظرًا لمقاومتها الممتازة للتآكل الموضعي وتشققات الكلوريد. أما في المناخات الباردة، فقد يكون استخدام أنابيب 316/316L كافيًا، خاصةً إذا كان هناك سجل استخدام ناجح لها.
بإمكان مالكي ومشغلي المنصات البحرية اتخاذ خطوات للحد من مخاطر التآكل بعد تركيب الأنابيب. ينبغي عليهم الحفاظ على نظافة الأنابيب وغسلها بانتظام بالماء العذب لتقليل خطر التآكل النُقري. كما ينبغي عليهم تكليف فنيي الصيانة بفتح المشابك خلال عمليات الفحص الروتينية للتحقق من وجود تآكل شقوقي.
باتباع الخطوات المذكورة أعلاه، يمكن لمالكي ومشغلي المنصات تقليل مخاطر تآكل الأنابيب والتسريبات ذات الصلة في البيئة البحرية، وتحسين السلامة والكفاءة، وتقليل فرصة فقدان المنتج أو الانبعاثات المتسربة.
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok. He can be contacted at bradley.bollinger@swagelok.com.
تقدم مجلة تكنولوجيا البترول، وهي المجلة الرئيسية لجمعية مهندسي البترول، ملخصات ومقالات موثوقة حول التطورات في تكنولوجيا التنقيب والإنتاج، وقضايا صناعة النفط والغاز، وأخبار جمعية مهندسي البترول وأعضائها.