على الرغم من مقاومة أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل، إلا أنها تُركّب في البيئات البحرية لأنواع مختلفة من التآكل خلال عمرها الافتراضي المتوقع. قد يؤدي هذا التآكل إلى انبعاثات متسرّبة، وفقدان للمنتجات، ومخاطر محتملة. يمكن لمالكي ومشغلي المنصات البحرية الحدّ من خطر التآكل باختيار مواد أنابيب أقوى منذ البداية لتحسين مقاومتها للتآكل. بعد ذلك، يجب عليهم توخي الحذر عند فحص خطوط حقن المواد الكيميائية، وخطوط الهيدروليك والنبضات، وأجهزة المعالجة، لضمان عدم تأثير التآكل على سلامة الأنابيب المُركّبة أو المساس بسلامتها.
يمكن ملاحظة التآكل الموضعي على العديد من المنصات والسفن وخطوط الأنابيب البحرية. قد يكون هذا التآكل على شكل تآكل نقري أو تآكل شقوق، وقد يؤدي أي منهما إلى تآكل جدار الأنبوب وتسرب السوائل.
يزداد خطر التآكل مع ارتفاع درجة حرارة تشغيل التطبيق. فالحرارة قد تُسرّع تآكل طبقة الأكسيد السلبي الخارجية الواقية للأنبوب، مما يُعزز التنقر.
لسوء الحظ، يصعب اكتشاف التآكل النقطي الموضعي وتآكل الشقوق، مما يُصعّب تحديد هذه الأنواع من التآكل والتنبؤ بها وتصميمها. ونظرًا لهذه المخاطر، يجب على مالكي المنصات ومشغليها والمكلفين بها توخي الحذر عند اختيار أفضل مادة لأنابيب الأنابيب لتطبيقاتهم. يُعد اختيار المادة خط دفاعهم الأول ضد التآكل، لذا فإن اختيارها بدقة أمر بالغ الأهمية. ولحسن الحظ، يُمكنهم استخدام مقياس بسيط وفعال للغاية لمقاومة التآكل الموضعي، وهو رقم مكافئ مقاومة التآكل النقطي (PREN). كلما ارتفعت قيمة PREN للمعدن، زادت مقاومته للتآكل الموضعي.
ستتناول هذه المقالة كيفية تحديد التآكل الحفري والشقوق وكيفية تحسين اختيار مادة الأنابيب لتطبيقات النفط والغاز البحرية بناءً على قيمة PREN للمادة.
يحدث التآكل الموضعي في مساحات صغيرة مقارنةً بالتآكل العام، الذي يكون أكثر اتساقًا على سطح المعدن. يبدأ التنقر والتآكل الشقوقي في أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 316 عندما يتمزق غشاء أكسيد المعدن السلبي الخارجي الغني بالكروم نتيجة تعرضه للسوائل المسببة للتآكل، بما في ذلك المياه المالحة. تزيد البيئات البحرية الغنية بالكلوريدات، بالإضافة إلى درجات الحرارة المرتفعة وحتى تلوث سطح الأنبوب، من احتمالية تدهور غشاء التخميل هذا.
يحدث التآكل النقطي عندما ينهار غشاء التخميل على جزء من الأنبوب، مشكّلاً تجاويف أو حفرًا صغيرة على سطح الأنبوب. من المرجح أن تكبر هذه الحفر مع استمرار التفاعلات الكهروكيميائية، ونتيجة لذلك يذوب الحديد الموجود في المعدن في محلول في قاع الحفرة. ثم ينتشر الحديد المذاب إلى أعلى الحفرة ويتأكسد مكونًا أكسيد الحديد أو الصدأ. مع ازدياد عمق الحفرة، تتسارع التفاعلات الكهروكيميائية ويزداد التآكل، مما قد يؤدي إلى ثقب جدار الأنبوب وحدوث تسريبات.
تكون الأنابيب أكثر عرضة للتآكل إذا كان سطحها الخارجي ملوثًا (الشكل 1). على سبيل المثال، يمكن للملوثات الناتجة عن عمليات اللحام والطحن أن تُلحق الضرر بطبقة أكسيد التخميل في الأنبوب، مما يُسبب التآكل ويُسرّع حدوثه. وينطبق الأمر نفسه على معالجة التلوث الناتج عن الأنابيب. بالإضافة إلى ذلك، فمع تبخر قطرات الملح، تحمي بلورات الملح الرطبة التي تتشكل على الأنابيب طبقة الأكسيد، وقد تؤدي إلى التآكل. لمنع هذه الأنواع من التلوث، حافظ على نظافة أنابيبك بشطفها بانتظام بالماء العذب.
الشكل 1. أنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ 316/316L الملوث بالأحماض والمحاليل الملحية وغيرها من الرواسب معرض بشكل كبير للتآكل.
تآكل الشقوق. في معظم الحالات، يمكن للمشغل اكتشاف التآكل بسهولة. ومع ذلك، يصعب اكتشاف تآكل الشقوق، ويشكل خطرًا أكبر على المشغلين والعاملين. يحدث هذا عادةً في الأنابيب ذات الفجوات الضيقة بين المواد المحيطة، مثل الأنابيب المثبتة بمشابك أو الأنابيب المتراصة بإحكام. عندما يتسرب المحلول الملحي إلى الفجوة، يتشكل بمرور الوقت محلول كلوريد الحديديك الحمضي (FeCl3) ذو التركيب الكيميائي العدواني في هذه المنطقة، مما يُسبب تآكلًا مُتسارعًا للفجوة (الشكل 2). ونظرًا لأن تآكل الشقوق بطبيعته يزيد من خطر التآكل، فيمكن أن يحدث تآكل الشقوق في درجات حرارة أقل بكثير من التآكل بالنقر.
الشكل 2 - يمكن أن يتطور التآكل الشقوقي بين الأنبوب ودعامة الأنبوب (أعلى) وعندما يتم تركيب الأنبوب بالقرب من الأسطح الأخرى (أسفل) بسبب تكوين محلول حمضي كيميائي عدواني من كلوريد الحديديك في الفجوة.
عادةً ما يُحاكي تآكل الشقوق التآكلَ أولاً في الفجوة المُشكَّلة بين مقطع الأنبوب وطوق دعم الأنبوب. ومع ذلك، نظرًا لزيادة تركيز Fe++ في السائل داخل الكسر، يتسع القمع الأولي أكثر فأكثر حتى يُغطي الكسر بأكمله. وفي النهاية، قد يؤدي تآكل الشقوق إلى ثقب الأنبوب.
تُمثل الشقوق الكثيفة أكبر خطر للتآكل. لذلك، تُعتبر مشابك الأنابيب التي تُحيط بجزء كبير من محيط الأنبوب أكثر خطورة من المشابك المفتوحة، التي تُقلل من مساحة التلامس بين الأنبوب والمشبك. يُمكن لفنيي الصيانة المساعدة في تقليل احتمالية تلف الشقوق أو تعطلها من خلال فتح التركيبات بانتظام وفحص أسطح الأنابيب بحثًا عن أي تآكل.
يمكن منع التآكل النقطي والشقوقي باختيار سبيكة معدنية مناسبة للتطبيق المحدد. يجب على واضعي المواصفات توخي العناية الواجبة عند اختيار مادة الأنابيب المثالية لتقليل خطر التآكل، وذلك وفقًا لبيئة التشغيل وظروف العملية ومتغيرات أخرى.
لمساعدة واضعي المواصفات على تحسين اختيارهم للمواد، يُمكنهم مقارنة قيم PREN للمعادن لتحديد مقاومتها للتآكل الموضعي. يُمكن حساب PREN من خلال التركيب الكيميائي للسبائك، بما في ذلك محتواها من الكروم (Cr) والموليبدينوم (Mo) والنيتروجين (N)، على النحو التالي:
تزداد نسبة PREN بازدياد محتوى العناصر المقاومة للتآكل، مثل الكروم والموليبدينوم والنيتروجين، في السبيكة. تعتمد نسبة PREN على درجة حرارة التآكل الحرج (CPT) - وهي أدنى درجة حرارة يحدث عندها التآكل - لمختلف أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ، وذلك حسب تركيبها الكيميائي. وبشكل أساسي، تتناسب نسبة PREN طرديًا مع درجة حرارة التآكل الحرج. لذلك، تشير قيم PREN الأعلى إلى مقاومة أعلى للتآكل الحرج. تُعادل الزيادة الطفيفة في PREN زيادة طفيفة فقط في درجة حرارة التآكل الحرج مقارنةً بالسبيكة، بينما تُشير الزيادة الكبيرة في PREN إلى تحسن كبير في الأداء مقارنةً بدرجة حرارة تآكل حرج أعلى بكثير.
يُقارن الجدول 1 قيم PREN لمختلف السبائك الشائعة الاستخدام في صناعة النفط والغاز البحرية. ويُظهر كيف يُمكن للمواصفات أن تُحسّن مقاومة التآكل بشكل كبير باختيار سبيكة أنابيب عالية الجودة. تزداد قيمة PREN بشكل طفيف من 316 SS إلى 317 SS. يُعدّ SS الفائق الأوستنيتي 6 Mo أو SS الفائق دوبلكس 2507 SS مثاليين لتحسين الأداء بشكل ملحوظ.
تزيد تركيزات النيكل (Ni) العالية في الفولاذ المقاوم للصدأ من مقاومته للتآكل. ومع ذلك، لا يدخل محتوى النيكل في الفولاذ المقاوم للصدأ ضمن معادلة PREN. على أي حال، غالبًا ما يكون من الأفضل اختيار الفولاذ المقاوم للصدأ ذي المحتوى الأعلى من النيكل، إذ يساعد هذا العنصر على إعادة تأهيل الأسطح التي تظهر عليها علامات التآكل الموضعي. يُثبّت النيكل الأوستينيت ويمنع تكوين المارتنسيت عند ثني الأنابيب الصلبة مقاس 1/8 بوصة أو سحبها على البارد. المارتنسيت هو طور بلوري غير مرغوب فيه في المعادن، مما يقلل من مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل الموضعي، بالإضافة إلى التشقق الإجهادي الناتج عن الكلوريد. يُعدّ محتوى النيكل العالي، الذي لا يقل عن 12% في الفولاذ 316/316L، مرغوبًا فيه أيضًا لتطبيقات غاز الهيدروجين عالي الضغط. الحد الأدنى لتركيز النيكل المطلوب للفولاذ المقاوم للصدأ ASTM 316/316L هو 10%.
يمكن أن يحدث التآكل الموضعي في أي مكان في خط الأنابيب المستخدم في البيئة البحرية. ومع ذلك، يزداد احتمال حدوث التآكل الحفري في المناطق الملوثة، بينما يزداد احتمال حدوث التآكل الشقوقي في المناطق ذات الفجوات الضيقة بين الأنبوب ومعدات التركيب. باستخدام PREN كأساس، يمكن لمُحدد المواصفات اختيار أفضل نوع من الأنابيب لتقليل خطر أي نوع من أنواع التآكل الموضعي.
مع ذلك، تذكّر أن هناك عوامل أخرى قد تؤثر على خطر التآكل. على سبيل المثال، تؤثر درجة الحرارة على مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل النقطي. في المناخات البحرية الحارة، يُنصح بشدة باستخدام أنابيب الفولاذ الفائق الأوستنيتي الموليبدينوم 6 أو أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الفائق المزدوج 2507، لما تتمتع به هذه المواد من مقاومة ممتازة للتآكل الموضعي وتشقق الكلوريد. أما في المناخات الباردة، فقد يكون استخدام أنابيب 316/316L كافيًا، خاصةً مع وجود تاريخ من الاستخدام الناجح.
يمكن لمالكي ومشغلي المنصات البحرية اتخاذ خطوات لتقليل خطر التآكل بعد تركيب الأنابيب. يجب عليهم الحفاظ على نظافة الأنابيب وشطفها بانتظام بالماء العذب لتقليل خطر التآكل. كما يجب عليهم الاستعانة بفنيي الصيانة لفتح المشابك أثناء عمليات الفحص الدورية للتحقق من وجود تآكل في الشقوق.
ومن خلال اتباع الخطوات المذكورة أعلاه، يمكن لأصحاب المنصات ومشغليها تقليل مخاطر تآكل الأنابيب والتسريبات ذات الصلة في البيئة البحرية، وتحسين السلامة والكفاءة، وتقليل فرصة فقدان المنتج أو الانبعاثات الهاربة.
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 الرائدة لجمعية مهندسي البترول، ملخصات ومقالات موثوقة حول التقدم في تكنولوجيا المنبع، وقضايا صناعة النفط والغاز، والأخبار حول SPE وأعضائها.