Παρά την εγγενή αντοχή στη διάβρωση των σωλήνων από ανοξείδωτο χάλυβα, οι σωλήνες από ανοξείδωτο χάλυβα που εγκαθίστανται σε θαλάσσια περιβάλλοντα υφίστανται διαφορετικούς τύπους διάβρωσης κατά τη διάρκεια της αναμενόμενης διάρκειας ζωής τους. Αυτή η διάβρωση μπορεί να οδηγήσει σε ανεξέλεγκτες εκπομπές, απώλεια προϊόντων και πιθανούς κινδύνους. Οι ιδιοκτήτες και οι χειριστές υπεράκτιων πλατφορμών μπορούν να μειώσουν τον κίνδυνο διάβρωσης καθορίζοντας ισχυρότερα υλικά σωλήνων που παρέχουν καλύτερη αντοχή στη διάβρωση. Στη συνέχεια, πρέπει να παραμένουν σε εγρήγορση κατά την επιθεώρηση της χημικής έγχυσης, των υδραυλικών και των σωλήνων ώθησης, καθώς και των οργάνων και του εξοπλισμού ανίχνευσης διεργασιών, για να διασφαλιστεί ότι η διάβρωση δεν απειλεί την ακεραιότητα των εγκατεστημένων σωληνώσεων και δεν θέτει σε κίνδυνο την ασφάλεια.
Η εντοπισμένη διάβρωση μπορεί να εντοπιστεί σε πολλές πλατφόρμες, σκάφη, πλοία και σωληνώσεις σε υπεράκτιες εγκαταστάσεις. Αυτή η διάβρωση μπορεί να έχει τη μορφή διάβρωσης σε κοιλότητες ή σχισμές, και οι δύο εκ των οποίων μπορούν να διαβρώσουν το τοίχωμα του σωλήνα και να προκαλέσουν απελευθέρωση υγρού.
Ο κίνδυνος διάβρωσης είναι μεγαλύτερος όταν αυξάνεται η θερμοκρασία λειτουργίας της εφαρμογής. Η θερμότητα μπορεί να επιταχύνει την καταστροφή της προστατευτικής εξωτερικής παθητικής μεμβράνης οξειδίου του σωλήνα, προωθώντας έτσι τον σχηματισμό διάβρωσης με οπές.
Δυστυχώς, η εντοπισμένη διάβρωση σε οπές και σχισμές μπορεί να είναι δύσκολο να ανιχνευθεί, καθιστώντας αυτούς τους τύπους διάβρωσης πιο δύσκολο να εντοπιστούν, να προβλεφθούν και να σχεδιαστούν. Δεδομένων αυτών των κινδύνων, οι ιδιοκτήτες, οι χειριστές και οι υπεύθυνοι πλατφορμών θα πρέπει να είναι προσεκτικοί κατά την επιλογή του καλύτερου υλικού σωληνώσεων για την εφαρμογή τους. Η επιλογή υλικού είναι η πρώτη γραμμή άμυνάς τους κατά της διάβρωσης, επομένως είναι σημαντικό να γίνει σωστά. Ευτυχώς, μπορούν να επιλέξουν χρησιμοποιώντας ένα πολύ απλό αλλά πολύ αποτελεσματικό μέτρο τοπικής αντοχής στη διάβρωση, τον Ισοδύναμο Αριθμό Αντίστασης σε οπές (PREN). Όσο υψηλότερη είναι η τιμή PREN ενός μετάλλου, τόσο υψηλότερη είναι η αντοχή του στην εντοπισμένη διάβρωση.
Αυτό το άρθρο θα εξετάσει τον τρόπο αναγνώρισης της διάβρωσης σε κοιλότητες και σχισμές και τον τρόπο βελτιστοποίησης της επιλογής υλικού σωληνώσεων για εφαρμογές υπεράκτιας εξόρυξης πετρελαίου και φυσικού αερίου με βάση την τιμή PREN του υλικού.
Η εντοπισμένη διάβρωση εμφανίζεται σε μικρές περιοχές σε σύγκριση με τη γενική διάβρωση, η οποία είναι πιο ομοιόμορφη στην μεταλλική επιφάνεια. Η διάβρωση με κοιλώματα και σχισμές αρχίζουν να σχηματίζονται σε σωλήνες από ανοξείδωτο χάλυβα 316 όταν η εξωτερική, πλούσια σε χρώμιο, παθητική μεμβράνη οξειδίου του μετάλλου διαρρηγνύεται λόγω έκθεσης σε διαβρωτικά υγρά, συμπεριλαμβανομένου του αλμυρού νερού. Τα πλούσια σε χλωρίδια υπεράκτια και χερσαία θαλάσσια περιβάλλοντα, καθώς και οι υψηλές θερμοκρασίες, ακόμη και η μόλυνση της επιφάνειας του σωλήνα, αυξάνουν την πιθανότητα υποβάθμισης αυτής της μεμβράνης παθητικοποίησης.
Διάβρωση με οπές. Η διάβρωση με οπές συμβαίνει όταν η μεμβράνη παθητικοποίησης σε ένα τμήμα σωλήνα καταστρέφεται, σχηματίζοντας μικρές κοιλότητες ή οπές στην επιφάνεια του σωλήνα. Τέτοιες οπές είναι πιθανό να μεγαλώσουν καθώς λαμβάνουν χώρα ηλεκτροχημικές αντιδράσεις, προκαλώντας τη διάλυση του σιδήρου στο μέταλλο στο διάλυμα στον πυθμένα της οπής. Ο διαλυμένος σίδηρος θα διαχυθεί στη συνέχεια προς την κορυφή της οπής και θα οξειδωθεί για να σχηματίσει οξείδιο του σιδήρου ή σκουριά. Καθώς η οπή βαθαίνει, οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις επιταχύνονται, η διάβρωση εντείνεται και μπορεί να οδηγήσει σε διάτρηση του τοιχώματος του σωλήνα και σε διαρροές.
Οι σωλήνες είναι πιο ευάλωτοι στη διάβρωση λόγω οπών όταν η εξωτερική τους επιφάνεια είναι μολυσμένη (Σχήμα 1). Για παράδειγμα, η μόλυνση από τις εργασίες συγκόλλησης και λείανσης μπορεί να προκαλέσει ζημιά στο στρώμα οξειδίου του σωλήνα, σχηματίζοντας και επιταχύνοντας έτσι τη διάβρωση λόγω οπών. Το ίδιο ισχύει και για την απλή αντιμετώπιση της μόλυνσης από τους σωλήνες. Επιπλέον, καθώς εξατμίζονται τα σταγονίδια άλμης, οι υγροί κρύσταλλοι αλατιού που σχηματίζονται στους σωλήνες κάνουν το ίδιο για να προστατεύσουν το στρώμα οξειδίου και μπορούν να οδηγήσουν σε διάβρωση λόγω οπών. Για να αποτρέψετε αυτούς τους τύπους μόλυνσης, διατηρείτε τους σωλήνες σας καθαρούς ξεπλένοντάς τους τακτικά με γλυκό νερό.
Σχήμα 1 – Σωλήνας από ανοξείδωτο χάλυβα 316/316L που έχει μολυνθεί με οξύ, άλμη και άλλες αποθέσεις είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος στη διάβρωση με οπές.
Διάβρωση σχισμών. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η δημιουργία οπών μπορεί εύκολα να αναγνωριστεί από τον χειριστή. Ωστόσο, η διάβρωση σχισμών δεν είναι εύκολο να ανιχνευθεί και ενέχει μεγαλύτερο κίνδυνο για τους χειριστές και το προσωπικό. Συνήθως εμφανίζεται σε σωλήνες που έχουν στενούς χώρους μεταξύ των γύρω υλικών, όπως σωλήνες που συγκρατούνται στη θέση τους με κλιπς ή σωλήνες που είναι σφιχτά τοποθετημένοι δίπλα-δίπλα. Όταν η άλμη εισχωρεί στη σχισμή, σχηματίζεται ένα χημικά επιθετικό διάλυμα οξινισμένου χλωριούχου σιδήρου (FeCl3) στην περιοχή με την πάροδο του χρόνου και προκαλεί επιταχυνόμενη διάβρωση σχισμών (Σχήμα 2). Επειδή οι ίδιες οι σχισμές αυξάνουν τον κίνδυνο διάβρωσης, η διάβρωση σχισμών μπορεί να συμβεί σε θερμοκρασίες πολύ χαμηλότερες από τη διάβρωση με οπές.
Σχήμα 2 – Ενδέχεται να αναπτυχθεί διάβρωση σε σχισμές μεταξύ του σωλήνα και της βάσης στήριξης του σωλήνα (πάνω) και όταν ο σωλήνας εγκαθίσταται κοντά σε άλλες επιφάνειες (κάτω) λόγω του σχηματισμού ενός χημικά επιθετικού οξινισμένου διαλύματος χλωριούχου σιδήρου στη σχισμή.
Η διάβρωση σε σχισμές συνήθως προσομοιώνει τη διάβρωση με οπές πρώτα στη σχισμή που σχηματίζεται μεταξύ ενός τμήματος σωλήνα και του κλιπ στήριξης του σωλήνα. Ωστόσο, λόγω της αυξανόμενης συγκέντρωσης Fe++ στο υγρό εντός της ρωγμής, ο αρχικός κρατήρας γίνεται όλο και μεγαλύτερος μέχρι να καλύψει ολόκληρη τη ρωγμή. Τελικά, η διάβρωση σε σχισμές μπορεί να διατρήσει τον σωλήνα.
Οι σφιχτές ρωγμές αποτελούν τον μεγαλύτερο κίνδυνο διάβρωσης. Επομένως, οι σφιγκτήρες σωλήνων που τυλίγονται γύρω από το μεγαλύτερο μέρος της περιφέρειας του σωλήνα τείνουν να παρουσιάζουν μεγαλύτερο κίνδυνο από τους ανοιχτούς σφιγκτήρες, οι οποίοι ελαχιστοποιούν την επιφάνεια επαφής μεταξύ του σωλήνα και του σφιγκτήρα. Οι τεχνικοί συντήρησης μπορούν να βοηθήσουν στη μείωση της πιθανότητας διάβρωσης στις σχισμές που προκαλεί ζημιά ή βλάβη, ανοίγοντας τακτικά τους σφιγκτήρες και επιθεωρώντας την επιφάνεια του σωλήνα για διάβρωση.
Η διάβρωση σε οπές και σχισμές μπορεί να αποτραπεί καλύτερα επιλέγοντας το σωστό μεταλλικό κράμα για την εφαρμογή. Οι ειδικοί θα πρέπει να επιδείξουν τη δέουσα επιμέλεια για να επιλέξουν το βέλτιστο υλικό σωληνώσεων, ώστε να ελαχιστοποιήσουν τον κίνδυνο διάβρωσης με βάση το λειτουργικό περιβάλλον, τις συνθήκες διεργασίας και άλλες μεταβλητές.
Για να βοηθήσουν τους σχεδιαστές να βελτιστοποιήσουν την επιλογή υλικών, μπορούν να συγκρίνουν τις τιμές PREN των μετάλλων για να προσδιορίσουν την αντοχή τους στην τοπική διάβρωση. Το PREN μπορεί να υπολογιστεί από τη χημική σύνθεση του κράματος, συμπεριλαμβανομένης της περιεκτικότητάς του σε χρώμιο (Cr), μολυβδαίνιο (Mo) και άζωτο (N), ως εξής:
Το PREN αυξάνεται με την περιεκτικότητα των ανθεκτικών στη διάβρωση στοιχείων χρωμίου, μολυβδαινίου και αζώτου στο κράμα. Η σχέση PREN βασίζεται στην κρίσιμη θερμοκρασία οπών (CPT) - τη χαμηλότερη θερμοκρασία στην οποία παρατηρείται διάβρωση οπών - για διάφορους ανοξείδωτους χάλυβες σε σχέση με τη χημική τους σύνθεση. Ουσιαστικά, το PREN είναι ανάλογο με το CPT. Επομένως, υψηλότερες τιμές PREN υποδεικνύουν υψηλότερη αντοχή σε οπές. Μια μικρή αύξηση στο PREN ισοδυναμεί μόνο με μια μικρή αύξηση στο CPT σε σύγκριση με το κράμα, ενώ μια μεγάλη αύξηση στο PREN υποδηλώνει σημαντική βελτίωση στην απόδοση σε σημαντικά υψηλότερο CPT.
Ο Πίνακας 1 συγκρίνει τις τιμές PREN διαφόρων κραμάτων που χρησιμοποιούνται συνήθως σε εφαρμογές πετρελαίου και φυσικού αερίου στην ανοικτή θάλασσα. Δείχνει πώς η προδιαγραφή μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την αντοχή στη διάβρωση επιλέγοντας ένα κράμα σωλήνων υψηλότερης ποιότητας. Το PREN αυξάνεται μόνο ελαφρώς κατά τη μετάβαση από ανοξείδωτο χάλυβα 316 σε 317. Για σημαντική αύξηση της απόδοσης, χρησιμοποιείται ιδανικά ο υπερωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας 6 Mo ή ο υπερ-duplex ανοξείδωτος χάλυβας 2507.
Οι υψηλότερες συγκεντρώσεις νικελίου (Ni) στον ανοξείδωτο χάλυβα ενισχύουν επίσης την αντοχή στη διάβρωση. Ωστόσο, η περιεκτικότητα σε νικέλιο του ανοξείδωτου χάλυβα δεν αποτελεί μέρος της εξίσωσης PREN. Σε κάθε περίπτωση, είναι συχνά ωφέλιμο να προσδιορίζονται ανοξείδωτοι χάλυβες με υψηλότερες συγκεντρώσεις νικελίου, καθώς αυτό το στοιχείο βοηθά στην επαναπαθητικοποίηση επιφανειών που εμφανίζουν σημάδια τοπικής διάβρωσης. Το νικέλιο σταθεροποιεί τον ωστενίτη και αποτρέπει τον σχηματισμό μαρτενσίτη κατά την κάμψη ή την ψυχρή έλξη σκληρού σωλήνα 1/8. Ο μαρτενσίτης είναι μια ανεπιθύμητη κρυσταλλική φάση στα μέταλλα που μειώνει την αντοχή του ανοξείδωτου χάλυβα στην τοπική διάβρωση, καθώς και στη ρηγμάτωση λόγω τάσης που προκαλείται από χλωρίδια. Μια υψηλότερη περιεκτικότητα σε νικέλιο τουλάχιστον 12% στο 316/316L είναι επίσης επιθυμητή για εφαρμογές που περιλαμβάνουν αέριο υδρογόνο υψηλής πίεσης. Η ελάχιστη συγκέντρωση νικελίου που απαιτείται για τον ανοξείδωτο χάλυβα 316/316L στην πρότυπη προδιαγραφή ASTM είναι 10%.
Η εντοπισμένη διάβρωση μπορεί να εμφανιστεί οπουδήποτε σε σωλήνες που χρησιμοποιούνται σε θαλάσσια περιβάλλοντα. Ωστόσο, η διάβρωση με οπές είναι πιο πιθανό να εμφανιστεί σε περιοχές που είναι ήδη μολυσμένες, ενώ η διάβρωση σε σχισμές είναι πιο πιθανό να εμφανιστεί σε περιοχές με στενά κενά μεταξύ του σωλήνα και του υλικού στήριξης. Χρησιμοποιώντας το PREN ως βάση, ο ειδικός μπορεί να επιλέξει το καλύτερο κράμα σωλήνα για να ελαχιστοποιήσει τον κίνδυνο οποιουδήποτε είδους εντοπισμένης διάβρωσης.
Ωστόσο, λάβετε υπόψη ότι υπάρχουν και άλλες μεταβλητές που μπορούν να επηρεάσουν τον κίνδυνο διάβρωσης. Για παράδειγμα, η θερμοκρασία επηρεάζει την αντοχή του ανοξείδωτου χάλυβα σε οπές. Για ζεστά θαλάσσια κλίματα, θα πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη η χρήση σωλήνα από ανοξείδωτο χάλυβα 6 υπερωστενιτικού μολυβδαινίου ή 2507 υπερδιπλού χάλυβα, επειδή αυτά τα υλικά έχουν εξαιρετική αντοχή στην τοπική διάβρωση και στις ρωγμές λόγω χλωριούχου τάσεως. Για ψυχρότερα κλίματα, ο σωλήνας 316/316L μπορεί να είναι επαρκής, ειδικά εάν έχει καθιερωθεί ιστορικό επιτυχούς χρήσης.
Οι ιδιοκτήτες και οι φορείς εκμετάλλευσης υπεράκτιων πλατφορμών μπορούν επίσης να λάβουν μέτρα για την ελαχιστοποίηση του κινδύνου διάβρωσης μετά την εγκατάσταση των σωληνώσεων. Θα πρέπει να διατηρούν τους σωλήνες καθαρούς και να ξεπλένουν τακτικά με γλυκό νερό για να μειώσουν τον κίνδυνο διάβρωσης λόγω οπών. Θα πρέπει επίσης να ζητούν από τους τεχνικούς συντήρησης να ανοίγουν τους σφιγκτήρες των σωληνώσεων κατά τη διάρκεια των τακτικών επιθεωρήσεων, για να αναζητούν την παρουσία διάβρωσης σε σχισμές.
Ακολουθώντας τα παραπάνω βήματα, οι ιδιοκτήτες και οι φορείς εκμετάλλευσης πλατφορμών μπορούν να μειώσουν τον κίνδυνο διάβρωσης των σωληνώσεων και των σχετικών διαρροών σε θαλάσσια περιβάλλοντα, βελτιώνοντας την ασφάλεια και την αποδοτικότητα, μειώνοντας παράλληλα την πιθανότητα απώλειας προϊόντος ή απελευθέρωσης ανεξέλεγκτων εκπομπών.
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok Company.He can be reached at bradley.bollinger@swagelok.com.
Το Journal of Petroleum Technology είναι το κορυφαίο περιοδικό της Εταιρείας Μηχανικών Πετρελαίου, το οποίο παρέχει έγκυρες συνοπτικές πληροφορίες και αφιερώματα σχετικά με τις εξελίξεις στην τεχνολογία εξερεύνησης και παραγωγής, ζητήματα της βιομηχανίας πετρελαίου και φυσικού αερίου, καθώς και νέα για την SPE και τα μέλη της.