Παρά την εγγενή αντοχή στη διάβρωση των σωλήνων από ανοξείδωτο χάλυβα, οι σωλήνες από ανοξείδωτο χάλυβα που εγκαθίστανται σε θαλάσσια περιβάλλοντα υπόκεινται σε διάφορους τύπους διάβρωσης κατά τη διάρκεια της αναμενόμενης διάρκειας ζωής τους. Αυτή η διάβρωση μπορεί να οδηγήσει σε διαφυγούσες εκπομπές, απώλειες προϊόντων και πιθανούς κινδύνους. Οι ιδιοκτήτες και οι φορείς εκμετάλλευσης υπεράκτιων πλατφορμών μπορούν να μειώσουν τον κίνδυνο διάβρωσης καθορίζοντας από την αρχή ισχυρότερα υλικά σωλήνων για καλύτερη αντοχή στη διάβρωση. Στη συνέχεια, πρέπει να παραμένουν σε εγρήγορση κατά την επιθεώρηση των γραμμών χημικής έγχυσης, των υδραυλικών και των γραμμών ώθησης, καθώς και των οργάνων και των οργάνων διεργασίας, ώστε να διασφαλίζεται ότι η διάβρωση δεν απειλεί την ακεραιότητα των εγκατεστημένων σωληνώσεων ή δεν θέτει σε κίνδυνο την ασφάλεια.
Η εντοπισμένη διάβρωση μπορεί να εντοπιστεί σε πολλές πλατφόρμες, πλοία, πλοία και υπεράκτιους αγωγούς. Αυτή η διάβρωση μπορεί να έχει τη μορφή διάβρωσης με κοιλώματα ή σχισμές, και οι δύο εκ των οποίων μπορούν να διαβρώσουν το τοίχωμα του σωλήνα και να προκαλέσουν απελευθέρωση υγρού.
Ο κίνδυνος διάβρωσης αυξάνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία λειτουργίας της εφαρμογής. Η θερμότητα μπορεί να επιταχύνει την υποβάθμιση της προστατευτικής εξωτερικής παθητικής μεμβράνης οξειδίου του σωλήνα, προάγοντας έτσι τη δημιουργία οπών.
Δυστυχώς, η εντοπισμένη διάβρωση σε οπές και σχισμές είναι δύσκολο να ανιχνευθεί, γεγονός που καθιστά δύσκολη την αναγνώριση, την πρόβλεψη και τον σχεδιασμό αυτών των τύπων διάβρωσης. Δεδομένων αυτών των κινδύνων, οι ιδιοκτήτες, οι χειριστές και οι υπεύθυνοι πλατφορμών πρέπει να είναι προσεκτικοί στην επιλογή του καλύτερου υλικού αγωγών για την εφαρμογή τους. Η επιλογή υλικού είναι η πρώτη γραμμή άμυνάς τους κατά της διάβρωσης, επομένως η σωστή επιλογή είναι πολύ σημαντική. Ευτυχώς, μπορούν να χρησιμοποιήσουν ένα πολύ απλό αλλά πολύ αποτελεσματικό μέτρο της 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 οπές και σχισμές αρχίζουν να σχηματίζονται σε σωλήνες από ανοξείδωτο χάλυβα 316 όταν η εξωτερική, πλούσια σε χρώμιο, παθητική μεμβράνη οξειδίου του μετάλλου διαρρηγνύεται από την έκθεση σε διαβρωτικά υγρά, συμπεριλαμβανομένου του αλμυρού νερού. Τα θαλάσσια περιβάλλοντα πλούσια σε χλωρίδια, καθώς και οι υψηλές θερμοκρασίες, ακόμη και η μόλυνση της επιφάνειας του σωλήνα, αυξάνουν την πιθανότητα υποβάθμισης αυτής της μεμβράνης παθητικοποίησης.
Η διάβρωση με διάβρωση με διάβρωση συμβαίνει όταν η μεμβράνη παθητικοποίησης σε ένα τμήμα σωλήνα διασπάται, σχηματίζοντας μικρές κοιλότητες ή λάκκους στην επιφάνεια του σωλήνα. Τέτοιες λάκκοι είναι πιθανό να μεγαλώσουν καθώς προχωρούν οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις, με αποτέλεσμα ο σίδηρος στο μέταλλο να διαλύεται σε διάλυμα στον πυθμένα του λάκκου. Ο διαλυμένος σίδηρος θα διαχυθεί στη συνέχεια στην κορυφή του λάκκου και θα οξειδωθεί για να σχηματίσει οξείδιο του σιδήρου ή σκουριά. Καθώς το λάκκο βαθαίνει, οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις επιταχύνονται, η διάβρωση αυξάνεται, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε διάτρηση του τοιχώματος του σωλήνα και να οδηγήσει σε διαρροές.
Οι σωλήνες είναι πιο ευάλωτοι σε σχηματισμό οπών εάν η εξωτερική τους επιφάνεια είναι μολυσμένη (Σχήμα 1). Για παράδειγμα, οι ρύποι από τις εργασίες συγκόλλησης και λείανσης μπορούν να προκαλέσουν ζημιά στο στρώμα οξειδίου παθητικοποίησης του σωλήνα, σχηματίζοντας και επιταχύνοντας έτσι τη δημιουργία οπών. Το ίδιο ισχύει και για την απλή αντιμετώπιση της ρύπανσης από τους σωλήνες. Επιπλέον, καθώς τα σταγονίδια αλατιού εξατμίζονται, οι υγροί κρύσταλλοι αλατιού που σχηματίζονται στους σωλήνες προστατεύουν το στρώμα οξειδίου και μπορούν να οδηγήσουν σε σχηματισμό οπών. Για να αποτρέψετε αυτούς τους τύπους μόλυνσης, διατηρήστε τους σωλήνες σας καθαρούς ξεπλένοντάς τους τακτικά με γλυκό νερό.
Σχήμα 1. Σωλήνας από ανοξείδωτο χάλυβα 316/316L που έχει μολυνθεί με οξύ, φυσιολογικό ορό και άλλες αποθέσεις είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος σε σχηματισμό οπών.
Διάβρωση σχισμών. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η δημιουργία οπών μπορεί να ανιχνευθεί εύκολα από τον χειριστή. Ωστόσο, η διάβρωση σχισμών δεν είναι εύκολο να ανιχνευθεί και ενέχει μεγαλύτερο κίνδυνο για τους χειριστές και το προσωπικό. Αυτό συμβαίνει συνήθως σε σωλήνες που έχουν στενά κενά μεταξύ των γύρω υλικών, όπως σωλήνες που συγκρατούνται στη θέση τους με σφιγκτήρες ή σωλήνες που είναι σφιχτά συσκευασμένοι ο ένας δίπλα στον άλλο. Όταν η άλμη εισχωρεί στο κενό, με την πάροδο του χρόνου, σχηματίζεται σε αυτήν την περιοχή ένα χημικά επιθετικό οξινισμένο διάλυμα χλωριούχου σιδήρου (FeCl3), το οποίο προκαλεί επιταχυνόμενη διάβρωση του κενού (Εικ. 2). Δεδομένου ότι η διάβρωση σχισμών από τη φύση της αυξάνει τον κίνδυνο διάβρωσης, η διάβρωση σχισμών μπορεί να συμβεί σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες από τη δημιουργία οπών.
Σχήμα 2 – Μπορεί 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 στο κενό.
Η διάβρωση σε σχισμές συνήθως προσομοιώνει αρχικά τη δημιουργία οπών στο κενό που σχηματίζεται μεταξύ του τμήματος του σωλήνα και του κολάρου στήριξης του σωλήνα. Ωστόσο, λόγω της αύξησης της συγκέντρωσης Fe++ στο υγρό μέσα στο ρήγμα, η αρχική χοάνη γίνεται όλο και μεγαλύτερη μέχρι να καλύψει ολόκληρο το ρήγμα. Τελικά, η διάβρωση σε σχισμές μπορεί να οδηγήσει σε διάτρηση του σωλήνα.
Οι πυκνές ρωγμές αντιπροσωπεύουν τον μεγαλύτερο κίνδυνο διάβρωσης. Επομένως, οι σφιγκτήρες σωλήνων που περιβάλλουν ένα μεγάλο μέρος της περιφέρειας του σωλήνα τείνουν να είναι πιο επικίνδυνοι από τους ανοιχτούς σφιγκτήρες, οι οποίοι ελαχιστοποιούν την επιφάνεια επαφής μεταξύ σωλήνα και σφιγκτήρα. Οι τεχνικοί σέρβις μπορούν να βοηθήσουν στη μείωση της πιθανότητας ζημιάς ή βλάβης από διάβρωση στις σχισμές ανοίγοντας τακτικά τα εξαρτήματα και επιθεωρώντας τις επιφάνειες των σωλήνων για διάβρωση.
Η διάβρωση λόγω οπών και σχισμών μπορεί να αποτραπεί επιλέγοντας το σωστό μεταλλικό κράμα για την συγκεκριμένη εφαρμογή. Οι ειδικοί πρέπει να επιδεικνύουν τη δέουσα επιμέλεια στην επιλογή του βέλτιστου υλικού σωληνώσεων για την ελαχιστοποίηση του κινδύνου διάβρωσης, ανάλογα με το περιβάλλον λειτουργίας, τις συνθήκες διεργασίας και άλλες μεταβλητές.
Για να βοηθήσουν τους σχεδιαστές να βελτιστοποιήσουν την επιλογή των υλικών τους, μπορούν να συγκρίνουν τις τιμές PREN των μετάλλων για να προσδιορίσουν την αντοχή τους στην τοπική διάβρωση. Το PREN μπορεί να υπολογιστεί από τη χημεία του κράματος, συμπεριλαμβανομένης της περιεκτικότητάς του σε χρώμιο (Cr), μολυβδαίνιο (Mo) και άζωτο (N), ως εξής:
Το PREN αυξάνεται με την περιεκτικότητα σε ανθεκτικά στη διάβρωση στοιχεία χρωμίου, μολυβδαινίου και αζώτου στο κράμα. Ο λόγος PREN βασίζεται στην κρίσιμη θερμοκρασία οπισθοσκόπησης (CPT) - τη χαμηλότερη θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει η οπισθοσκόπηση - για διάφορους ανοξείδωτους χάλυβες ανάλογα με τη χημική σύνθεση. Ουσιαστικά, το PREN είναι ανάλογο με το CPT. Επομένως, υψηλότερες τιμές PREN υποδεικνύουν υψηλότερη αντοχή στις οπισθοσκόπηση. Μια μικρή αύξηση στο PREN ισοδυναμεί με μια μικρή μόνο αύξηση στο CPT σε σύγκριση με το κράμα, ενώ μια μεγάλη αύξηση στο PREN υποδηλώνει σημαντική βελτίωση στην απόδοση σε σχέση με ένα πολύ υψηλότερο CPT.
Ο Πίνακας 1 συγκρίνει τις τιμές PREN για διάφορα κράματα που χρησιμοποιούνται συνήθως στην υπεράκτια βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου. Δείχνει πώς οι προδιαγραφές μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την αντοχή στη διάβρωση επιλέγοντας ένα κράμα σωλήνων υψηλότερης ποιότητας. Το PREN αυξάνεται ελαφρώς από 316 SS σε 317 SS. Τα υπερωστενιτικά 6 Mo SS ή τα υπερδιπλά 2507 SS είναι ιδανικά για σημαντικά κέρδη απόδοσης.
Οι υψηλότερες συγκεντρώσεις νικελίου (Ni) στον ανοξείδωτο χάλυβα αυξάνουν επίσης την αντοχή στη διάβρωση. Ωστόσο, η περιεκτικότητα σε νικέλιο του ανοξείδωτου χάλυβα δεν αποτελεί μέρος της εξίσωσης PREN. Σε κάθε περίπτωση, είναι συχνά πλεονεκτικό να επιλέγονται ανοξείδωτοι χάλυβες με υψηλότερη περιεκτικότητα σε νικέλιο, 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 άκαμπτου 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. Η υψηλότερη περιεκτικότητα σε νικέλιο, τουλάχιστον 12%, στον χάλυβα 316/316L είναι επίσης επιθυμητή για εφαρμογές αερίου υδρογόνου υψηλής πίεσης. Η ελάχιστη συγκέντρωση νικελίου που απαιτείται για τον ανοξείδωτο χάλυβα ASTM 316/316L είναι 10%.
Η εντοπισμένη διάβρωση μπορεί να εμφανιστεί οπουδήποτε σε έναν αγωγό που χρησιμοποιείται σε θαλάσσιο περιβάλλον. Ωστόσο, η δημιουργία οπών είναι πιο πιθανό να συμβεί σε περιοχές που είναι ήδη μολυσμένες, ενώ η διάβρωση σε σχισμές είναι πιο πιθανό να συμβεί σε περιοχές με στενά κενά μεταξύ του σωλήνα και του εξοπλισμού εγκατάστασης. Χρησιμοποιώντας το PREN ως βάση, ο ειδικός μπορεί να επιλέξει την καλύτερη ποιότητα 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 στις κοιλότητες. Για ζεστά θαλάσσια κλίματα, οι σωλήνες από υπερωστενιτικό χάλυβα 6 μολυβδαινίου ή από ανοξείδωτο χάλυβα super duplex 2507 θα πρέπει να λαμβάνονται σοβαρά υπόψη, επειδή αυτά τα υλικά έχουν εξαιρετική αντοχή στην τοπική διάβρωση και τη ρωγμάτωση από χλωριούχα. Για ψυχρότερα κλίματα, ένας σωλήνας 316/316L μπορεί να είναι επαρκής, ειδικά εάν υπάρχει ιστορικό επιτυχημένης 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 ξεπλένονται τακτικά με γλυκό νερό για να μειωθεί ο κίνδυνος σχηματισμού κοιλοτήτων. Θα πρέπει επίσης να ζητούν από τους τεχνικούς συντήρησης να ανοίγουν τους σφιγκτήρες κατά τη διάρκεια των τακτικών επιθεωρήσεων για να ελέγχουν για διάβρωση σε σχισμές.
Ακολουθώντας τα παραπάνω βήματα, οι ιδιοκτήτες και οι φορείς εκμετάλλευσης πλατφορμών μπορούν να μειώσουν τον κίνδυνο διάβρωσης σωλήνων και σχετικών διαρροών στο θαλάσσιο περιβάλλον, να βελτιώσουν την ασφάλεια και την αποδοτικότητα και να μειώσουν την πιθανότητα απώλειας προϊόντος ή ανεξέλεγκτων εκπομπών.
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok. He can be contacted at bradley.bollinger@swagelok.com.
Το Journal of Petroleum Technology, το κορυφαίο περιοδικό της Εταιρείας Μηχανικών Πετρελαίου, παρέχει έγκυρες συνοπτικές πληροφορίες και άρθρα σχετικά με τις εξελίξεις στην τεχνολογία upstream, ζητήματα της βιομηχανίας πετρελαίου και φυσικού αερίου, καθώς και νέα για την SPE και τα μέλη της.