علیرغم مقاومت ذاتی لوله‌های فولادی ضد زنگ در برابر خوردگی، لوله‌های فولادی ضد زنگ نصب شده در محیط‌های دریایی در طول عمر مورد انتظار خود انواع مختلفی از خوردگی را تجربه می‌کنند. این خوردگی می‌تواند منجر به انتشار گازهای گلخانه‌ای، از بین رفتن محصول و خطرات احتمالی شود. صاحبان و اپراتورهای سکوهای دریایی می‌توانند با انتخاب مواد لوله‌ای قوی‌تر که مقاومت بهتری در برابر خوردگی دارند، خطر خوردگی را کاهش دهند. پس از آن، آنها باید هنگام بازرسی خطوط تزریق مواد شیمیایی، خطوط هیدرولیک و ضربه‌ای و تجهیزات ابزار دقیق و حسگر فرآیند هوشیار باشند تا اطمینان حاصل شود که خوردگی، یکپارچگی لوله‌کشی نصب شده را تهدید نمی‌کند و ایمنی را به خطر نمی‌اندازد.
خوردگی موضعی را می‌توان در بسیاری از سکوها، شناورها، کشتی‌ها و لوله‌کشی‌های تاسیسات فراساحلی یافت. این خوردگی می‌تواند به شکل خوردگی حفره‌ای یا شکافی باشد که هر یک از آنها می‌تواند دیواره لوله را فرسایش داده و باعث آزاد شدن سیال شود.
خطر خوردگی با افزایش دمای عملیاتی کاربرد، بیشتر می‌شود. گرما می‌تواند تخریب لایه اکسید غیرفعال بیرونی محافظ لوله را تسریع کند و در نتیجه تشکیل خوردگی حفره‌ای را افزایش دهد.
متأسفانه، تشخیص خوردگی موضعی حفره‌ای و شکافی می‌تواند دشوار باشد، که این امر شناسایی، پیش‌بینی و طراحی این نوع خوردگی را دشوارتر می‌کند. با توجه به این خطرات، صاحبان سکو، اپراتورها و طراحان باید هنگام انتخاب بهترین جنس لوله برای کاربرد خود احتیاط کنند. انتخاب جنس اولین خط دفاعی آنها در برابر خوردگی است، بنابراین انتخاب صحیح آن مهم است. خوشبختانه، آنها می‌توانند با استفاده از یک معیار بسیار ساده اما بسیار مؤثر برای مقاومت در برابر خوردگی موضعی، یعنی عدد معادل مقاومت در برابر حفره‌ای (PREN)، انتخاب کنند. هرچه مقدار PREN یک فلز بالاتر باشد، مقاومت آن در برابر خوردگی موضعی نیز بیشتر است.
این مقاله به بررسی چگونگی شناسایی خوردگی حفره‌ای و شکافی و چگونگی بهینه‌سازی انتخاب مواد لوله برای کاربردهای نفت و گاز فراساحلی بر اساس مقدار PREN ماده می‌پردازد.
خوردگی موضعی در مقایسه با خوردگی عمومی که در سطح فلز یکنواخت‌تر است، در نواحی کوچک رخ می‌دهد. خوردگی حفره‌ای و شیاری زمانی روی لوله‌های فولادی ضد زنگ 316 شروع به شکل‌گیری می‌کنند که لایه اکسید غیرفعال غنی از کروم بیرونی فلز به دلیل قرار گرفتن در معرض مایعات خورنده، از جمله آب شور، پاره شود. محیط‌های دریایی غنی از کلرید در دریا و خشکی، و همچنین دمای بالا و حتی آلودگی سطح لوله، پتانسیل تخریب این لایه غیرفعال را افزایش می‌دهند.
خوردگی حفره‌ای. خوردگی حفره‌ای زمانی رخ می‌دهد که لایه غیرفعال روی طولی از لوله از بین می‌رود و حفره‌ها یا گودال‌های کوچکی روی سطح لوله تشکیل می‌شود. چنین گودال‌هایی احتمالاً با وقوع واکنش‌های الکتروشیمیایی رشد می‌کنند و باعث می‌شوند آهن موجود در فلز در محلول ته گودال حل شود. آهن محلول سپس به سمت بالای گودال پخش می‌شود و اکسید می‌شود و اکسید آهن یا زنگ‌زدگی تشکیل می‌دهد. با عمیق‌تر شدن گودال، واکنش‌های الکتروشیمیایی سرعت می‌گیرند، خوردگی تشدید می‌شود و می‌تواند منجر به سوراخ شدن دیواره لوله و نشت شود.
لوله‌ها وقتی سطح خارجی‌شان آلوده باشد، بیشتر در معرض خوردگی حفره‌ای قرار می‌گیرند (شکل 1). به عنوان مثال، آلودگی ناشی از عملیات جوشکاری و سنگ‌زنی می‌تواند به لایه اکسید غیرفعال‌کننده لوله آسیب برساند و در نتیجه خوردگی حفره‌ای را تشکیل داده و تسریع کند. همین امر در مورد مقابله با آلودگی ناشی از لوله‌ها نیز صدق می‌کند. علاوه بر این، با تبخیر قطرات آب نمک، کریستال‌های نمک مرطوب که روی لوله‌ها تشکیل می‌شوند، همین کار را برای محافظت از لایه اکسید انجام می‌دهند و می‌توانند منجر به خوردگی حفره‌ای شوند. برای جلوگیری از این نوع آلودگی، لوله‌های خود را با شستشوی منظم آنها با آب شیرین تمیز نگه دارید.
شکل 1 - لوله فولادی ضد زنگ 316/316L آلوده به اسید، آب نمک و سایر رسوبات، بسیار مستعد خوردگی حفره‌ای است.
خوردگی شکافی. در بیشتر موارد، حفره‌دار شدن به راحتی توسط اپراتور قابل شناسایی است. با این حال، تشخیص خوردگی شکافی آسان نیست و خطر بیشتری را برای اپراتورها و پرسنل ایجاد می‌کند. این خوردگی معمولاً در لوله‌هایی رخ می‌دهد که بین مواد اطراف آنها فضاهای تنگ وجود دارد، مانند لوله‌هایی که با گیره در جای خود نگه داشته شده‌اند یا لوله‌هایی که محکم در کنار هم نصب شده‌اند. هنگامی که آب نمک به داخل شکاف نفوذ می‌کند، به مرور زمان یک محلول شیمیایی اسیدی شده کلرید فریک (FeCl3) در آن ناحیه تشکیل می‌شود و باعث خوردگی شکافی تسریع شده می‌شود (شکل 2). از آنجا که خود شکاف‌ها خطر خوردگی را افزایش می‌دهند، خوردگی شکافی می‌تواند در دماهای بسیار پایین‌تر از خوردگی حفره‌ای رخ دهد.
شکل ۲ – خوردگی شکافی ممکن است بین لوله و تکیه‌گاه لوله (بالا) و هنگامی که لوله نزدیک به سطوح دیگر نصب می‌شود (پایین) به دلیل تشکیل محلول کلرید فریک اسیدی شده شیمیایی خورنده در شکاف ایجاد شود.
خوردگی شیاری معمولاً ابتدا خوردگی حفره‌ای را در شکافی که بین طولی از لوله و گیره نگهدارنده لوله ایجاد می‌شود، شبیه‌سازی می‌کند. با این حال، به دلیل افزایش غلظت Fe++ در سیال درون شکستگی، دهانه اولیه بزرگتر و بزرگتر می‌شود تا اینکه کل شکستگی را می‌پوشاند. در نهایت، خوردگی شیاری می‌تواند لوله را سوراخ کند.
ترک‌های تنگ بیشترین خطر خوردگی را دارند. بنابراین، گیره‌های لوله‌ای که بیشتر محیط لوله را می‌پوشانند، نسبت به گیره‌های باز که سطح تماس بین لوله و گیره را به حداقل می‌رسانند، خطر بیشتری دارند. تکنسین‌های تعمیر و نگهداری می‌توانند با باز کردن منظم گیره‌ها و بازرسی سطح لوله از نظر خوردگی، احتمال آسیب یا خرابی ناشی از خوردگی شکافی را کاهش دهند.
با انتخاب آلیاژ فلزی مناسب برای کاربرد مورد نظر، می‌توان از خوردگی حفره‌ای و شکافی به بهترین نحو جلوگیری کرد. متخصصان باید با دقت کافی، جنس بهینه لوله را انتخاب کنند تا خطر خوردگی بر اساس محیط عملیاتی، شرایط فرآیند و سایر متغیرها به حداقل برسد.
برای کمک به متخصصان در بهینه‌سازی انتخاب مواد، آن‌ها می‌توانند مقادیر PREN فلزات را برای تعیین مقاومت آن‌ها در برابر خوردگی موضعی مقایسه کنند. PREN را می‌توان از ترکیب شیمیایی آلیاژ، از جمله محتوای کروم (Cr)، مولیبدن (Mo) و نیتروژن (N)، به شرح زیر محاسبه کرد:
PREN با افزایش محتوای عناصر مقاوم در برابر خوردگی کروم، مولیبدن و نیتروژن در آلیاژ افزایش می‌یابد. رابطه PREN بر اساس دمای بحرانی حفره‌دار شدن (CPT) - کمترین دمایی که در آن خوردگی حفره‌دار شدن مشاهده می‌شود - برای فولادهای ضد زنگ مختلف در رابطه با ترکیب شیمیایی است. اساساً، PREN متناسب با CPT است. بنابراین، مقادیر بالاتر PREN نشان دهنده مقاومت بیشتر در برابر حفره‌دار شدن است. افزایش اندک در PREN فقط معادل افزایش اندک در CPT در مقایسه با آلیاژ است، در حالی که افزایش زیاد در PREN نشان دهنده بهبود قابل توجه عملکرد تا CPT به طور قابل توجهی بالاتر است.
جدول 1 مقادیر PREN آلیاژهای مختلفی را که معمولاً در کاربردهای نفت و گاز فراساحلی استفاده می‌شوند، مقایسه می‌کند. این جدول نشان می‌دهد که چگونه مشخصات می‌تواند با انتخاب آلیاژ لوله با درجه بالاتر، مقاومت در برابر خوردگی را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. PREN هنگام انتقال از فولاد ضد زنگ 316 به 317 تنها کمی افزایش می‌یابد. برای افزایش قابل توجه عملکرد، فولاد ضد زنگ سوپر آستنیتی 6 مولیبدن یا فولاد ضد زنگ سوپر دوپلکس 2507 در حالت ایده‌آل استفاده می‌شود.
غلظت‌های بالاتر نیکل (Ni) در فولاد ضد زنگ نیز مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می‌دهد. با این حال، مقدار نیکل فولاد ضد زنگ بخشی از معادله PREN نیست. در هر صورت، اغلب مفید است که فولادهای ضد زنگ با غلظت‌های بالاتر نیکل مشخص شوند، زیرا این عنصر به غیرفعال‌سازی مجدد سطوحی که علائم خوردگی موضعی را نشان می‌دهند، کمک می‌کند. نیکل آستنیت را تثبیت می‌کند و از تشکیل مارتنزیت هنگام خم شدن یا کشش سرد لوله سخت ۱/۸ جلوگیری می‌کند. مارتنزیت یک فاز کریستالی نامطلوب در فلزات است که مقاومت فولاد ضد زنگ را در برابر خوردگی موضعی و همچنین ترک خوردگی تنشی ناشی از کلرید کاهش می‌دهد. مقدار بالاتر نیکل حداقل ۱۲٪ در ۳۱۶/۳۱۶L نیز برای کاربردهایی که شامل هیدروژن گازی با فشار بالا هستند، مطلوب است. حداقل غلظت نیکل مورد نیاز برای فولاد ضد زنگ ۳۱۶/۳۱۶L در مشخصات استاندارد ASTM، ۱۰٪ است.
خوردگی موضعی می‌تواند در هر جایی از لوله‌های مورد استفاده در محیط‌های دریایی رخ دهد. با این حال، خوردگی حفره‌ای بیشتر در مناطقی که از قبل آلوده شده‌اند، رخ می‌دهد، در حالی که خوردگی شکافی بیشتر در مناطقی با شکاف‌های باریک بین لوله و سخت‌افزار نصب رخ می‌دهد. با استفاده از PREN به عنوان مبنا، متخصص می‌تواند بهترین آلیاژ لوله را برای به حداقل رساندن خطر هر نوع خوردگی موضعی انتخاب کند.
با این حال، به خاطر داشته باشید که متغیرهای دیگری نیز وجود دارند که می‌توانند بر خطر خوردگی تأثیر بگذارند. به عنوان مثال، دما بر مقاومت فولاد ضد زنگ در برابر خوردگی حفره‌ای تأثیر می‌گذارد. برای آب و هوای دریایی گرم، لوله‌های فولادی ضد زنگ سوپر آستنیتی مولیبدن ۶ یا سوپر داپلکس ۲۵۰۷ باید به طور جدی در نظر گرفته شوند زیرا این مواد مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی موضعی و ترک خوردگی ناشی از تنش کلریدی دارند. برای آب و هوای سردتر، لوله ۳۱۶/۳۱۶L ممکن است کافی باشد، به خصوص اگر سابقه استفاده موفقیت‌آمیزی از آنها وجود داشته باشد.
مالکان و اپراتورهای سکوهای فراساحلی همچنین می‌توانند پس از نصب لوله، اقداماتی را برای به حداقل رساندن خطر خوردگی انجام دهند. آن‌ها باید لوله‌ها را تمیز نگه دارند و مرتباً با آب شیرین شستشو دهند تا خطر خوردگی حفره‌ای کاهش یابد. آن‌ها همچنین باید تکنسین‌های تعمیر و نگهداری را در طول بازرسی‌های معمول، گیره‌های لوله را باز کنند تا وجود خوردگی شکافی را بررسی کنند.
با دنبال کردن مراحل ذکر شده در بالا، مالکان و اپراتورهای سکو می‌توانند خطر خوردگی لوله و نشتی‌های مرتبط با آن را در محیط‌های دریایی کاهش دهند، ایمنی و کارایی را بهبود بخشند و در عین حال احتمال از بین رفتن محصول یا انتشار گازهای آلاینده را نیز کاهش دهند.
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok Company.He can be reached at bradley.bollinger@swagelok.com.
مجله فناوری نفت، مجله شاخص انجمن مهندسان نفت است که خلاصه‌ها و مطالب معتبری در مورد پیشرفت‌ها در فناوری اکتشاف و تولید، مسائل صنعت نفت و گاز و اخبار مربوط به SPE و اعضای آن ارائه می‌دهد.