علیرغم مقاومت ذاتی لوله‌های فولادی ضد زنگ در برابر خوردگی، لوله‌های فولادی ضد زنگ نصب شده در محیط‌های دریایی در طول عمر مفید مورد انتظار خود در معرض انواع مختلف خوردگی قرار دارند. این خوردگی می‌تواند منجر به انتشار گازهای فرار، از بین رفتن محصول و خطرات احتمالی شود. صاحبان و اپراتورهای سکوهای فراساحلی می‌توانند با تعیین مواد لوله‌ای قوی‌تر از ابتدا برای مقاومت بهتر در برابر خوردگی، خطر خوردگی را کاهش دهند. پس از آن، آنها باید هنگام بازرسی خطوط تزریق مواد شیمیایی، خطوط هیدرولیک و ضربه‌ای و ابزار دقیق فرآیند هوشیار باشند تا اطمینان حاصل شود که خوردگی، یکپارچگی لوله‌کشی نصب شده را تهدید نمی‌کند یا ایمنی را به خطر نمی‌اندازد.
خوردگی موضعی را می‌توان در بسیاری از سکوها، کشتی‌ها، ناوها و خطوط لوله 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 مایع شود.
با افزایش دمای عملیاتی، خطر خوردگی افزایش می‌یابد. گرما می‌تواند تخریب لایه اکسید غیرفعال بیرونی محافظ لوله را تسریع کند و در نتیجه باعث ایجاد حفره شود.
متأسفانه، تشخیص خوردگی موضعی حفره‌ای و شکافی دشوار است و همین امر شناسایی، پیش‌بینی و طراحی این نوع خوردگی را دشوار می‌کند. با توجه به این خطرات، صاحبان سکو، اپراتورها و طراحان باید در انتخاب بهترین جنس خط لوله برای کاربرد خود احتیاط کنند. انتخاب جنس اولین خط دفاعی آنها در برابر خوردگی است، بنابراین انتخاب صحیح آن بسیار مهم است. خوشبختانه، آنها می‌توانند از یک معیار بسیار ساده اما بسیار مؤثر برای مقاومت در برابر خوردگی موضعی، یعنی عدد معادل مقاومت در برابر حفره‌ای (PREN) استفاده کنند. هرچه مقدار PREN یک فلز بالاتر باشد، مقاومت آن در برابر خوردگی موضعی نیز بیشتر است.
این مقاله به چگونگی شناسایی خوردگی حفره‌ای و شکافی و چگونگی بهینه‌سازی انتخاب مواد لوله برای کاربردهای نفت و گاز فراساحلی بر اساس مقدار PREN ماده خواهد پرداخت.
خوردگی موضعی در مقایسه با خوردگی عمومی که در سطح فلز یکنواخت‌تر است، در نواحی کوچک رخ می‌دهد. خوردگی حفره‌ای و شکافی زمانی روی لوله‌های فولادی ضد زنگ 316 شروع به شکل‌گیری می‌کنند که لایه اکسید غیرفعال غنی از کروم بیرونی فلز در اثر قرار گرفتن در معرض مایعات خورنده، از جمله آب شور، پاره شود. محیط‌های دریایی غنی از کلریدها، و همچنین دمای بالا و حتی آلودگی سطح لوله، احتمال تخریب این لایه غیرفعال را افزایش می‌دهند.
خوردگی حفره‌ای خوردگی حفره‌ای زمانی رخ می‌دهد که لایه غیرفعال روی بخشی از لوله از بین می‌رود و حفره‌ها یا گودال‌های کوچکی روی سطح لوله تشکیل می‌شود. چنین گودال‌هایی احتمالاً با ادامه واکنش‌های الکتروشیمیایی رشد می‌کنند، در نتیجه آهن موجود در فلز در محلولی در پایین گودال حل می‌شود. آهن حل شده سپس به بالای گودال نفوذ کرده و اکسید می‌شود و اکسید آهن یا زنگ آهن تشکیل می‌دهد. با عمیق‌تر شدن گودال، واکنش‌های الکتروشیمیایی تسریع می‌شوند، خوردگی افزایش می‌یابد که می‌تواند منجر به سوراخ شدن دیواره لوله و نشتی شود.
اگر سطح بیرونی لوله‌ها آلوده باشد، بیشتر مستعد ایجاد حفره هستند (شکل 1). به عنوان مثال، آلاینده‌های ناشی از عملیات جوشکاری و سنگ‌زنی می‌توانند به لایه اکسید غیرفعال لوله آسیب برسانند و در نتیجه حفره ایجاد کرده و آن را تسریع کنند. همین امر در مورد مقابله با آلودگی ناشی از لوله‌ها نیز صدق می‌کند. علاوه بر این، با تبخیر قطرات نمک، کریستال‌های نمک مرطوب که روی لوله‌ها تشکیل می‌شوند، از لایه اکسید محافظت می‌کنند و می‌توانند منجر به حفره شوند. برای جلوگیری از این نوع آلودگی، لوله‌های خود را با شستشوی منظم با آب شیرین تمیز نگه دارید.
شکل 1. لوله فولادی ضد زنگ 316/316L آلوده به اسید، نمک و سایر رسوبات، بسیار مستعد حفره دار شدن است.
خوردگی شکافی. در بیشتر موارد، حفره دار شدن به راحتی توسط اپراتور قابل تشخیص است. با این حال، تشخیص خوردگی شکافی آسان نیست و خطر بیشتری را برای اپراتورها و پرسنل ایجاد می‌کند. این معمولاً در لوله‌هایی رخ می‌دهد که شکاف‌های باریکی بین مواد اطراف دارند، مانند لوله‌هایی که با گیره در جای خود نگه داشته شده‌اند یا لوله‌هایی که محکم در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. هنگامی که آب نمک به داخل شکاف نفوذ می‌کند، با گذشت زمان، یک محلول کلرید فریک اسیدی شده شیمیایی (FeCl3) در این ناحیه تشکیل می‌شود که باعث خوردگی تسریع شده شکاف می‌شود (شکل 2). از آنجایی که خوردگی شکافی ذاتاً خطر خوردگی را افزایش می‌دهد، خوردگی شکافی می‌تواند در دماهای بسیار پایین‌تر از حفره دار شدن رخ دهد.
شکل ۲ – خوردگی شکافی می‌تواند بین لوله و تکیه‌گاه لوله (بالا) و هنگامی که لوله نزدیک به سطوح دیگر نصب می‌شود (پایین) به دلیل تشکیل محلول اسیدی شیمیایی خورنده کلرید فریک در شکاف، ایجاد شود.
خوردگی شکافی معمولاً ابتدا حفره‌ای شدن را در شکاف ایجاد شده بین مقطع لوله و حلقه نگهدارنده لوله شبیه‌سازی می‌کند. با این حال، به دلیل افزایش غلظت Fe++ در سیال داخل شکستگی، قیف اولیه بزرگتر و بزرگتر می‌شود تا اینکه کل شکستگی را می‌پوشاند. در نهایت، خوردگی شکافی می‌تواند منجر به سوراخ شدن لوله شود.
ترک‌های متراکم بیشترین خطر خوردگی را نشان می‌دهند. بنابراین، گیره‌های لوله‌ای که بخش بزرگی از محیط لوله را احاطه می‌کنند، نسبت به گیره‌های باز که سطح تماس بین لوله و گیره را به حداقل می‌رسانند، ریسک بیشتری دارند. تکنسین‌های خدمات می‌توانند با باز کردن منظم وسایل و بازرسی سطوح لوله از نظر خوردگی، به کاهش احتمال آسیب یا خرابی ناشی از خوردگی شکاف کمک کنند.
با انتخاب آلیاژ فلزی مناسب برای کاربرد خاص، می‌توان از خوردگی حفره‌ای و شکافی جلوگیری کرد. متخصصان باید در انتخاب جنس بهینه لوله، بسته به محیط عملیاتی، شرایط فرآیند و سایر متغیرها، دقت لازم را به عمل آورند تا خطر خوردگی 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 عناصر مقاوم در برابر خوردگی کروم، مولیبدن و نیتروژن در آلیاژ افزایش می‌یابد. نسبت PREN بر اساس دمای بحرانی حفره‌دار شدن (CPT) - کمترین دمایی که در آن حفره‌دار شدن رخ می‌دهد - برای فولادهای ضد زنگ مختلف بسته به ترکیب شیمیایی محاسبه می‌شود. اساساً، PREN متناسب با CPT است. بنابراین، مقادیر بالاتر PREN نشان دهنده مقاومت بیشتر در برابر حفره‌دار شدن است. افزایش اندک در PREN معادل تنها افزایش اندک در CPT در مقایسه با آلیاژ است، در حالی که افزایش زیاد در PREN نشان دهنده بهبود قابل توجه عملکرد نسبت به CPT بسیار بالاتر است.
جدول 1 مقادیر PREN را برای آلیاژهای مختلفی که معمولاً در صنعت نفت و گاز فراساحلی استفاده می‌شوند، مقایسه می‌کند. این جدول نشان می‌دهد که چگونه مشخصات فنی می‌تواند با انتخاب آلیاژ لوله با کیفیت بالاتر، مقاومت در برابر خوردگی را تا حد زیادی بهبود بخشد. PREN از 316 SS به 317 SS کمی افزایش می‌یابد. فولاد ضد زنگ Super Austenitic 6 Mo یا فولاد ضد زنگ Super Duplex 2507 SS برای افزایش قابل توجه عملکرد ایده‌آل هستند.
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 انتخاب فولادهای ضد زنگ با مقدار نیکل بالاتر مفید است، 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 لوله‌های صلب 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 فولاد ۳۱۶/۳۱۶L برای کاربردهای گاز هیدروژن با فشار بالا نیز مطلوب است. حداقل غلظت نیکل مورد نیاز برای فولاد ضد زنگ ASTM ۳۱۶/۳۱۶L ۱۰٪ است.
خوردگی موضعی می‌تواند در هر جایی از خط لوله مورد استفاده در محیط دریایی رخ دهد. با این حال، احتمال وقوع حفره‌دار شدن در مناطقی که از قبل آلوده شده‌اند بیشتر است، در حالی که خوردگی شکافی بیشتر در مناطقی با شکاف‌های باریک بین لوله و تجهیزات نصب رخ می‌دهد. با استفاده از PREN به عنوان مبنا، متخصص می‌تواند بهترین درجه 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 گرم دریایی، لوله‌های فولاد ضد زنگ سوپر آستنیتی ۶ مولیبدن 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 کلریدی دارند. برای آب و هوای سردتر، یک لوله ۳۱۶/۳۱۶L ممکن است کافی باشد، به خصوص اگر سابقه استفاده موفقیت‌آمیز وجود داشته باشد.
مالکان و اپراتورهای سکوهای فراساحلی همچنین می‌توانند پس از نصب لوله‌ها، 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 ایجاد حفره کاهش یابد. آن‌ها همچنین باید از تکنسین‌های تعمیر و نگهداری بخواهند که در طول بازرسی‌های معمول، گیره‌ها را باز کنند تا خوردگی در شکاف‌ها بررسی شود.
با پیروی از مراحل فوق، صاحبان و اپراتورهای سکو می‌توانند خطر خوردگی لوله و نشت‌های مرتبط با آن را در محیط دریایی کاهش دهند، ایمنی و کارایی را بهبود بخشند و احتمال از بین رفتن محصول یا انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهند.
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok. He can be contacted at bradley.bollinger@swagelok.com.
مجله فناوری نفت، مجله شاخص انجمن مهندسان نفت، خلاصه‌ها و مقالات معتبری در مورد پیشرفت‌ها در فناوری بالادستی، مسائل صنعت نفت و گاز و اخبار مربوط به SPE و اعضای آن ارائه می‌دهد.