Mimo że rury ze stali nierdzewnej charakteryzują się wrodzoną odpornością na korozję, zainstalowane w środowisku morskim są narażone na różne rodzaje korozji w trakcie oczekiwanego okresu eksploatacji. Korozja ta może prowadzić do emisji gazów ulotnych, utraty produktu i potencjalnych zagrożeń. Właściciele i operatorzy platform wiertniczych mogą zmniejszyć ryzyko korozji, stosując mocniejsze materiały rurowe, które zapewniają lepszą odporność na korozję. Następnie muszą zachować czujność podczas kontroli przewodów wtryskowych chemikaliów, przewodów hydraulicznych i impulsowych oraz urządzeń pomiarowych i czujników procesowych, aby mieć pewność, że korozja nie zagraża integralności zainstalowanych rur i bezpieczeństwu.
Zjawisko lokalnej korozji można zaobserwować na wielu platformach, statkach, okrętach i rurociągach w instalacjach morskich. Korozja ta może mieć postać wżerów lub korozji szczelinowej. W obu przypadkach może dojść do erozji ścianek rurociągów i wycieku cieczy.
Ryzyko korozji wzrasta wraz ze wzrostem temperatury roboczej. Ciepło może przyspieszyć niszczenie ochronnej, zewnętrznej, pasywnej warstwy tlenkowej rury, sprzyjając w ten sposób powstawaniu korozji wżerowej.
Niestety, lokalne wżery i korozję wżerową trudno wykryć, przez co trudniej jest identyfikować, przewidywać i projektować te rodzaje korozji. Biorąc pod uwagę te zagrożenia, właściciele platform, operatorzy i osoby wyznaczone powinni zachować ostrożność przy wyborze najlepszego materiału rurowego do swoich zastosowań. Wybór materiału to pierwsza linia obrony przed korozją, dlatego ważne jest, aby dokonać właściwego wyboru. Na szczęście mogą dokonać wyboru, korzystając z bardzo prostego, ale skutecznego pomiaru lokalnej odporności na korozję, czyli liczby równoważnej odporności na korozję wżerową (PREN). Im wyższa wartość PREN metalu, tym wyższa jego odporność na lokalną korozję.
W tym artykule omówiono sposoby identyfikacji korozji wżerowej i wżerowej oraz optymalizację doboru materiałów na rury do zastosowań w morskim wydobyciu ropy naftowej i gazu na podstawie wartości PREN materiału.
W odróżnieniu od korozji ogólnej, która jest bardziej równomierna na powierzchni metalu, korozja lokalna występuje na małych obszarach. Korozja wżerowa i wżerowa zaczyna powstawać na rurach ze stali nierdzewnej 316, gdy zewnętrzna warstwa pasywnego tlenku bogata w chrom pęka pod wpływem działania żrących płynów, w tym słonej wody. Środowiska morskie bogate w chlorki na morzu i lądzie, a także wysokie temperatury, a nawet zanieczyszczenie powierzchni rur, zwiększają ryzyko degradacji tej warstwy pasywacyjnej.
korozja wżerowa.Korozja wżerowa występuje, gdy warstwa pasywacyjna na długości rury ulega zniszczeniu, tworząc małe wgłębienia lub wżery na powierzchni rury. Takie wżery prawdopodobnie powiększają się w miarę zachodzenia reakcji elektrochemicznych, w wyniku których żelazo zawarte w metalu rozpuszcza się w roztworze na dnie wżeru. Rozpuszczone żelazo dyfunduje następnie w kierunku górnej części wżeru i utlenia się, tworząc tlenek żelaza lub rdzę. Wraz z pogłębianiem się wżeru reakcje elektrochemiczne przyspieszają, korozja się nasila i może doprowadzić do perforacji ścianki rury i wycieków.
Rury są bardziej podatne na korozję wżerową, gdy ich zewnętrzna powierzchnia jest zanieczyszczona (rysunek 1). Na przykład zanieczyszczenia pochodzące ze spawania i szlifowania mogą uszkodzić pasywującą warstwę tlenku rury, powodując w ten sposób powstawanie i przyspieszenie korozji wżerowej. To samo dotyczy zwykłego usuwania zanieczyszczeń z rur. Ponadto, gdy krople solanki odparowują, mokre kryształy soli, które tworzą się na rurach, chronią warstwę tlenku i mogą prowadzić do korozji wżerowej. Aby zapobiec tego typu zanieczyszczeniom, utrzymuj rury w czystości, regularnie przepłukując je świeżą wodą.
Rysunek 1 – Rury ze stali nierdzewnej 316/316L zanieczyszczone kwasem, solanką i innymi osadami są bardzo podatne na korozję wżerową.
Korozja wżerowa. W większości przypadków operator może łatwo zidentyfikować wżery. Jednak korozja wżerowa nie jest łatwa do wykrycia i stanowi większe ryzyko dla operatorów i personelu. Zwykle występuje na rurach, które mają ciasne przestrzenie między otaczającymi materiałami, na przykład na rurach mocowanych zaciskami lub rurach ściśle zainstalowanych obok siebie. Gdy solanka przedostaje się do szczeliny, z czasem w tym obszarze tworzy się chemicznie agresywny, zakwaszony roztwór chlorku żelazowego (FeCl3), który powoduje przyspieszoną korozję wżerową (rysunek 2). Ponieważ szczeliny same w sobie zwiększają ryzyko korozji, korozja wżerowa może wystąpić w temperaturach znacznie niższych niż korozja wżerowa.
Rysunek 2 – Korozja szczelinowa może rozwijać się pomiędzy rurą a jej podporą (góra) oraz w przypadku montażu rury w pobliżu innych powierzchni (dół) z powodu tworzenia się w szczelinie chemicznie agresywnego, zakwaszonego roztworu chlorku żelazowego.
Korozja wżerowa zwykle symuluje korozję wżerową, która najpierw pojawia się w szczelinie utworzonej między rurą a uchwytem podtrzymującym rurę. Jednak ze względu na wzrastające stężenie Fe++ w płynie wewnątrz szczeliny, początkowy krater staje się coraz większy, aż pokryje całą szczelinę. Ostatecznie korozja wżerowa może spowodować perforację rury.
Największe ryzyko korozji stanowią ciasne pęknięcia. Dlatego obejmy rurowe, które obejmują większą część obwodu rury, stwarzają większe ryzyko niż otwarte obejmy, które minimalizują powierzchnię styku między rurą a obejmą. Technicy zajmujący się konserwacją mogą pomóc zmniejszyć prawdopodobieństwo wystąpienia korozji wżerowej, która może spowodować uszkodzenia lub awarie, regularnie otwierając obejmy i sprawdzając powierzchnię rury pod kątem korozji.
Korozję wżerową i wżerową można najlepiej zapobiegać poprzez dobór odpowiedniego stopu metalu do danego zastosowania. Projektanci powinni zachować należytą staranność przy wyborze optymalnego materiału rurowego w celu zminimalizowania ryzyka korozji, biorąc pod uwagę środowisko pracy, warunki procesu i inne zmienne.
Aby pomóc projektantom zoptymalizować dobór materiałów, mogą oni porównać wartości PREN metali w celu określenia ich odporności na korozję lokalną. PREN można obliczyć na podstawie składu chemicznego stopu, w tym zawartości chromu (Cr), molibdenu (Mo) i azotu (N), w następujący sposób:
PREN wzrasta wraz z zawartością w stopie pierwiastków odpornych na korozję: chromu, molibdenu i azotu. Zależność PREN opiera się na krytycznej temperaturze wżerów (CPT) – najniższej temperaturze, w której obserwuje się korozję wżerową – dla różnych stali nierdzewnych w odniesieniu do składu chemicznego. Zasadniczo PREN jest proporcjonalny do CPT. Dlatego wyższe wartości PREN wskazują na wyższą odporność na wżery. Niewielki wzrost PREN jest równoważny jedynie niewielkiemu wzrostowi CPT w porównaniu ze stopem, natomiast duży wzrost PREN wskazuje na znaczną poprawę wydajności w porównaniu ze znacznie wyższym CPT.
Tabela 1 porównuje wartości PREN różnych stopów powszechnie stosowanych w zastosowaniach związanych z wydobyciem ropy naftowej i gazu na morzu. Pokazuje ona, w jaki sposób specyfikacja może znacząco poprawić odporność na korozję dzięki wyborowi stopu rur wyższej klasy. Wartość PREN wzrasta tylko nieznacznie przy przejściu ze stali nierdzewnej 316 na 317. Aby uzyskać znaczną poprawę wydajności, idealnie nadaje się stal nierdzewna superaustenityczna 6 Mo lub stal nierdzewna superduplex 2507.
Wyższe stężenia niklu (Ni) w stali nierdzewnej zwiększają również odporność na korozję. Jednak zawartość niklu w stali nierdzewnej nie jest uwzględniona w równaniu PREN. W każdym razie często korzystne jest określanie stali nierdzewnych o wyższych stężeniach niklu, ponieważ pierwiastek ten pomaga w ponownej pasywacji powierzchni wykazujących oznaki korozji miejscowej. Nikiel stabilizuje austenit i zapobiega tworzeniu się martenzytu podczas gięcia lub ciągnienia na zimno rur o twardości 1/8 cala. Martenzyt to niepożądana faza krystaliczna w metalach, która zmniejsza odporność stali nierdzewnej na korozję miejscową, a także pękanie naprężeniowe wywołane przez chlorki. Wyższa zawartość niklu, wynosząca co najmniej 12% w stali 316/316L, jest również pożądana w zastosowaniach obejmujących gazowy wodór pod wysokim ciśnieniem. Minimalne stężenie niklu wymagane dla stali nierdzewnej 316/316L zgodnie ze specyfikacją normy ASTM wynosi 10%.
Lokalna korozja może pojawić się w dowolnym miejscu rur użytkowanych w środowisku morskim. Jednak korozja wżerowa występuje częściej w miejscach już zanieczyszczonych, natomiast korozja wżerowa częściej występuje w miejscach z wąskimi szczelinami między rurą a elementami montażowymi. Używając PREN jako podstawy, projektant może wybrać najlepszy stop rur, aby zminimalizować ryzyko wystąpienia jakiejkolwiek lokalnej korozji.
Należy jednak pamiętać, że istnieją inne zmienne, które mogą mieć wpływ na ryzyko korozji. Przykładowo, temperatura ma wpływ na odporność stali nierdzewnej na korozję wżerową. W gorącym klimacie morskim należy poważnie rozważyć rury ze stali nierdzewnej 6-molibdenowej super austenitycznej lub 2507 super duplex, ponieważ materiały te charakteryzują się doskonałą odpornością na korozję miejscową i pękanie naprężeniowe pod wpływem chlorków. W chłodniejszym klimacie wystarczające mogą być rury 316/316L, zwłaszcza jeśli wiadomo, że były one używane z powodzeniem.
Właściciele i operatorzy platform wiertniczych mogą również podjąć kroki mające na celu zminimalizowanie ryzyka korozji po zainstalowaniu rur. Powinni dbać o czystość rur i regularnie przepłukiwać je świeżą wodą, aby ograniczyć ryzyko korozji wżerowej. Powinni również zlecać technikom konserwacyjnym otwieranie zacisków rur podczas rutynowych kontroli w celu sprawdzenia, czy nie występuje korozja szczelinowa.
Postępując zgodnie z powyższymi wskazówkami, właściciele i operatorzy platform mogą zmniejszyć ryzyko korozji rur i związanych z nią przecieków w środowisku morskim, zwiększając bezpieczeństwo i wydajność, a jednocześnie redukując ryzyko utraty produktu lub uwolnienia emisji uciekających.
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok Company.He can be reached at bradley.bollinger@swagelok.com.
Journal of Petroleum Technology jest sztandarowym czasopismem Society of Petroleum Engineers, w którym można znaleźć rzetelne informacje i artykuły na temat postępów w technologii poszukiwań i produkcji, zagadnień związanych z przemysłem naftowym i gazowym, a także aktualności dotyczące SPE i jego członków.