Несмотря на присущую нержавеющей стали коррозионную стойкость, трубы из нержавеющей стали, установленные в морской среде, подвержены различным видам коррозии в течение всего срока службы. Эта коррозия может привести к утечкам, потерям продукции и потенциальным рискам. Владельцы и операторы морских платформ могут снизить риск коррозии, выбирая более прочные материалы труб, обеспечивающие лучшую коррозионную стойкость. В дальнейшем им необходимо проявлять бдительность при осмотре линий подачи химикатов, гидравлических и импульсных линий, а также технологического оборудования и контрольно-измерительных приборов, чтобы убедиться, что коррозия не угрожает целостности установленных трубопроводов и не ставит под угрозу безопасность.
Локализованная коррозия может наблюдаться на многих платформах, судах, кораблях и морских трубопроводах. Эта коррозия может проявляться в виде точечной или щелевой коррозии, любая из которых может разрушать стенки труб и вызывать утечку жидкости.
Риск коррозии возрастает с повышением рабочей температуры устройства. Нагрев может ускорить разрушение защитной внешней пассивной оксидной пленки трубки, способствуя образованию точечных повреждений.
К сожалению, локальную точечную и щелевую коррозию трудно обнаружить, что затрудняет выявление, прогнозирование и проектирование таких типов коррозии. Учитывая эти риски, владельцы, операторы и уполномоченные лица платформ должны проявлять осторожность при выборе наилучшего материала для трубопроводов. Выбор материала — это их первая линия защиты от коррозии, поэтому правильный выбор имеет очень важное значение. К счастью, они могут выбрать очень простой, но очень эффективный показатель стойкости к локальной коррозии — эквивалентное число стойкости к точечной коррозии (PREN). Чем выше значение PREN металла, тем выше его устойчивость к локальной коррозии.
В этой статье рассматриваются методы выявления точечной и щелевой коррозии, а также способы оптимизации выбора материала труб для применения в морской нефтегазовой отрасли на основе значения PREN материала.
Локализованная коррозия происходит на небольших участках по сравнению с общей коррозией, которая более равномерна по поверхности металла. Точечная и щелевая коррозия начинают образовываться на трубах из нержавеющей стали 316, когда внешний пассивный оксидный слой металла, богатый хромом, разрушается из-за воздействия коррозионных жидкостей, включая соленую воду. Морская среда, богатая хлоридами, а также высокие температуры и даже загрязнение поверхности труб увеличивают вероятность деградации этого пассивирующего слоя.
Точечная коррозия возникает, когда пассивирующая пленка на участке трубы разрушается, образуя небольшие полости или ямки на поверхности трубы. Такие ямки, вероятно, будут увеличиваться по мере протекания электрохимических реакций, в результате чего железо в металле растворяется в растворе на дне ямки. Затем растворенное железо диффундирует к поверхности ямки и окисляется, образуя оксид железа или ржавчину. По мере углубления ямки электрохимические реакции ускоряются, коррозия усиливается, что может привести к перфорации стенки трубы и утечкам.
Трубы более подвержены образованию точечных повреждений, если их внешняя поверхность загрязнена (рис. 1). Например, загрязнения от сварочных и шлифовальных работ могут повредить пассивирующий оксидный слой трубы, что приводит к образованию и ускорению точечной коррозии. То же самое относится и к простому удалению загрязнений из труб. Кроме того, по мере испарения капель соли, влажные кристаллы соли, образующиеся на трубах, защищают оксидный слой и могут привести к образованию точечной коррозии. Чтобы предотвратить подобные загрязнения, поддерживайте чистоту труб, регулярно промывая их чистой водой.
Рисунок 1. Труба из нержавеющей стали 316/316L, загрязненная кислотами, солями и другими отложениями, очень подвержена образованию точечных повреждений.
Щелевая коррозия. В большинстве случаев точечная коррозия легко обнаруживается оператором. Однако щелевую коррозию обнаружить сложнее, и она представляет большую опасность для операторов и персонала. Обычно она возникает на трубах с узкими зазорами между окружающими материалами, например, на трубах, закрепленных зажимами, или на трубах, плотно прилегающих друг к другу. Когда рассол просачивается в щель, со временем в этой области образуется химически агрессивный подкисленный раствор хлорида железа (FeCl3), что ускоряет щелевую коррозию (рис. 2). Поскольку сама щелевая коррозия увеличивает риск коррозии, она может происходить при температурах значительно ниже, чем точечная коррозия.
Рисунок 2 – Щелевая коррозия может развиваться между трубой и опорой трубы (сверху), а также при установке трубы вблизи других поверхностей (снизу) из-за образования в зазоре химически агрессивного подкисленного раствора хлорида железа(III).
Щелевая коррозия обычно сначала имитирует точечную коррозию в зазоре, образованном между участком трубы и опорным кольцом трубы. Однако из-за увеличения концентрации Fe++ в жидкости внутри трещины первоначальная воронка становится все больше и больше, пока не покроет всю трещину. В конечном итоге щелевая коррозия может привести к перфорации трубы.
Плотные трещины представляют наибольший риск коррозии. Поэтому хомуты, охватывающие большую часть окружности трубы, как правило, более опасны, чем открытые хомуты, которые минимизируют площадь контакта между трубой и хомутом. Специалисты по обслуживанию могут помочь снизить вероятность повреждения или выхода из строя из-за щелевой коррозии, регулярно открывая хомуты и проверяя поверхность трубы на наличие коррозии.
Точечная и щелевая коррозия могут быть предотвращены путем выбора правильного металлического сплава для конкретного применения. Специалисты по проектированию должны проявлять должную осмотрительность при выборе оптимального материала для трубопроводов, чтобы минимизировать риск коррозии в зависимости от технологической среды, условий процесса и других переменных.
Чтобы помочь проектировщикам оптимизировать выбор материалов, они могут сравнить значения PREN металлов для определения их устойчивости к локальной коррозии. Значение PREN можно рассчитать на основе химического состава сплава, включая содержание хрома (Cr), молибдена (Mo) и азота (N), следующим образом:
Показатель PREN увеличивается с увеличением содержания в сплаве коррозионностойких элементов хрома, молибдена и азота. Коэффициент PREN основан на критической температуре питтинговой коррозии (CPT) – самой низкой температуре, при которой происходит питтинговая коррозия, – для различных нержавеющих сталей в зависимости от их химического состава. По сути, PREN пропорционален CPT. Следовательно, более высокие значения PREN указывают на более высокую стойкость к питтинговой коррозии. Небольшое увеличение PREN эквивалентно лишь небольшому увеличению CPT по сравнению со сплавом, в то время как значительное увеличение PREN указывает на существенное улучшение характеристик при значительно более высокой CPT.
В таблице 1 сравниваются значения PREN для различных сплавов, широко используемых в морской нефтегазовой промышленности. Показано, как выбор более качественного сплава для труб может значительно улучшить коррозионную стойкость в соответствии со спецификацией. Значение PREN незначительно увеличивается при переходе от нержавеющей стали 316 к нержавеющей стали 317. Супераустенитная нержавеющая сталь 6Mo или супердуплексная нержавеющая сталь 2507 идеально подходят для значительного повышения эксплуатационных характеристик.
Более высокая концентрация никеля (Ni) в нержавеющей стали также повышает коррозионную стойкость. Однако содержание никеля в нержавеющей стали не входит в уравнение PREN. В любом случае, часто выгодно выбирать нержавеющие стали с более высоким содержанием никеля, поскольку этот элемент способствует повторной пассивации поверхностей, демонстрирующих признаки локализованной коррозии. Никель стабилизирует аустенит и предотвращает образование мартенсита при гибке или холодной вытяжке жестких труб диаметром 1/8 дюйма. Мартенсит — нежелательная кристаллическая фаза в металлах, которая снижает сопротивление нержавеющей стали локализованной коррозии, а также растрескиванию под воздействием хлоридов. Более высокое содержание никеля, не менее 12% в стали 316/316L, также желательно для применения в системах высокого давления с водородом. Минимальная требуемая концентрация никеля для нержавеющей стали ASTM 316/316L составляет 10%.
Локализованная коррозия может возникать в любом месте на трубах, используемых в морской среде. Однако точечная коррозия чаще встречается в уже загрязненных участках, тогда как щелевая коррозия чаще возникает в местах с узкими зазорами между трубой и монтажным оборудованием. Используя PREN в качестве основы, проектировщик может выбрать оптимальный сплав для труб, чтобы минимизировать риск любой локализованной коррозии.
Однако следует помнить, что существуют и другие факторы, влияющие на риск коррозии. Например, температура влияет на устойчивость нержавеющей стали к точечной коррозии. Для жаркого морского климата следует серьезно рассмотреть трубы из супераустенитной 6-й молибденовой стали или супердуплексной нержавеющей стали 2507, поскольку эти материалы обладают превосходной устойчивостью к локальной коррозии и хлоридному растрескиванию. Для более холодного климата может быть достаточно трубы из стали 316/316L, особенно если она имеет опыт успешной эксплуатации.
Владельцы и операторы морских платформ также могут предпринять шаги для минимизации риска коррозии после установки труб. Им следует содержать трубы в чистоте и регулярно промывать их пресной водой, чтобы снизить риск образования точечной коррозии. Кроме того, во время плановых проверок специалисты по техническому обслуживанию должны открывать хомуты труб, чтобы проверить наличие щелевой коррозии.
Выполняя описанные выше шаги, владельцы и операторы платформ могут снизить риск коррозии трубопроводов и связанных с этим утечек в морской среде, повысить безопасность и эффективность, а также уменьшить вероятность потери продукции или выбросов в атмосферу.
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok. He can be contacted at bradley.bollinger@swagelok.com.
Журнал «Journal of Petroleum Technology» — ведущий журнал Общества инженеров-нефтяников, публикующий авторитетные обзоры и статьи о достижениях в области технологий разведки и добычи нефти и газа, проблемах нефтегазовой отрасли, а также новости о SPE и ее членах.