แม้ว่าท่อสแตนเลสจะมีคุณสมบัติทนทานต่อการกัดกร่อนโดยธรรมชาติ แต่ท่อสแตนเลสที่ติดตั้งในสภาพแวดล้อมทางทะเลก็ยังอาจเกิดการกัดกร่อนได้หลายประเภทตลอดอายุการใช้งาน การกัดกร่อนนี้อาจนำไปสู่การปล่อยสารเคมีรั่วไหล การสูญเสียผลิตภัณฑ์ และความเสี่ยงต่างๆ เจ้าของและผู้ประกอบการแท่นขุดเจาะนอกชายฝั่งสามารถลดความเสี่ยงจากการกัดกร่อนได้โดยการเลือกใช้วัสดุท่อที่แข็งแรงกว่าซึ่งทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่า จากนั้น พวกเขาต้องคอยตรวจสอบท่อฉีดสารเคมี ท่อไฮดรอลิกและท่อแรงดัน และอุปกรณ์วัดและควบคุมกระบวนการผลิตอย่างสม่ำเสมอ เพื่อให้แน่ใจว่าการกัดกร่อนจะไม่เป็นภัยคุกคามต่อความสมบูรณ์ของท่อที่ติดตั้งหรือทำให้ความปลอดภัยลดลง
การกัดกร่อนเฉพาะจุดสามารถพบได้ในแท่นขุดเจาะ เรือ และท่อส่งน้ำมันนอกชายฝั่งหลายแห่ง การกัดกร่อนนี้อาจอยู่ในรูปแบบของการกัดกร่อนเป็นหลุมหรือการกัดกร่อนตามรอยแตก ซึ่งทั้งสองแบบสามารถกัดกร่อนผนังท่อและทำให้ของเหลวรั่วไหลได้
ความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิการใช้งานที่สูงขึ้น ความร้อนสามารถเร่งการเสื่อมสภาพของฟิล์มออกไซด์ป้องกันชั้นนอกของท่อ ทำให้เกิดการกัดกร่อนเป็นหลุมเป็นบ่อได้
น่าเสียดายที่การกัดกร่อนเฉพาะจุดและการกัดกร่อนตามรอยแตกนั้นตรวจจับได้ยาก ทำให้ยากต่อการระบุ การคาดการณ์ และการออกแบบเพื่อป้องกันการกัดกร่อนประเภทนี้ ด้วยความเสี่ยงเหล่านี้ เจ้าของแท่นขุดเจาะ ผู้ดำเนินการ และผู้ที่ได้รับมอบหมายจึงต้องใช้ความระมัดระวังในการเลือกวัสดุท่อส่งที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานของตน การเลือกวัสดุเป็นด่านแรกในการป้องกันการกัดกร่อน ดังนั้นการเลือกให้ถูกต้องจึงมีความสำคัญมาก โชคดีที่พวกเขาสามารถเลือกมาตรวัดความต้านทานการกัดกร่อนเฉพาะจุดที่ง่ายแต่มีประสิทธิภาพมาก นั่นคือ ค่าเทียบเท่าความต้านทานการกัดกร่อนเฉพาะจุด (PREN) ยิ่งค่า PREN ของโลหะสูงเท่าไร ความต้านทานต่อการกัดกร่อนเฉพาะจุดก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น
บทความนี้จะกล่าวถึงวิธีการระบุการกัดกร่อนแบบเป็นหลุมและแบบรอยแตก รวมถึงวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพการเลือกวัสดุท่อสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซนอกชายฝั่ง โดยพิจารณาจากค่า PREN ของวัสดุ
การกัดกร่อนเฉพาะจุดเกิดขึ้นในบริเวณเล็กๆ เมื่อเทียบกับการกัดกร่อนทั่วไปซึ่งกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วพื้นผิวโลหะ การกัดกร่อนแบบเป็นหลุมและแบบรอยแตกเริ่มก่อตัวบนท่อสแตนเลส 316 เมื่อฟิล์มออกไซด์แบบพาสซีฟที่มีโครเมียมเป็นองค์ประกอบหลักด้านนอกของโลหะเสื่อมสภาพลงเนื่องจากการสัมผัสกับของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อน รวมถึงน้ำทะเล สภาพแวดล้อมทางทะเลที่มีคลอไรด์สูง รวมถึงอุณหภูมิสูงและแม้แต่การปนเปื้อนของพื้นผิวท่อ จะเพิ่มโอกาสในการเสื่อมสภาพของฟิล์มพาสซีฟนี้
การกัดกร่อนแบบเป็นหลุม (Pitting corrosion) เกิดขึ้นเมื่อฟิล์มพาสซิเวชันบนส่วนใดส่วนหนึ่งของท่อแตกออก ทำให้เกิดโพรงหรือหลุมเล็กๆ บนพื้นผิวของท่อ หลุมเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะขยายตัวเนื่องจากปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า ส่งผลให้เหล็กในโลหะละลายในสารละลายที่ก้นหลุม จากนั้นเหล็กที่ละลายแล้วจะแพร่กระจายไปยังด้านบนของหลุมและเกิดการออกซิเดชันกลายเป็นเหล็กออกไซด์หรือสนิม เมื่อหลุมลึกขึ้น ปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าจะเร่งตัวขึ้น การกัดกร่อนจะเพิ่มขึ้น ซึ่งอาจนำไปสู่การทะลุของผนังท่อและทำให้เกิดการรั่วไหลได้
ท่อจะเกิดการกัดกร่อนได้ง่ายขึ้นหากพื้นผิวด้านนอกปนเปื้อน (รูปที่ 1) ตัวอย่างเช่น สารปนเปื้อนจากการเชื่อมและการเจียรสามารถทำลายชั้นออกไซด์ที่ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันของท่อ ทำให้เกิดและเร่งการกัดกร่อน เช่นเดียวกับการปนเปื้อนจากท่อโดยทั่วไป นอกจากนี้ เมื่อหยดเกลือระเหย ผลึกเกลือเปียกที่ก่อตัวบนท่อจะปกป้องชั้นออกไซด์และอาจนำไปสู่การกัดกร่อนได้ เพื่อป้องกันการปนเปื้อนประเภทนี้ ควรทำความสะอาดท่อโดยการล้างด้วยน้ำสะอาดเป็นประจำ
รูปที่ 1. ท่อสแตนเลส 316/316L ที่ปนเปื้อนด้วยกรด น้ำเกลือ และคราบสกปรกอื่นๆ มีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อนเป็นหลุมสูง
การกัดกร่อนตามรอยแตก ในกรณีส่วนใหญ่ การกัดกร่อนแบบเป็นหลุมสามารถตรวจพบได้ง่ายโดยผู้ปฏิบัติงาน อย่างไรก็ตาม การกัดกร่อนตามรอยแตกนั้นตรวจพบได้ยากกว่าและก่อให้เกิดความเสี่ยงที่สูงกว่าต่อผู้ปฏิบัติงานและบุคลากร โดยปกติแล้วจะเกิดขึ้นกับท่อที่มีช่องว่างแคบระหว่างวัสดุโดยรอบ เช่น ท่อที่ยึดไว้ด้วยแคลมป์หรือท่อที่วางชิดกันแน่น เมื่อน้ำเกลือซึมเข้าไปในรอยแตก เมื่อเวลาผ่านไป สารละลายเฟอร์ริกคลอไรด์ (FeCl3) ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนทางเคมีจะเกิดขึ้นในบริเวณนี้ ซึ่งทำให้การกัดกร่อนตามรอยแตกเร่งตัวขึ้น (รูปที่ 2) เนื่องจากรอยแตกเองเพิ่มความเสี่ยงต่อการกัดกร่อน การกัดกร่อนตามรอยแตกจึงสามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าการกัดกร่อนแบบเป็นหลุมมาก
รูปที่ 2 – การกัดกร่อนตามรอยแตกสามารถเกิดขึ้นได้ระหว่างท่อและตัวรองรับท่อ (ด้านบน) และเมื่อติดตั้งท่อใกล้กับพื้นผิวอื่นๆ (ด้านล่าง) เนื่องจากการก่อตัวของสารละลายกรดเฟอร์ริกคลอไรด์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนทางเคมีในช่องว่าง
การกัดกร่อนตามรอยแตกมักแสดงอาการคล้ายการเกิดหลุมในช่องว่างที่เกิดขึ้นระหว่างท่อกับปลอกรองรับท่อก่อน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความเข้มข้นของ Fe++ ในของเหลวภายในรอยแตกเพิ่มขึ้น รอยแตกเริ่มต้นจึงขยายใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งครอบคลุมรอยแตกทั้งหมด ในที่สุด การกัดกร่อนตามรอยแตกอาจนำไปสู่การทะลุของท่อได้
รอยแตกที่มีความหนาแน่นสูงก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนมากที่สุด ดังนั้น แคลมป์ยึดท่อที่รัดรอบเส้นรอบวงของท่อเป็นบริเวณกว้างจึงมีความเสี่ยงมากกว่าแคลมป์แบบเปิด ซึ่งมีพื้นที่สัมผัสระหว่างท่อและแคลมป์น้อยกว่า ช่างเทคนิคสามารถช่วยลดโอกาสเกิดความเสียหายหรือความล้มเหลวจากการกัดกร่อนตามรอยแตกได้โดยการเปิดแคลมป์และตรวจสอบพื้นผิวท่อเพื่อหาการกัดกร่อนเป็นประจำ
การกัดกร่อนแบบเป็นหลุมและแบบรอยแตกสามารถป้องกันได้โดยการเลือกโลหะผสมที่เหมาะสมกับการใช้งาน ผู้กำหนดคุณสมบัติจะต้องใช้ความระมัดระวังในการเลือกวัสดุท่อที่เหมาะสมที่สุดเพื่อลดความเสี่ยงของการกัดกร่อน โดยขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมของกระบวนการ สภาวะของกระบวนการ และตัวแปรอื่นๆ
เพื่อช่วยให้ผู้กำหนดคุณสมบัติเลือกวัสดุได้อย่างเหมาะสม พวกเขาสามารถเปรียบเทียบค่า PREN ของโลหะเพื่อกำหนดความต้านทานต่อการกัดกร่อนเฉพาะจุดได้ ค่า PREN สามารถคำนวณได้จากองค์ประกอบทางเคมีของโลหะผสม รวมถึงปริมาณโครเมียม (Cr) โมลิบเดนัม (Mo) และไนโตรเจน (N) ดังนี้:
ค่า PREN จะเพิ่มขึ้นตามปริมาณของธาตุต้านทานการกัดกร่อน เช่น โครเมียม โมลิบเดนัม และไนโตรเจนในโลหะผสม อัตราส่วน PREN ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิวิกฤตการเกิดการกัดกร่อนแบบเป็นหลุม (CPT) ซึ่งเป็นอุณหภูมิต่ำสุดที่เกิดการกัดกร่อนแบบเป็นหลุม สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมชนิดต่างๆ ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมี โดยพื้นฐานแล้ว PREN เป็นสัดส่วนโดยตรงกับ CPT ดังนั้น ค่า PREN ที่สูงขึ้นแสดงถึงความต้านทานการกัดกร่อนแบบเป็นหลุมที่สูงขึ้น การเพิ่มขึ้นเล็กน้อยของ PREN เทียบเท่ากับการเพิ่มขึ้นเล็กน้อยของ CPT เมื่อเทียบกับโลหะผสม ในขณะที่การเพิ่มขึ้นอย่างมากของ PREN แสดงถึงการปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับ CPT ที่สูงขึ้นอย่างมาก
ตารางที่ 1 เปรียบเทียบค่า PREN ของโลหะผสมต่างๆ ที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซนอกชายฝั่ง แสดงให้เห็นว่าข้อกำหนดต่างๆ สามารถปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนได้อย่างมากโดยการเลือกใช้โลหะผสมคุณภาพสูงสำหรับท่อ ค่า PREN เพิ่มขึ้นเล็กน้อยจากสแตนเลส 316 ไปยังสแตนเลส 317 สแตนเลสออสเทนิติก 6 Mo หรือสแตนเลสดูเพล็กซ์ 2507 เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญ
ความเข้มข้นของนิกเกล (Ni) ที่สูงขึ้นในเหล็กกล้าไร้สนิมยังช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนอีกด้วย อย่างไรก็ตาม ปริมาณนิกเกลในเหล็กกล้าไร้สนิมไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของสมการ PREN ไม่ว่าในกรณีใด การเลือกเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีปริมาณนิกเกลสูงกว่ามักเป็นประโยชน์ เนื่องจากธาตุนี้ช่วยสร้างชั้นป้องกันใหม่ให้กับพื้นผิวที่แสดงสัญญาณของการกัดกร่อนเฉพาะจุด นิกเกลช่วยทำให้โครงสร้างออสเทนไนต์มีเสถียรภาพและป้องกันการเกิดมาร์เทนไซต์เมื่อดัดหรือดึงเย็นท่อแข็งขนาด 1/8 นิ้ว มาร์เทนไซต์เป็นเฟสผลึกที่ไม่พึงประสงค์ในโลหะ ซึ่งลดความต้านทานของเหล็กกล้าไร้สนิมต่อการกัดกร่อนเฉพาะจุด รวมถึงการแตกร้าวจากความเค้นที่เกิดจากคลอไรด์ ปริมาณนิกเกลที่สูงขึ้นอย่างน้อย 12% ในเหล็กกล้า 316/316L ยังเป็นที่ต้องการสำหรับการใช้งานก๊าซไฮโดรเจนแรงดันสูง ความเข้มข้นของนิกเกลขั้นต่ำที่กำหนดสำหรับเหล็กกล้าไร้สนิม ASTM 316/316L คือ 10%
การกัดกร่อนเฉพาะจุดสามารถเกิดขึ้นได้ทุกที่บนท่อที่ใช้ในสภาพแวดล้อมทางทะเล อย่างไรก็ตาม การกัดกร่อนแบบเป็นหลุมมักเกิดขึ้นในบริเวณที่ปนเปื้อนอยู่แล้ว ในขณะที่การกัดกร่อนแบบร่องมักเกิดขึ้นในบริเวณที่มีช่องว่างแคบระหว่างท่อและอุปกรณ์ติดตั้ง การใช้ PREN เป็นพื้นฐาน ผู้กำหนดคุณสมบัติสามารถเลือกโลหะผสมท่อที่ดีที่สุดเพื่อลดความเสี่ยงของการกัดกร่อนเฉพาะจุดทุกประเภท
อย่างไรก็ตาม โปรดจำไว้ว่ายังมีตัวแปรอื่นๆ ที่อาจส่งผลต่อความเสี่ยงของการกัดกร่อน ตัวอย่างเช่น อุณหภูมิมีผลต่อความต้านทานของเหล็กกล้าไร้สนิมต่อการเกิดหลุมกัดกร่อน สำหรับสภาพอากาศร้อนชื้นแบบชายฝั่งทะเล ควรพิจารณาใช้ท่อเหล็กโมลิบเดนัมออสเทนิติก 6 หรือเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ 2507 ซูเปอร์อย่างจริงจัง เนื่องจากวัสดุเหล่านี้มีความต้านทานต่อการกัดกร่อนเฉพาะจุดและการแตกร้าวจากคลอไรด์ได้ดีเยี่ยม สำหรับสภาพอากาศที่เย็นกว่า ท่อ 316/316L อาจเพียงพอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากมีประวัติการใช้งานที่ประสบความสำเร็จมาก่อน
เจ้าของและผู้ประกอบการแท่นขุดเจาะนอกชายฝั่งสามารถดำเนินการต่างๆ เพื่อลดความเสี่ยงของการกัดกร่อนหลังจากการติดตั้งท่อได้แล้ว พวกเขาควรดูแลรักษาท่อให้สะอาดและล้างด้วยน้ำจืดเป็นประจำเพื่อลดความเสี่ยงของการเกิดการกัดกร่อนเป็นหลุม นอกจากนี้ ช่างซ่อมบำรุงควรเปิดแคลมป์ท่อในระหว่างการตรวจสอบตามปกติเพื่อตรวจสอบการกัดกร่อนตามรอยแตก
ด้วยการปฏิบัติตามขั้นตอนข้างต้น เจ้าของและผู้ประกอบการแท่นขุดเจาะสามารถลดความเสี่ยงจากการกัดกร่อนของท่อและการรั่วไหลที่เกี่ยวข้องในสภาพแวดล้อมทางทะเล ปรับปรุงความปลอดภัยและประสิทธิภาพ และลดโอกาสการสูญเสียผลิตภัณฑ์หรือการปล่อยมลพิษที่ไม่พึงประสงค์ได้
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok. He can be contacted at bradley.bollinger@swagelok.com.
วารสารเทคโนโลยีปิโตรเลียม (Journal of Petroleum Technology) เป็นวารสารชั้นนำของสมาคมวิศวกรปิโตรเลียม (Society of Petroleum Engineers หรือ SPE) ซึ่งนำเสนอบทสรุปและบทความที่น่าเชื่อถือเกี่ยวกับความก้าวหน้าในเทคโนโลยีต้นน้ำ ประเด็นปัญหาในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ และข่าวสารเกี่ยวกับ SPE และสมาชิกของ SPE