Mặc dù ống thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn vốn có, nhưng các ống thép không gỉ được lắp đặt trong môi trường biển vẫn trải qua nhiều loại ăn mòn khác nhau trong suốt vòng đời dự kiến ​​của chúng. Sự ăn mòn này có thể dẫn đến phát thải rò rỉ, thất thoát sản phẩm và các rủi ro tiềm tàng. Chủ sở hữu và người vận hành giàn khoan ngoài khơi có thể giảm nguy cơ ăn mòn bằng cách lựa chọn vật liệu ống bền hơn, có khả năng chống ăn mòn tốt hơn. Sau đó, họ phải luôn cảnh giác khi kiểm tra các đường ống dẫn hóa chất, đường ống thủy lực và xung lực, cũng như thiết bị đo lường và cảm biến quy trình để đảm bảo sự ăn mòn không đe dọa đến tính toàn vẹn của hệ thống đường ống đã lắp đặt và ảnh hưởng đến an toàn.
Hiện tượng ăn mòn cục bộ có thể được tìm thấy trên nhiều giàn khoan, tàu thuyền và đường ống trong các công trình ngoài khơi. Sự ăn mòn này có thể ở dạng ăn mòn rỗ hoặc ăn mòn khe hở, cả hai đều có thể làm mòn thành ống và gây rò rỉ chất lỏng.
Nguy cơ ăn mòn sẽ cao hơn khi nhiệt độ hoạt động của ứng dụng tăng lên. Nhiệt độ cao có thể đẩy nhanh quá trình phá hủy lớp màng oxit thụ động bảo vệ bên ngoài của ống, từ đó thúc đẩy sự hình thành ăn mòn rỗ.
Thật không may, hiện tượng ăn mòn rỗ cục bộ và ăn mòn khe hở rất khó phát hiện, khiến cho việc xác định, dự đoán và thiết kế để đối phó với các loại ăn mòn này trở nên khó khăn hơn. Trước những rủi ro này, chủ sở hữu, người vận hành và người được ủy quyền của giàn khoan cần thận trọng khi lựa chọn vật liệu đường ống tốt nhất cho ứng dụng của họ. Lựa chọn vật liệu là tuyến phòng thủ đầu tiên chống lại sự ăn mòn, vì vậy việc lựa chọn đúng rất quan trọng. May mắn thay, họ có thể lựa chọn bằng cách sử dụng một thước đo rất đơn giản nhưng rất hiệu quả về khả năng chống ăn mòn cục bộ, đó là Chỉ số Tương đương Khả năng Chống Rỗ (PREN). Giá trị PREN càng cao thì kim loại càng có khả năng chống ăn mòn cục bộ cao.
Bài viết này sẽ xem xét cách nhận biết ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở, cũng như cách tối ưu hóa việc lựa chọn vật liệu ống cho các ứng dụng dầu khí ngoài khơi dựa trên giá trị PREN của vật liệu.
Ăn mòn cục bộ xảy ra ở những khu vực nhỏ hơn so với ăn mòn tổng thể, vốn đồng đều hơn trên bề mặt kim loại. Ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở bắt đầu hình thành trên các ống thép không gỉ 316 khi lớp màng oxit thụ động giàu crom bên ngoài của kim loại bị vỡ do tiếp xúc với các chất lỏng ăn mòn, bao gồm cả nước mặn. Môi trường biển giàu clorua ngoài khơi và trên bờ, cũng như nhiệt độ cao và thậm chí cả sự nhiễm bẩn trên bề mặt ống, làm tăng khả năng suy thoái của lớp màng thụ động này.
Ăn mòn rỗ. Ăn mòn rỗ xảy ra khi lớp màng thụ động trên một đoạn ống bị phá hủy, tạo thành các lỗ nhỏ hoặc vết rỗ trên bề mặt ống. Những vết rỗ này có khả năng phát triển khi các phản ứng điện hóa diễn ra, khiến sắt trong kim loại hòa tan vào dung dịch ở đáy vết rỗ. Sắt hòa tan sau đó sẽ khuếch tán lên trên vết rỗ và bị oxy hóa tạo thành oxit sắt hoặc gỉ sét. Khi vết rỗ sâu hơn, các phản ứng điện hóa tăng tốc, sự ăn mòn dữ dội hơn và có thể dẫn đến thủng thành ống và gây rò rỉ.
Ống dẫn dễ bị ăn mòn rỗ hơn khi bề mặt ngoài bị nhiễm bẩn (Hình 1). Ví dụ, sự nhiễm bẩn từ các hoạt động hàn và mài có thể làm hỏng lớp oxit thụ động của ống, do đó hình thành và đẩy nhanh quá trình ăn mòn rỗ. Điều tương tự cũng xảy ra khi chỉ đơn giản là xử lý sự nhiễm bẩn từ đường ống. Ngoài ra, khi các giọt nước muối bay hơi, các tinh thể muối ướt hình thành trên đường ống cũng làm điều tương tự để bảo vệ lớp oxit và có thể dẫn đến ăn mòn rỗ. Để ngăn ngừa các loại nhiễm bẩn này, hãy giữ cho đường ống của bạn sạch sẽ bằng cách thường xuyên xả chúng bằng nước sạch.
Hình 1 – Ống thép không gỉ 316/316L bị nhiễm bẩn bởi axit, nước muối và các chất cặn khác rất dễ bị ăn mòn rỗ.
Ăn mòn khe hở. Trong hầu hết các trường hợp, ăn mòn rỗ có thể dễ dàng được người vận hành nhận biết. Tuy nhiên, ăn mòn khe hở không dễ phát hiện và gây ra rủi ro lớn hơn cho người vận hành và nhân viên. Nó thường xảy ra trên các đường ống có không gian hẹp giữa các vật liệu xung quanh, chẳng hạn như các đường ống được giữ cố định bằng kẹp hoặc các đường ống được lắp đặt sát nhau. Khi nước muối thấm vào khe hở, một dung dịch sắt(III) clorua (FeCl3) có tính axit mạnh sẽ hình thành trong khu vực theo thời gian và gây ra hiện tượng ăn mòn khe hở nhanh hơn (Hình 2). Vì bản thân các khe hở làm tăng nguy cơ ăn mòn, nên ăn mòn khe hở có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với ăn mòn rỗ.
Hình 2 – Ăn mòn khe hở có thể phát triển giữa ống và giá đỡ ống (trên) và khi ống được lắp đặt gần các bề mặt khác (dưới) do sự hình thành dung dịch sắt(III) clorua có tính axit mạnh trong khe hở.
Ăn mòn khe hở thường bắt đầu bằng hiện tượng ăn mòn rỗ trong khe hở hình thành giữa một đoạn ống và kẹp đỡ ống. Tuy nhiên, do nồng độ Fe++ tăng lên trong chất lỏng bên trong vết nứt, miệng hố ban đầu ngày càng lớn cho đến khi bao phủ toàn bộ vết nứt. Cuối cùng, ăn mòn khe hở có thể làm thủng ống.
Các vết nứt nhỏ là nguy cơ ăn mòn cao nhất. Do đó, các kẹp ống quấn quanh hầu hết chu vi của ống có xu hướng gây ra nguy cơ cao hơn so với các kẹp hở, giúp giảm thiểu diện tích tiếp xúc giữa ống và kẹp. Kỹ thuật viên bảo trì có thể giúp giảm khả năng ăn mòn khe hở gây hư hỏng hoặc sự cố bằng cách thường xuyên mở các kẹp và kiểm tra bề mặt ống xem có bị ăn mòn hay không.
Cách tốt nhất để ngăn ngừa ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở là lựa chọn hợp kim kim loại phù hợp cho ứng dụng. Người thiết kế cần thận trọng khi lựa chọn vật liệu đường ống tối ưu để giảm thiểu rủi ro ăn mòn dựa trên môi trường hoạt động, điều kiện quy trình và các biến số khác.
Để giúp các nhà thiết kế tối ưu hóa việc lựa chọn vật liệu, họ có thể so sánh giá trị PREN của các kim loại để xác định khả năng chống ăn mòn cục bộ của chúng. PREN có thể được tính toán từ thành phần hóa học của hợp kim, bao gồm hàm lượng crom (Cr), molypden (Mo) và nitơ (N), như sau:
Độ bền ăn mòn PREN tăng lên cùng với hàm lượng các nguyên tố chống ăn mòn như crom, molypden và nitơ trong hợp kim. Mối quan hệ giữa PREN và nhiệt độ ăn mòn rỗ tới hạn (CPT) – nhiệt độ thấp nhất mà tại đó hiện tượng ăn mòn rỗ được quan sát – đối với các loại thép không gỉ khác nhau liên quan đến thành phần hóa học. Về cơ bản, PREN tỷ lệ thuận với CPT. Do đó, giá trị PREN càng cao thì khả năng chống ăn mòn rỗ càng tốt. Một sự tăng nhỏ trong PREN chỉ tương đương với một sự tăng nhỏ trong CPT so với hợp kim, trong khi sự tăng lớn trong PREN cho thấy sự cải thiện đáng kể về hiệu suất ở CPT cao hơn đáng kể.
Bảng 1 so sánh giá trị PREN của các hợp kim khác nhau thường được sử dụng trong các ứng dụng dầu khí ngoài khơi. Bảng này cho thấy cách lựa chọn hợp kim ống có chất lượng cao hơn có thể cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn. Giá trị PREN chỉ tăng nhẹ khi chuyển từ thép không gỉ 316 sang 317. Để đạt được hiệu suất tăng đáng kể, nên sử dụng thép không gỉ siêu austenit 6 Mo hoặc thép không gỉ siêu song pha 2507.
Nồng độ niken (Ni) cao hơn trong thép không gỉ cũng giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn. Tuy nhiên, hàm lượng niken trong thép không gỉ không phải là một phần của phương trình PREN. Trong mọi trường hợp, việc chỉ định thép không gỉ có nồng độ niken cao hơn thường có lợi, vì nguyên tố này giúp tái tạo lớp thụ động trên các bề mặt có dấu hiệu ăn mòn cục bộ. Niken ổn định austenit và ngăn ngừa sự hình thành mactenxit khi uốn hoặc kéo nguội ống cứng 1/8 inch. Mactenxit là một pha tinh thể không mong muốn trong kim loại, làm giảm khả năng chống ăn mòn cục bộ cũng như nứt do ứng suất gây ra bởi clorua của thép không gỉ. Hàm lượng niken cao hơn, ít nhất 12% trong thép 316/316L, cũng được ưa chuộng cho các ứng dụng liên quan đến khí hydro áp suất cao. Nồng độ niken tối thiểu cần thiết cho thép không gỉ 316/316L theo tiêu chuẩn ASTM là 10%.
Ăn mòn cục bộ có thể xảy ra ở bất kỳ vị trí nào trên các đường ống được sử dụng trong môi trường biển. Tuy nhiên, ăn mòn rỗ dễ xảy ra hơn ở những khu vực đã bị ô nhiễm, trong khi ăn mòn khe hở dễ xảy ra hơn ở những khu vực có khe hở hẹp giữa đường ống và các phụ kiện lắp đặt. Sử dụng PREN làm cơ sở, người thiết kế có thể lựa chọn hợp kim ống tốt nhất để giảm thiểu rủi ro của bất kỳ loại ăn mòn cục bộ nào.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng còn có các yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến nguy cơ ăn mòn. Ví dụ, nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng chống rỗ của thép không gỉ. Đối với khí hậu biển nóng, nên xem xét nghiêm túc ống thép không gỉ siêu austenit molypden 6 hoặc thép không gỉ siêu song pha 2507 vì những vật liệu này có khả năng chống ăn mòn cục bộ và nứt do ứng suất clorua tuyệt vời. Đối với khí hậu mát hơn, ống 316/316L có thể đủ dùng, đặc biệt nếu đã có lịch sử sử dụng thành công.
Các chủ sở hữu và nhà điều hành giàn khoan ngoài khơi cũng có thể thực hiện các bước để giảm thiểu rủi ro ăn mòn sau khi lắp đặt đường ống. Họ nên giữ cho các đường ống sạch sẽ và thường xuyên xả nước ngọt để giảm nguy cơ ăn mòn rỗ. Họ cũng nên yêu cầu kỹ thuật viên bảo trì mở các kẹp ống trong các cuộc kiểm tra định kỳ để tìm kiếm sự hiện diện của ăn mòn khe hở.
Bằng cách tuân thủ các bước nêu trên, chủ sở hữu và người vận hành giàn khoan có thể giảm thiểu rủi ro ăn mòn đường ống và rò rỉ liên quan trong môi trường biển, cải thiện an toàn và hiệu quả, đồng thời giảm nguy cơ thất thoát sản phẩm hoặc phát thải khí độc hại.
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok Company.He can be reached at bradley.bollinger@swagelok.com.
Tạp chí Công nghệ Dầu khí (Journal of Petroleum Technology) là ấn phẩm hàng đầu của Hiệp hội Kỹ sư Dầu khí (Society of Petroleum Engineers), cung cấp các bài viết và thông tin chuyên sâu về những tiến bộ trong công nghệ thăm dò và khai thác, các vấn đề của ngành công nghiệp dầu khí, và tin tức về SPE và các thành viên của hiệp hội.