Mặc dù ống thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn vốn có, nhưng ống thép không gỉ được lắp đặt trong môi trường biển vẫn gặp phải các loại ăn mòn khác nhau trong suốt thời gian sử dụng dự kiến. Sự ăn mòn này có thể dẫn đến khí thải phát tán, mất sản phẩm và các rủi ro tiềm ẩn. Chủ sở hữu và người vận hành giàn khoan ngoài khơi có thể giảm nguy cơ ăn mòn bằng cách chỉ định vật liệu ống chắc hơn, có khả năng chống ăn mòn tốt hơn. Sau đó, họ phải luôn cảnh giác khi kiểm tra hệ thống phun 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 đường ống đã lắp đặt và gây ảnh hưởng đến an toàn.
Ăn mòn cục bộ có thể được tìm thấy trên nhiều giàn khoan, tàu, thuyền và đường ống trong các cơ sở ngoài khơi. Ăn mòn này có thể ở dạng 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 lớn hơn khi nhiệt độ vận hành của ứng dụng tăng lên. Nhiệt có thể đẩy nhanh quá trình phá hủy lớp màng oxit thụ động bảo vệ bên ngoài của ống, do đó thúc đẩy quá trình hình thành ăn mòn rỗ.
Thật không may, ăn mòn rỗ cục bộ và ăn mòn khe hở có thể khó phát hiện, khiến các loại ăn mòn này khó xác định, dự đoán và thiết kế hơn. Với những rủi ro này, chủ sở hữu, người vận hành và người được chỉ định của nền tảng nên 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 của họ chống lại sự ăn mòn, vì vậy việc lựa chọn đúng là rất quan trọng. May mắn thay, họ có thể lựa chọn bằng cách sử dụng một biện pháp rất đơn giản nhưng rất hiệu quả để đánh giá khả năng chống ăn mòn cục bộ, đó là Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN). Giá trị PREN của kim loại càng cao thì khả năng chống ăn mòn cục bộ của kim loại đó càng cao.
Bài viết này sẽ xem xét cách xác định hiện tượng ăn mòn rỗ và 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 so với ăn mòn chung, diễn ra đồng đều hơn trên bề mặt kim loại. Ăn mòn rỗ và khe hở bắt đầu hình thành trên ống thép không gỉ 316 khi lớp màng oxit thụ động giàu crom bên ngoài của kim loại bị vỡ do tiếp xúc với chất lỏng ăn mòn, bao gồm cả nước muối. Môi trường biển ngoài khơi và trên bờ giàu clorua, cũng như nhiệt độ cao và thậm chí là ô nhiễm bề mặt ống, làm tăng khả năng phân hủy lớp màng thụ động này.
rỗ. Ăn mòn rỗ xảy ra khi lớp màng thụ động trên một đoạn ống bị phá hủy, tạo thành các lỗ rỗng hoặc rỗ nhỏ trên bề mặt ống. Các lỗ rỗ như vậy 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 lỗ rỗ. Sắt hòa tan sau đó sẽ khuếch tán về phía trên của lỗ rỗ và bị oxy hóa tạo thành oxit sắt hoặc rỉ sét. Khi lỗ rỗ sâu hơn, các phản ứng điện hóa tăng tốc, sự ăn mòn tăng cường và có thể dẫn đến thủng thành ống và dẫn đến rò rỉ.
Ống dễ bị ăn mòn rỗ hơn khi bề mặt ngoài của ống bị nhiễm bẩn (Hình 1). Ví dụ, 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. Tương tự như vậy đối với việc xử lý đơn giản tình trạng nhiễm bẩn từ ống. Ngoài ra, khi các giọt nước muối bốc hơi, các tinh thể muối ướt hình thành trên ống cũng làm như vậy 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 axit, nước muối và các chất cặn khác rất dễ bị ăn mòn rỗ.
Ăn mòn khe hở. Trong hầu hết các trường hợp, người vận hành có thể dễ dàng xác định được rỗ. 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 khoảng cách 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 chặt cạnh nhau. Khi nước muối thấm vào khe hở, một dung dịch sắt clorua axit hóa (FeCl3) có tính ăn mòn hóa học mạnh sẽ hình thành trong khu vực theo thời gian và gây ra sự 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 (phía trên) và khi ống được lắp đặt gần các bề mặt khác (phía dưới) do sự hình thành dung dịch sắt clorua có tính axit hóa mạnh trong khe hở.
Ăn mòn khe hở thường mô phỏng ăn mòn rỗ đầu tiên ở khe hở hình thành giữa chiều dài ống và kẹp đỡ ống. Tuy nhiên, do nồng độ Fe++ trong chất lỏng bên trong vết nứt ngày càng tăng, hố lõm ban đầu sẽ ngày càng lớn hơn cho đến khi bao phủ toàn bộ vết nứt. Cuối cùng, ăn mòn khe hở có thể làm thủng ống.
Các vết nứt chặt là nguy cơ ăn mòn lớn nhất. Do đó, kẹp ống bao quanh hầu hết chu vi của ống có xu hướng gây ra rủi ro lớn hơn kẹp hở, loại kẹp này giảm thiểu bề mặt tiếp xúc giữa ống và kẹp. Các kỹ thuật viên bảo trì có thể giúp giảm khả năng ăn mòn khe hở gây ra hư hỏng hoặc hỏng hóc bằng cách thường xuyên mở kẹp và kiểm tra bề mặt ống để tìm tình trạng ăn mòn.
Có thể ngăn ngừa tốt nhất hiện tượng rỗ và ăn mòn khe hở bằng cách chọn đúng hợp kim kim loại cho ứng dụng. Người thiết kế nên thực hiện thẩm định cần thiết để lựa chọn vật liệu đường ống tối ưu nhằm giảm thiểu rủi ro ăn mòn dựa trên môi trường vận hành, điều kiện quy trình và các biến số khác.
Để giúp người soạn thảo tối ưu hóa việc lựa chọn vật liệu, họ có thể so sánh các giá trị PREN của 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:
PREN tăng theo hàm lượng các nguyên tố chống ăn mòn crom, molypden và nitơ trong hợp kim. Mối quan hệ PREN dựa trên nhiệt độ rỗ tới hạn (CPT) – nhiệt độ thấp nhất mà tại đó quan sát thấy hiện tượng ăn mòn rỗ – đối với nhiều loại thép không gỉ liên quan đến thành phần hóa học. Về cơ bản, PREN tỷ lệ thuận với CPT. Do đó, giá trị PREN cao hơn biểu thị khả năng chống rỗ cao hơn. Một sự gia tăng nhỏ trong PREN chỉ tương đương với một sự gia tăng nhỏ trong CPT so với hợp kim, trong khi một sự gia tăng lớn trong PREN cho thấy sự cải thiện đáng kể về hiệu suất đối với CPT cao hơn đáng kể.
Bảng 1 so sánh các giá trị PREN của nhiều hợp kim thường được sử dụng trong các ứng dụng dầu khí ngoài khơi. Bảng này cho thấy cách thông số kỹ thuật có thể cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn bằng cách lựa chọn hợp kim ống cấp cao hơn. PREN chỉ tăng nhẹ khi chuyển từ thép không gỉ 316 sang 317. Để tăng hiệu suất đáng kể, lý tưởng nhất là sử dụng thép không gỉ siêu austenit 6 Mo hoặc thép không gỉ siêu song công 2507.
Nồng độ niken (Ni) cao hơn trong thép không gỉ cũng làm tăng 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, thường có lợi khi chỉ định thép không gỉ có nồng độ niken cao hơn, vì nguyên tố này giúp thụ động lại các bề mặt có dấu hiệu ăn mòn cục bộ. Niken ổn định austenit và ngăn ngừa sự hình thành martensit khi uốn hoặc kéo nguội ống cứng 1/8. Martensit là pha tinh thể không mong muốn trong kim loại làm giảm khả năng chống ăn mòn cục bộ của thép không gỉ cũng như nứt ứng suất do clorua gây ra. Hàm lượng niken cao hơn ít nhất 12% trong 316/316L cũng mong muốn cho các ứng dụng liên quan đến khí hydro áp suất cao. Nồng độ niken tối thiểu bắt buộc đối với thép không gỉ 316/316L trong thông số kỹ thuật tiêu chuẩn ASTM là 10%.
Ăn mòn cục bộ có thể xảy ra ở bất kỳ vị trí nào trên đường ống được sử dụng trong môi trường biển. Tuy nhiên, ăn mòn rỗ có nhiều khả năng xảy ra ở những khu vực đã bị ô nhiễm, trong khi ăn mòn khe hở có nhiều khả năng xảy ra ở những khu vực có khe hở hẹp giữa đường ống và phần cứng lắp. Sử dụng PREN làm cơ sở, người chỉ định có thể lựa chọn hợp kim ống tốt nhất để giảm thiểu rủi ro xảy ra bất kỳ loại ăn mòn cục bộ nào.
Tuy nhiên, hãy nhớ rằng có những biến số khác có thể ảnh hưởng đến rủi ro ăn mòn. Ví dụ, nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng chống rỗ của thép không gỉ. Đối với khí hậu biển nóng, nên cân nhắc nghiêm túc ống thép không gỉ siêu austenit 6 molypden hoặc siêu duplex 2507 vì những vật liệu này có khả năng chống ăn mòn cục bộ và nứt ứng suất clorua tuyệt vời. Đối với khí hậu mát hơn, ống 316/316L có thể đủ, đặc biệt nếu đã có lịch sử sử dụng thành công.
Chủ sở hữu và người vận hành giàn khoan ngoài khơi cũng có thể thực hiện các bước để giảm thiểu rủi ro ăn mòn sau khi lắp đặt ống. Họ nên giữ cho đường ống sạch sẽ và xả nước sạch thường xuyên để giảm rủi ro ăn mòn rỗ. Họ cũng nên yêu cầu các kỹ thuật viên bảo trì mở kẹp ống trong quá trình kiểm tra định kỳ để tìm kiếm sự hiện diện của ăn mòn khe hở.
Thực hiện theo các bước nêu trên, chủ sở hữu và người vận hành giàn khoan có thể giảm nguy cơ ăn mòn ống và rò rỉ liên quan trong môi trường biển, cải thiện tính an toàn và hiệu quả, đồng thời giảm nguy cơ mất sản phẩm hoặc phát tán khí thải.
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 là tạp chí hàng đầu của Hiệp hội Kỹ sư Dầu khí, cung cấp các thông tin tóm tắt và chuyên mục có thẩm quyền về những tiến bộ trong công nghệ thăm dò và sản xuất, các vấn đề của ngành dầu khí và tin tức về SPE và các thành viên.