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 phải chịu nhiều loại ăn mòn khác nhau trong suốt thời gian sử dụng dự kiến ​​của chúng. Sự ăn mòn này có thể dẫn đến phát thải không kiểm soát, 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 ngay từ đầu để có khả năng chống ăn mòn tốt hơn. Sau đó, họ phải luôn cảnh giác khi kiểm tra các đường ống phun hóa chất, đường ống thủy lực và xung lực, cũng như thiết bị đo lường và thiết bị đo lường quy trình để đảm bảo rằng sự ăn mòn không đe dọa đến tính toàn vẹn của đường ống đã lắp đặt hoặc gây ảnh hưởng đến sự an toàn.
Ăn mòn cục bộ có thể được tìm thấy trên nhiều giàn khoan, tàu, tàu và đường ống 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 khiến chất lỏng bị giải phóng.
Nguy cơ ăn mòn tăng lên khi nhiệt độ hoạt động của ứng dụng tăng lên. Nhiệt có thể đẩy nhanh quá trình phân hủy lớp màng oxit thụ động bảo vệ bên ngoài của ống, do đó thúc đẩy quá trình rỗ.
Thật không may, ăn mòn rỗ cục bộ và ăn mòn khe hở rất khó phát hiện, khiến việc xác định, dự đoán và thiết kế các loại ăn mòn này trở nên khó khăn. Với những rủi ro này, chủ sở hữu, người vận hành và người được chỉ định của nền tảng phải 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 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 vùng nhỏ so với ăn mòn chung, ăn mòn 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 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 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 Rỗ ăn mòn xảy ra khi lớp màng thụ động trên một đoạn ống bị phá vỡ, tạo thành các lỗ rỗng hoặc lỗ nhỏ trên bề mặt ống. Các lỗ rỗng như vậy có khả năng phát triển khi các phản ứng điện hóa diễn ra, kết quả là sắt trong kim loại hòa tan trong dung dịch ở đáy lỗ rỗng. Sắt hòa tan sau đó sẽ khuếch tán lên đỉnh lỗ rỗng và bị oxy hóa tạo thành oxit sắt hoặc rỉ sét. Khi lỗ rỗng sâu hơn, các phản ứng điện hóa tăng tốc, ăn mòn tăng lên, có thể dẫn đến thủng thành ống và dẫn đến rò rỉ.
Ống dễ bị rỗ hơn nếu bề mặt ngoài của chúng bị nhiễm bẩn (Hình 1). Ví dụ, chất gây ô nhiễm từ hoạt động hàn và mài có thể làm hỏng lớp oxit thụ động của ống, do đó hình thành và đẩy nhanh quá trình rỗ. Tương tự như vậy đối với việc xử lý ô nhiễm từ ống. Ngoài ra, khi các giọt muối bốc hơi, các tinh thể muối ướt hình thành trên ống sẽ bảo vệ lớp oxit và có thể dẫn đến rỗ. Để ngăn ngừa các loại ô nhiễm này, hãy giữ cho ống sạch sẽ bằng cách xả chúng thường xuyên bằng nước sạch.
Hình 1. Ống thép không gỉ 316/316L bị nhiễm axit, nước muối và các chất cặn khác rất dễ bị rỗ.
Ăn mòn khe hở. Trong hầu hết các trường hợp, người vận hành có thể dễ dàng phát hiện ra 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. Điều này 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 đóng chặt cạnh nhau. Khi nước muối thấm vào khe hở, theo thời gian, dung dịch sắt clorua axit hóa mạnh (FeCl3) được hình thành trong khu vực này, gây ra sự ăn mòn nhanh hơn ở khe hở (Hình 2). Vì bản chất ăn mòn 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 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 axit hóa học có tính ăn mòn của sắt (III) clorua trong khe hở.
Ăn mòn khe hở thường mô phỏng hiện tượng rỗ đầu tiên ở khe hở hình thành giữa phần ống và cổ ống đỡ. Tuy nhiên, do nồng độ Fe++ trong chất lỏng bên trong vết nứt tăng lên, phễu ban đầu ngày càng lớn hơn cho đến khi nó bao phủ toàn bộ vết nứt. Cuối cùng, ăn mòn khe hở có thể dẫn đến thủng ống.
Các vết nứt dày đặc thể hiện nguy cơ ăn mòn lớn nhất. Do đó, kẹp ống bao quanh phần lớn chu vi của ống có xu hướng rủi ro hơn kẹp hở, giúp giảm thiểu bề mặt tiếp xúc giữa ống và kẹp. Kỹ thuật viên dịch vụ có thể giúp giảm nguy cơ hư hỏng hoặc hỏng hóc do ăn mòn khe hở bằng cách thường xuyên mở đồ đạc và kiểm tra bề mặt ống để tìm sự ăn mòn.
Có thể ngăn ngừa ăn mòn rỗ và khe hở bằng cách chọn đúng hợp kim kim loại cho ứng dụng cụ thể. Người chỉ định phải thực hiện thẩm định cần thiết khi lựa chọn vật liệu đường ống tối ưu để giảm thiểu rủi ro ăn mòn, tùy thuộc vào môi trường vận hành, điều kiện quy trình và các biến số khác.
Để giúp các nhà chỉ định tối ưu hóa lựa chọn vật liệu của mình, 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. Tỷ lệ PREN dựa trên nhiệt độ rỗ tới hạn (CPT) – nhiệt độ thấp nhất xảy ra rỗ – đối với nhiều loại thép không gỉ tùy thuộc vào 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 biểu thị sự cải thiện đáng kể về hiệu suất so với CPT cao hơn nhiều.
Bảng 1 so sánh các giá trị PREN cho nhiều hợp kim thường được sử dụng trong ngành 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 chất lượng cao hơn. PREN tăng nhẹ từ 316 SS lên 317 SS. Super Austenitic 6 Mo SS hoặc Super Duplex 2507 SS lý tưởng để tăng hiệu suất đáng kể.
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 chọn thép không gỉ có hàm lượng niken cao hơn, vì nguyên tố này giúp thụ động hóa lại các bề mặt có dấu hiệu ăn mòn cục bộ. Niken ổn định austenit và ngăn ngừa sự hình thành martensite khi uốn hoặc kéo nguội ống cứng 1/8. Martensite 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 thép 316/316L cũng mong muốn cho các ứng dụng khí hydro áp suất cao. Nồng độ niken tối thiểu bắt buộc đối với thép không gỉ ASTM 316/316L là 10%.
Ăn mòn cục bộ có thể xảy ra ở bất kỳ vị trí nào trong đường ống được sử dụng trong môi trường biển. Tuy nhiên, 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 khoảng cách hẹp giữa đường ống và thiết bị lắp đặt. Sử dụng PREN làm cơ sở, người chỉ định có thể chọn loại ống tốt nhất để giảm thiểu rủi ro của bất kỳ loại ăn mòn cục bộ nào.
Tuy nhiên, hãy nhớ rằng có những biến số 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 hàng hải nóng, nên cân nhắc nghiêm túc đến ống thép siêu austenit 6 molypden hoặc ống thép không gỉ siêu duplex 2507 vì những vật liệu này có khả năng chống ăn mòn cục bộ và nứt clorua tuyệt vời. Đối với khí hậu mát hơn, ống 316/316L có thể đủ, đặc biệt là nếu 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 thường xuyên xả bằng nước sạch để giảm rủi ro rỗ. Họ cũng nên yêu cầu các kỹ thuật viên bảo trì mở kẹp trong quá trình kiểm tra định kỳ để kiểm tra tình trạng ăn mòn khe hở.
Bằng cách thực hiện các bước trên, chủ sở hữu và người vận hành giàn khoan có thể giảm nguy cơ ăn mòn đường 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 thải không mong muốn.
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok. He can be contacted at bradley.bollinger@swagelok.com.
Tạp chí Công nghệ Dầu khí, tạp chí hàng đầu của Hiệp hội Kỹ sư Dầu khí, cung cấp các bài viết và tóm tắt có thẩm quyền về những tiến bộ trong công nghệ thượng nguồn, các vấn đề trong ngành dầu khí và tin tức về SPE và các thành viên.