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 phải chịu nhiều loại ăn mòn khác nhau trong suốt vòng đời sử dụng. 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 thiểu rủi ro 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 các thiết bị đo lường và thiết bị điều khiển quy trình để đảm bảo rằng sự ăn mòn không đe dọa đến tính toàn vẹn của hệ thống đường ống đã lắp đặt hoặc 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 dẫn dầu 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 tăng lên khi nhiệt độ hoạt động của ứng dụng tăng. Nhiệt độ cao có thể đẩy nhanh quá trình xuống cấp của lớp màng oxit thụ động bảo vệ bên ngoài ống, từ đó thúc đẩy sự hình thành các vết rỗ.
Thật không may, hiện tượng 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. Trước những rủi ro này, chủ sở hữu, nhà điều hành và người được ủy quyền của giàn khoan phải hết sức thận trọng trong việc 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 chọn 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 ống thép không gỉ 316 khi lớp màng oxit thụ động giàu crom bên ngoài của kim loại bị phá vỡ do tiếp xúc với các chất lỏng ăn mòn, bao gồm cả nước mặn. Môi trường biển giàu clorua, 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 xảy ra khi lớp màng thụ động trên một đoạn ống bị phá vỡ, 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, kết quả là sắt trong kim loại bị hòa tan trong 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 tăng lên, có thể dẫn đến thủng thành ống và gây rò rỉ.
Ống dễ bị ăn mòn rỗ hơn nếu bề mặt ngoài bị nhiễm bẩn (Hình 1). Ví dụ, các chất gây ô nhiễm từ quá trình 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 ô nhiễm từ đường ống. Ngoài ra, khi các giọt muối bay hơi, các tinh thể muối ướt hình thành trên ống sẽ bảo vệ lớp oxit và có thể dẫn đến ăn mòn rỗ. Để ngăn ngừa các loại ô nhiễm này, hãy giữ cho đường ống sạch sẽ bằng cách xả nước sạch thường xuyên.
Hình 1. Ống thép không gỉ 316/316L bị nhiễm bẩn bởi axit, 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 phát hiện bởi người vận hành. 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 khe hở hẹp giữa các vật liệu xung quanh, chẳng hạn như các đường ống được giữ cố định bằng kẹp hoặc các đường ống được xếp sát nhau. Khi nước muối thấm vào khe hở, theo thời gian, một dung dịch sắt(III) clorua (FeCl3) có tính axit mạnh sẽ được hình thành trong khu vực này, làm tăng tốc độ ăn mòn khe hở (Hình 2). Vì bản thân 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 clorua sắt có tính axit mạnh trong khe hở.
Ăn mòn khe hở thường bắt đầu bằng hiện tượng rỗ bề mặt trong khe hở hình thành giữa đoạn ống và vòng đỡ ống. Tuy nhiên, do nồng độ Fe++ trong chất lỏng bên trong vết nứt tăng lên, phễu ban đầu ngày càng lớn dần cho đến khi bao phủ toàn bộ vết nứt. Cuối cùng, ăn mòn khe hở có thể dẫn đến thủng ống.
Các vết nứt dày đặc tiềm ẩn nguy cơ ăn mòn cao nhất. Do đó, các kẹp ống bao quanh một phần lớn chu vi ống thường có nguy cơ cao hơn so với các kẹp hở, giúp giảm thiểu diện tích tiếp xúc giữa ống và kẹp. Kỹ thuật viên bảo dưỡng có thể giúp giảm nguy cơ hư hỏng hoặc sự cố do ăn mòn khe hở bằng cách thường xuyên mở các kẹp và kiểm tra bề mặt ống xem có bị ăn mòn hay không.
Có thể ngăn ngừa ăn mòn rỗ và ăn mòn khe hở bằng cách lựa chọn hợp kim kim loại phù hợp cho ứng dụng. Người thiết kế phải hết sức cẩn trọng trong việc lựa chọn vật liệu đường ống tối ưu để giảm thiểu rủi ro ăn mòn tùy thuộc vào môi trường, điều kiện vận hành 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:
Chỉ số PREN tăng lên khi hàm lượng các nguyên tố chống ăn mòn như crom, molypden và nitơ trong hợp kim tăng. Tỷ lệ PREN dựa trên nhiệt độ rỗ tới hạn (CPT) – nhiệt độ thấp nhất mà tại đó hiện tượng rỗ xảy ra – đối với các loại thép không gỉ khác nhau tùy thuộc vào thành phần hóa học. Về cơ bản, PREN tỷ lệ thuận với CPT. Do đó, giá trị PREN càng cao thì khả năng chống 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 ngành công nghiệp dầu khí ngoài khơi. Bảng này cho thấy việc lựa chọn hợp kim ống chất lượng cao hơn có thể cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn. Giá trị PREN tăng nhẹ từ thép không gỉ 316 đến 317. Thép không gỉ siêu Austenit 6 Mo hoặc thép không gỉ siêu Duplex 2507 là 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, việc lựa chọn thép không gỉ có hàm lượng niken cao hơn thường mang lại lợi ích, 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 mactenit khi uốn hoặc kéo nguội ống cứng 1/8 inch. Mactenit 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 rất cần thiết cho các ứng dụng khí hydro áp suất cao. Nồng độ niken tối thiểu cần thiết cho thép không gỉ ASTM 316/316L 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 thiết bị lắp đặt. Dựa trên tiêu chuẩn PREN, 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 có những yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến nguy cơ ăn mòn. Ví dụ, nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng chống rỗ bề mặt của thép không gỉ. Đối với khí hậu biển nóng, nên xem xét nghiêm túc việc sử dụng ống thép siêu austenit 6 molypden hoặc ống thép không gỉ siêu song pha 2507 vì những vật liệu này có khả năng chống ăn mòn cục bộ và nứt do clorua rất tốt. Đối với khí hậu mát hơn, ống 316/316L có thể đủ dùng, đặc biệt nếu đã được sử dụng thành công trong quá khứ.
Các chủ sở hữu và nhà điều hành giàn khoan ngoài khơi cũng có thể thực hiện các biện pháp để giảm thiểu rủi ro ăn mòn sau khi đường ống đã được lắp đặt. Họ nên giữ cho các đường ống sạch sẽ và thường xuyên xả nước ngọt để giảm nguy cơ rỗ bề mặt. Họ cũng nên yêu cầu kỹ thuật viên bảo trì mở các kẹp ống trong các đợt kiểm tra định kỳ để kiểm tra hiện tượng 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 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. He can be contacted at bradley.bollinger@swagelok.com.
Tạp chí Công nghệ Dầu khí (Journal of Petroleum Technology) là tạp chí hàng đầu của Hiệp hội Kỹ sư Dầu khí (Society of Petroleum Engineers), đăng tải các bài tóm tắt và bài viết chuyên sâu về những tiến bộ trong công nghệ khai thác thượng nguồn, các vấn đề của ngành công nghiệp dầu khí, và tin tức về SPE và các thành viên của hiệp hội.