Trotz der inhärenten Korrosionsbeständigkeit von Edelstahlrohren unterliegen in Meeresumgebungen installierte Edelstahlrohre während ihrer erwarteten Lebensdauer verschiedenen Korrosionsarten. Diese Korrosion kann zu flüchtigen Emissionen, Produktverlusten und potenziellen Risiken führen. Eigentümer und Betreiber von Offshore-Plattformen können das Korrosionsrisiko durch die Wahl robusterer Rohrmaterialien mit besserer Korrosionsbeständigkeit verringern. Anschließend müssen sie bei der Inspektion von Chemikalieneinspritzleitungen, Hydraulik- und Impulsleitungen sowie Prozessinstrumentierung und -ausrüstung wachsam sein, um sicherzustellen, dass Korrosion die Integrität der installierten Rohrleitungen nicht gefährdet oder die Sicherheit beeinträchtigt.
Lokale Korrosion findet sich auf vielen Plattformen, Schiffen und Offshore-Pipelines. Diese Korrosion kann in Form von Lochfraß oder Spaltkorrosion auftreten, die die Rohrwand erodieren und zum Austreten von Flüssigkeit führen können.
Das Korrosionsrisiko steigt mit der Betriebstemperatur der Anwendung. Hitze kann den Abbau der äußeren passiven Oxidschutzschicht des Rohrs beschleunigen und so Lochfraß begünstigen.
Lokale Lochfraß- und Spaltkorrosion sind leider schwer zu erkennen, was die Identifizierung, Vorhersage und Planung dieser Korrosionsarten erschwert. Angesichts dieser Risiken müssen Plattformbesitzer, -betreiber und -beauftragte bei der Auswahl des optimalen Pipeline-Materials für ihre Anwendung sorgfältig vorgehen. Die richtige Materialauswahl ist ihre erste Verteidigungslinie gegen Korrosion, daher ist sie von entscheidender Bedeutung. Glücklicherweise gibt es ein sehr einfaches, aber sehr effektives Maß für die lokale Korrosionsbeständigkeit: die Pitting Resistance Equivalent Number (PREN). Je höher der PREN-Wert eines Metalls, desto höher seine Beständigkeit gegen lokale Korrosion.
In diesem Artikel wird erläutert, wie Lochfraß und Spaltkorrosion erkannt werden und wie die Auswahl des Rohrmaterials für Offshore-Öl- und Gasanwendungen anhand des PREN-Werts des Materials optimiert werden kann.
Lokale Korrosion tritt in kleinen Bereichen auf, im Gegensatz zur allgemeinen Korrosion, die gleichmäßiger über die gesamte Metalloberfläche verteilt ist. Lochfraß und Spaltkorrosion bilden sich an Rohren aus Edelstahl 316, wenn die äußere, chromreiche, passive Oxidschicht des Metalls durch den Kontakt mit korrosiven Flüssigkeiten, einschließlich Salzwasser, zerfällt. Chloridreiche Meeresumgebungen sowie hohe Temperaturen und sogar Verunreinigungen der Rohroberfläche erhöhen die Wahrscheinlichkeit einer Verschlechterung dieser Passivierungsschicht.
Lochfraß: Lochfraßkorrosion entsteht, wenn die Passivierungsschicht eines Rohrabschnitts zerfällt und kleine Hohlräume oder Löcher auf der Rohroberfläche entstehen. Diese Löcher vergrößern sich im Verlauf elektrochemischer Reaktionen, wodurch sich das Eisen im Metall am Boden des Lochs löst. Das gelöste Eisen diffundiert dann an die Oberfläche des Lochs und oxidiert zu Eisenoxid oder Rost. Mit zunehmender Vertiefung des Lochs beschleunigen sich die elektrochemischen Reaktionen, die Korrosion nimmt zu, was zur Perforation der Rohrwand und zu Leckagen führen kann.
Rohre sind anfälliger für Lochfraß, wenn ihre Außenfläche verunreinigt ist (Abbildung 1). Beispielsweise können Verunreinigungen aus Schweiß- und Schleifvorgängen die passivierende Oxidschicht des Rohrs beschädigen und so Lochfraß verursachen und beschleunigen. Dasselbe gilt für die einfache Beseitigung von Rohrverschmutzung. Zudem schützen die verdunstenden Salztröpfchen die auf den Rohren gebildeten feuchten Salzkristalle die Oxidschicht und können Lochfraß verursachen. Um diese Art von Verunreinigungen zu vermeiden, halten Sie Ihre Rohre sauber, indem Sie sie regelmäßig mit Frischwasser spülen.
Abbildung 1. Mit Säure, Salzlösung und anderen Ablagerungen verunreinigte Edelstahlrohre 316/316L sind sehr anfällig für Lochfraß.
Spaltkorrosion. In den meisten Fällen kann Lochfraß vom Bediener leicht erkannt werden. Spaltkorrosion hingegen ist schwieriger zu erkennen und stellt ein größeres Risiko für Bediener und Personal dar. Sie tritt üblicherweise bei Rohren auf, die enge Spalten zwischen den umgebenden Materialien aufweisen, z. B. bei mit Schellen befestigten oder dicht aneinander liegenden Rohren. Wenn die Sole in die Spalte eindringt, bildet sich dort mit der Zeit eine chemisch aggressive, angesäuerte Eisenchloridlösung (FeCl3), die die Spaltkorrosion beschleunigt (Abb. 2). Da Spalten selbst das Korrosionsrisiko erhöhen, kann Spaltkorrosion bereits bei deutlich niedrigeren Temperaturen auftreten als Lochfraß.
Abbildung 2 – Spaltkorrosion kann zwischen dem Rohr und der Rohrhalterung (oben) sowie bei der Installation des Rohrs in der Nähe anderer Oberflächen (unten) aufgrund der Bildung einer chemisch aggressiven, säurehaltigen Eisenchloridlösung im Spalt entstehen.
Spaltkorrosion imitiert üblicherweise zunächst Lochfraß im Spalt zwischen Rohrabschnitt und Rohrstützkragen. Durch die zunehmende Fe++-Konzentration in der Flüssigkeit im Riss vergrößert sich der anfängliche Trichter jedoch immer mehr, bis er den gesamten Riss bedeckt. Spaltkorrosion kann schließlich zur Perforation des Rohrs führen.
Dichte Risse stellen das größte Korrosionsrisiko dar. Daher sind Rohrschellen, die einen größeren Teil des Rohrumfangs umfassen, tendenziell riskanter als offene Schellen, die die Kontaktfläche zwischen Rohr und Schelle minimieren. Servicetechniker können das Risiko von Schäden oder Ausfällen durch Spaltkorrosion verringern, indem sie die Schellen regelmäßig öffnen und die Rohroberfläche auf Korrosion prüfen.
Lochfraß und Spaltkorrosion lassen sich durch die Wahl der richtigen Metalllegierung für die jeweilige Anwendung verhindern. Planer müssen bei der Auswahl des optimalen Rohrmaterials sorgfältig vorgehen, um das Korrosionsrisiko je nach Prozessumgebung, Prozessbedingungen und anderen Variablen zu minimieren.
Um die Materialauswahl zu optimieren, können Planer die PREN-Werte von Metallen vergleichen, um deren Beständigkeit gegen lokale Korrosion zu bestimmen. PREN lässt sich aus der chemischen Zusammensetzung der Legierung, einschließlich ihres Chrom- (Cr), Molybdän- (Mo) und Stickstoffgehalts (N), wie folgt berechnen:
PREN steigt mit dem Gehalt der korrosionsbeständigen Elemente Chrom, Molybdän und Stickstoff in der Legierung. Das PREN-Verhältnis basiert auf der kritischen Lochfraßtemperatur (CPT) – der niedrigsten Temperatur, bei der Lochfraß auftritt – für verschiedene rostfreie Stähle in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung. PREN ist grundsätzlich proportional zur CPT. Höhere PREN-Werte weisen daher auf eine höhere Lochfraßbeständigkeit hin. Ein geringer Anstieg von PREN entspricht nur einem geringen Anstieg der CPT im Vergleich zur Legierung, während ein starker Anstieg von PREN eine deutliche Leistungsverbesserung gegenüber einer deutlich höheren CPT anzeigt.
Tabelle 1 vergleicht die PREN-Werte verschiedener Legierungen, die in der Offshore-Öl- und Gasindustrie häufig verwendet werden. Sie zeigt, wie die Spezifikation die Korrosionsbeständigkeit durch die Wahl einer höherwertigen Rohrlegierung deutlich verbessern kann. Der PREN-Wert steigt von 316 SS auf 317 SS leicht an. Super Austenitic 6 Mo SS oder Super Duplex 2507 SS eignen sich ideal für eine deutliche Leistungssteigerung.
Höhere Nickelkonzentrationen (Ni) in Edelstahl erhöhen ebenfalls die Korrosionsbeständigkeit. Der Nickelgehalt von Edelstahl ist jedoch nicht Teil der PREN-Gleichung. In jedem Fall ist es oft vorteilhaft, Edelstahl mit einem höheren Nickelgehalt zu wählen, da dieses Element hilft, Oberflächen mit Anzeichen lokaler Korrosion zu repassivieren. Nickel stabilisiert Austenit und verhindert die Martensitbildung beim Biegen oder Kaltziehen von 1/8-Rohr. Martensit ist eine unerwünschte kristalline Phase in Metallen, die die Beständigkeit von Edelstahl gegen lokale Korrosion sowie chloridinduzierte Spannungsrisse verringert. Der höhere Nickelgehalt von mindestens 12 % in 316/316L-Stahl ist auch für Hochdruck-Wasserstoffgasanwendungen wünschenswert. Die erforderliche Mindestnickelkonzentration für ASTM 316/316L-Edelstahl beträgt 10 %.
Lokale Korrosion kann überall an Rohren in Meeresumgebungen auftreten. Lochfraß tritt jedoch häufiger in bereits kontaminierten Bereichen auf, während Spaltkorrosion eher in Bereichen mit engen Spalten zwischen Rohr und Installationsgerät auftritt. Auf Grundlage von PREN kann der Planer die optimale Rohrlegierung auswählen, um das Risiko lokaler Korrosion zu minimieren.
Beachten Sie jedoch, dass es weitere Faktoren gibt, die das Korrosionsrisiko beeinflussen können. Beispielsweise beeinflusst die Temperatur die Lochfraßbeständigkeit von Edelstahl. Für heißes Meeresklima sollten Rohre aus superaustenitischem 6-Molybdän-Stahl oder Superduplex-Edelstahl 2507 ernsthaft in Betracht gezogen werden, da diese Materialien eine hervorragende Beständigkeit gegen lokale Korrosion und Chloridrissbildung aufweisen. Für kühlere Klimazonen kann ein Rohr aus 316/316L ausreichend sein, insbesondere wenn es bereits erfolgreich eingesetzt wurde.
Eigentümer und Betreiber von Offshore-Plattformen können auch nach der Installation von Rohrleitungen Maßnahmen ergreifen, um das Korrosionsrisiko zu minimieren. Sie sollten die Rohre sauber halten und regelmäßig mit Frischwasser spülen, um das Risiko von Lochfraß zu verringern. Wartungstechniker sollten außerdem bei Routineinspektionen die Rohrschellen öffnen, um auf Spaltkorrosion zu prüfen.
Durch Befolgen der oben genannten Schritte können Plattformbesitzer und -betreiber das Risiko von Rohrkorrosion und damit verbundenen Lecks in der Meeresumwelt verringern, die Sicherheit und Effizienz verbessern und die Wahrscheinlichkeit von Produktverlusten oder diffusen Emissionen reduzieren.
Brad Bollinger is the Oil and Gas Marketing Manager for Swagelok. He can be contacted at bradley.bollinger@swagelok.com.
Das Journal of Petroleum Technology ist die führende Zeitschrift der Society of Petroleum Engineers und bietet maßgebliche Zusammenfassungen und Artikel zu Fortschritten in der Upstream-Technologie, Themen der Öl- und Gasindustrie sowie Neuigkeiten zu SPE und seinen Mitgliedern.