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 các loại ăn mòn khác nhau trong suốt tuổi thọ dự kiến ​​của chúng. Sự ăn mòn này có thể dẫn đến khí thải nhất thời, tổn thất 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 các vật liệu ống bền hơn mang lại khả năng chống ăn mòn tốt hơn. Sau đó, họ phải thận trọng khi kiểm tra các đường phun hóa chất, thủy lực và xung lực, cũng như thiết bị đo và cảm biến xử lý để đảm bảo ăn mòn không đe dọa đến tính toàn vẹn của đường ống được lắp đặt và ảnh hưởng đến an toàn.
Ăn mòn cục bộ có thể được tìm thấy trên nhiều nền tảng, tàu, tàu và đường ống trong các công trình lắp đặt ngoài khơi. Sự ăn mòn này có thể ở dạng ăn mòn rỗ hoặc kẽ hở, cả hai đều có thể làm xói mòn thành ống và gây rò rỉ chất lỏng.
Nguy cơ ăn mòn lớn hơn khi nhiệt độ hoạt động của ứng dụng tăng lên. Nhiệt có thể đẩy nhanh quá trình phá hủy màng oxit thụ động bên ngoài bảo vệ của ống, do đó thúc đẩy sự hình thành ăn mòn rỗ.
Thật không may, ăn mòn rỗ và kẽ hở cục bộ có thể khó phát hiện, làm cho các loại ăn mòn này khó xác định, dự đoán và thiết kế hơn. Do những rủi ro này, chủ sở hữu nền tảng, người vận hành và người được chỉ định 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 thực hiện đúng là rất quan trọng. khả năng chống ăn mòn cục bộ của nó.
Bài viết này sẽ xem xét cách xác định ăn mòn rỗ và kẽ hở và 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, đồng đều hơn trên bề mặt kim loại. Ăn mòn rỗ và kẽ hở bắt đầu hình thành trên ống thép không gỉ 316 khi 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 ô nhiễm bề mặt ống, làm tăng khả năng xuống cấp của màng thụ động này.
rỗ. Ăn mòn rỗ xảy ra khi màng thụ động trên một chiều dài của ống bị phá hủy, tạo thành các lỗ nhỏ hoặc hố trên bề mặt ống. Các hố này có khả năng phát triển khi các phản ứng điện hóa diễn ra, làm cho sắt trong kim loại hòa tan vào dung dịch ở đáy hố. Sắt hòa tan sau đó sẽ khuếch tán lên phía trên của hố và bị oxy hóa để tạo thành oxit sắt hoặc rỉ sét. Khi hố sâu hơn, các phản ứng điện hóa tăng tốc, ăn mòn mạnh hơn 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 nó bị nhiễm bẩn (Hình 1). Ví dụ, nhiễm bẩn từ hoạt động hàn và mài có thể làm hỏng lớp oxit thụ động của ống, do đó hình thành và tăng tốc độ ăn mòn rỗ. Điều tương tự cũng xảy ra đối với việc xử lý nhiễm bẩn từ đường ống. Ngoài ra, khi các giọt nước muối bay 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 ô nhiễm này, hãy giữ cho đường ống của bạn sạch sẽ bằng cách thường xuyên xả ống bằng nước ngọt.
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 kẽ hở. Trong hầu hết các trường hợp, người vận hành có thể dễ dàng xác định vết rỗ. Tuy nhiên, ăn mòn kẽ hở không dễ phát hiện và gây rủi ro lớn hơn cho người vận hành và nhân viên. Tình trạng này thường xảy ra trên các đường ống có khoảng cách chật hẹp giữa các vật liệu xung quanh, chẳng hạn như ống được giữ cố định bằng kẹp hoặc ống được lắp chặt cạnh nhau. Khi nước muối thấm vào kẽ hở, dung dịch sắt clorua (FeCl3) được axit hóa mạnh về mặt hóa học sẽ hình thành trong khu vực theo thời gian và gây ra hiện tượng ăn mòn kẽ hở nhanh hơn (Hình 2). Chính vì các kẽ hở làm tăng nguy cơ ăn mòn , ăn mòn kẽ hở có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với ăn mòn rỗ.
Hình 2 – Sự ăn mòn kẽ hở có thể phát triển giữa đường ống và giá đỡ đường ống (phía trên) và khi đường ống được lắp đặt gần các bề mặt khác (phía dưới) do sự hình thành dung dịch sắt clorua được axit hóa mạnh về mặt hóa học trong kẽ hở.
Ăn mòn kẽ hở thường mô phỏng ăn mòn rỗ đầu tiên ở kẽ 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, vết nứt ban đầu ngày càng lớn hơn cho đến khi nó bao phủ toàn bộ vết nứt. Cuối cùng, ăn mòn kẽ hở có thể làm thủng đường ống.
Các vết nứt khít là nguy cơ ăn mòn lớn nhất. Do đó, các kẹp ống quấn quanh hầu hết chu vi của ống có xu hướng gây ra rủi ro lớn hơn các kẹp hở, loại kẹp này giảm thiểu bề mặt tiếp xúc giữa ống và kẹp. Kỹ thuật viên bảo trì có thể giúp giảm khả năng ăn mòn kẽ hở gây hư hỏng hoặc hỏng hóc bằng cách thường xuyên mở các kẹp và kiểm tra bề mặt ống xem có bị ăn mòn hay không.
Có thể ngăn chặn tốt nhất hiện tượng ăn mòn rỗ và kẽ hở bằng cách chọn đúng hợp kim kim loại cho ứng dụng. Các chuyên gia kỹ thuật nên thực hiện thẩm định để 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 yếu tố khác.
Để giúp các chuyên gia xác định 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 của 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 sự ăn mòn rỗ – 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 cho thấy khả năng chống rỗ càng cao. Mức tăng nhỏ của PREN chỉ tương đương với mức tăng nhỏ của CPT so với hợp kim, trong khi mức tăng lớn trong PREN cho thấy cải thiện hiệu suất đáng kể hơn đối với CPT cao hơn đáng kể.
Bảng 1 so sánh các giá trị PREN của các hợp kim khác nhau thường được sử dụng trong các ứng dụng dầu khí ngoài khơi. Nó cho thấy cách thông số kỹ thuật có thể cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn bằng cách chọn hợp kim ống cấp cao hơn. PREN chỉ tăng nhẹ khi chuyển từ thép không gỉ 316 sang thép không gỉ 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 duplex 2507.
Nồng độ niken (Ni) trong thép không gỉ cao hơn 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, thường có lợi khi chỉ định thép không gỉ có nồng độ niken cao hơn, vì nguyên tố này giúp tái thụ động hóa 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. Martensite là pha kết tinh không mong muốn trong kim loại làm giảm khả năng chống ăn mòn cục bộ của thép không gỉ vì cũng như nứt ứng suất do clorua gây ra. Hàm lượng niken cao hơn ít nhất 12% trong 316/316L cũng được mong muốn 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 trong thông số kỹ thuật tiêu chuẩn ASTM là 10%.
Ăn mòn cục bộ có thể xảy ra ở bất cứ đâu 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 kẽ hở có nhiều khả năng xảy ra ở những khu vực có khoảng cách hẹp giữa đường ống và phần cứng lắp đặt. Sử dụng PREN làm cơ sở, nhà xác định có thể chọn hợp kim 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 biển nóng, ống thép không gỉ 6 molypden super austenit hoặc 2507 super duplex nên được xem xét nghiêm túc 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 là đủ, đặc biệt nếu lịch sử sử dụng thành công đã được thiết lập.
Chủ sở hữu và người điều hành nền tảng ngoài khơi cũng có thể thực hiện các bước để giảm thiểu nguy cơ ăn mòn sau khi lắp đặt đường ống. Họ nên giữ cho đường ống sạch sẽ và xả bằng nước sạch thường xuyên để giảm nguy cơ ăn mòn rỗ. Họ cũng nên nhờ kỹ thuật viên bảo trì mở kẹp ống trong quá trình kiểm tra định kỳ để tìm kiếm sự hiện diện của ăn mòn kẽ hở.
Thực hiện theo các bước được nêu ở trên, chủ sở hữu và nhà điều hành nền tảng 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 khả năng thất thoát sản phẩm hoặc giải phóng khí thải nhất thời.
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 bản tóm tắt và tính năng 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 của nó.