بررسی علل خوردگی لوله های نفت و گاز راه های پیشگیری از آن

با توجه به ذخایر عظیم نفت و گاز که در کشور ایران وجود دارد ، انتقال این ذخایر به نقاط مختلف کشور اهمیت خطوط لوله را نمایان می کند و با توجه به هزینه های زیادی که برای راه اندازی خطوط لوله می شود اهمیت جلوگیری از خوردگیهایی که باعث وارد آمدن خسارات به آنها می شود بیشتر نمایان می گردد. در این مقاله خوردگی ها را در خطوط لوله از ابتدای ساخت لوله ها تا بهره برداری از آنها مورد بررسی قرار        داده ایم.خوردگی ها در عملیات بهره برداری از خطوط لوله به دو قسمت عمده تقسیم می شوند :  1) خوردگی های داخل لوله و                   2) خوردگی های بیرون لوله .  در این مقاله به شرح هریک از این خوردگی ها که ناشی از چه عواملی می باشند پرداخته و نحوه جلوگیری از آنها را به تفصیل بررسی کرده و راهکارهای مناسبی را ارائه نموده ایم..

مقدمه

هزینه سنگین ایجاد خطوط لوله با توجه به شرایط بد جغرافیایی ایران ایجاب می کند که از این خطوط لوله حفاظت و نگهداری به عمل آید. خطوط لوله ای که محتوی مواد خطرناک و آتش زاست ، در صورت عدم رعایت نکات فنی در هنگام طراحی و نصب تجهیزات حفاظت از خوردگی، می تواند خطرات جانبی و مالی زیادی را بدنبال داشته باشد.

بحث

الف) خوردگی لوله ها در هنگام ساخت : ورق های فولادی تحت تاثیر نیروی پرس قرار می گیرند که گاهی تاثیر این نیروها سبب فشردگی و ناهمگنی درون شبکه فلزی می شود. در این حالت تنش داخلی در ورقه فولادی بوجود می آید که به خوردگی آن در محیط الکترولیتی کمک می کند. قسمت جوشکاری ورقه ها تاثیر گرمایی که هنگام عمل جوشکاری روی دو قسمت مجاور جوش  می گذارد ورقه فولادی را نسبت به خوردگی حساس می کند.نوع عمل جوشکاری نیز در بوجود آمدن تغییر در ساختمان کریستالی موثر است بطوری که اگر جوشکاری با قوس الکتریکی باشد مدت زیادی گرما روی قسمت مجاور تاثیر می کند ولی اگر جوشکاری موضعی با جرقه الکترود معمولی باشد مدت کمتری گرما در محل باقی می ماند.آزمایشی که برای اطمینان از بی عیب بودن خطوط لوله به لحاظ جوشکاری در هنگام راه اندازی خطوط لوله انجام می شود ، آزمایش فشار هیدرواستاتیک می باشد که فشاری بیشتر از فشار طراحی شده بوسیله آب به خطوط لوله وارد می کنند تا نقاط جوشکاری شده ای که دارای عیوب هستند بوسیله نشت آب مشخص گردند.

ب) خوردگی لوله ها در هنگام بهره برداری : این خوردگی ها به دو قسمت عمده تقسیم می شوند: 1)خوردگی های داخل لوله : این خوردگیها توسط مواد شیمیایی خورنده موجود در نفت و گاز بوجود می آیند. از عمده ترکیبات شیمیایی موجود در نفت و گاز که باعث خوردگی های داخلی می شوند می توان ترکیبات : گوگردی، دی اکسیدکربن، اکسیژن و آب همراه نفت و گاز را نام برد. مقدار گوگرد در نفت بستگی به منطقه ای دارد که در آنجا نفت تشکیل گردیده است. گاز هیدروژن سولفوره به تنهایی باعث خوردگی نمی شود اما زمانی که با قطرات آب همراه گردد تشکیل اسید را می دهد و باعث خوردگی می گردد و هنگامیکه با گازهای               دی اکسیدکربن و اکسیژن همراه باشد خوردگی بسیار شدیدتر می شود.

 

 

 

 

 

روش های تعیین میزان خوردگی درون لوله ها

روش پروب : این روش بدین صورت است که با توجه به تغییری که در مقاومت عنصر پروب در زمانهای مختلف ظاهر می شود مقدار خوردگی را می توان مشخص کرد. خوردگی با از بین بردن مقداری از عنصر پروب باعث افزایش مقاومت الکتریکی عنصر می شود و هرچه خوردگی افزایش یابد ، مقاومت الکتریکی نیز افزایش می یابد. این تغییرات پس از مدت زمانی محاسبه و میزان خوردگی آن مشخص خواهد شد.

روش کوپن گذاری : کوپن قطعه فلز کوچک با وزن مشخص می باشد که درمسیر جریان سیال قرار می گیرد تا در یک مدت زمان مشخص خورده شود و سپس آن را از سیستم خارج می کنند و با توجه به میزان وزن کاسته شده ، سرعت و میزان خوردگی را تعیین می کنند.

2) خوردگی های بیرون لوله : این نوع خوردگی ها بستگی به عوامل طبیعی و شرایط محیطی اطراف لوله دارند که این عوامل را بطور کامل نمی توان از بین برد اما باید تلاش نمود تا آنها را به حداقل رساند. این عوامل عبارتند از :

·         خاکی که لوله در آن مدفون است .

·         آبرفتها و مرداب ها و زمین های سنگ لاخی که لوله ها از میان آنها می گذرند.

خاکها از نظر ترکیب شیمیایی ، PH، میزان رطوبت و اندازه دانه ها با هم اختلاف دارند. اختلاف اندازه دانه های خاک باعث تفاوت هواگیری و میزان رطوبت آنها می شود. هرچه خاک دانه های درشت تری داشته باشد ، هوا و رطوبت بیشتری جذب می کند و خوردگی افزایش می یابد. خوردگی میکروبی ، یکی دیگر از عواملی است که در خاکها باعث خوردگی می شود. این موجودات به سبب ترشح مواد شیمیایی بر روی لوله اثر گذاشته و خوردگی ایجاد می کنند و این نوع خوردگی بیشتر در خاکهای غیرهوازی مشاهده می شود و معمولا شامل یک نوع باکتری احیا کننده سولفاتی می باشد که در خاکهای اسیدی حاوی سولفات یافت می شوند که یونهای سولفات را به سولفور احیا می کنند.بنابراین به پوشش های بسیار خوب برای جلوگیری از این نوع خوردگی نیاز می باشد.

برای لوله های کارگذاشته شده در خاک، جریان های الکتریکی سرگردان بدترین نوع خوردگی را ایجاد می کنند. چنین جریانهایی معمولا از سیستم حفاظت کاتدی، سیستم حمل و نقل برقی ، کارگاههای آبکاری الکتریکی و وسایل جوشکاری ناشی می شوند.

راه های پیشگیری از خوردگی لوله ها

همانطور که در قبل اشاره شد خوردگی لوله ها به دو قسمت عمده ، داخل و بیرون لوله تقسیم گردید. ابتدا به راهکار پیشگیری از خوردگی داخل لوله اشاره می کنیم.

عمده ترین سیستم حفاظت از خوردگی های داخل لوله ها که در صنعت نفت و گاز بکار می روند استفاده از ممانعت کننده ها می باشد. ممانعت کننده ها موادی هستند که وقتی به مقدار کم به یک محیط خورنده اضافه می شوند سرعت خوردگی را کاهش می دهند در واقع ممانعت کننده ها یک کاتالیزور بازدارنده می باشند. ممانعت کننده ها که مواد آلی می باشند با تشکیل پوسته نازک و نفوذ ناپذیر روی سطح لوله با ایجاد اختلال در یکی از واکنش های کاتدی یا آندی مانع از خوردگی می گردند. ممانعت کننده ها از نظر نوع فلز ، محیط خورنده ، درجه حرارت و غلظت معمولا منحصر به فرد هستند . در صورتیکه غلظت ممانعت کننده کمتر از اندازه کافی باشد ممکن است خوردگی هایی مانند خوردگی موضعی تسریع یابد بنابراین اگر غلظت ممانعت کننده کمتر از مقدار کافی باشد ، خسارت بیشتر از زمانی خواهد بود که ممانعت کننده بکاربرده نشده است و برای پرهیز از این خطر بایستی غلظت بطور متناوب تعیین گردد.

روش هایی که برای حفاظت قسمت بیرونی لوله ها بکار برده می شود پوشش های مناسب و سیستم حفاظت کاتدی است . حفاظت کاتدی را می توان به تنهایی بکار برد اما به جریان زیادی نیاز است بنابراین بهترین روش آن است که از یک لایه محافظ مناسب استفاده کرده و بوسیله حفاظت کاتدی آنرا تقویت کنیم. در نواحی آندی از فلز که جریان الکتریسیته از آن به محیط اطراف خارج می شود خوردگی اتفاق می افتد و از نقاط کاتدی که جریان از محیط اطراف به لوله می رسد خوردگی صورت نمی گیرد. بنابراین اگر جریان الکتریسیته از طرف محیط به تمام سطح لوله برسد دیگر خوردگی نخواهیم داشت و بدین ترتیب کل لوله، کاتدی خواهد بود.

حفاظت کاتدی به دو شیوه اعمال می گردد : 1) جریان اعمالی                      2) آند فداشونده

در اینجا به بررسی حفلظت کاتدی بوسیله جریان اعمالی می پردازیم. حفاظت کاتدی از این طریق در حقیقت ساخت و کنترل یک سلول خوردگی بزرگ است .همانطور که در شکل 1 مشاهده می گردد در این سلول پایانه منفی جریان مستقیم به خط لوله و پایانه مثبت به یک رسانای مصرف شدنی دفن شده وصل می شود و این رسانا آند نامیده می شود. جریان مستقیم معمولا از طریق یک یکسو کننده به لوله وارد می گردد و در حقیقت یک مدار الکتریکی بوسیله عبور جریان توسط خاک از آند به خط لوله بوجود می آید.

           

 

 

 

 

 

شکل 1- نمایی شماتیک از سیستم حفاظت کاتدی

 

 

عواملی که باید در طراحی سیستم حفاظت کاتدی مد نظر قرار گیرند عبارتند از :

1)      اندازه پتانسیل : با استفاده از دیاگرام ایوانز چنان اختیار می گردند که فلزات متفاوت در ناحیه کاتدی حفاظت گردند. در شکل 2 دیاگرام ایوانز مشاهده می گردد.

 

 

 

 

 

 

شکل 2- دیاگرام ایوانز

2)      جریان مدار : شدت جریان مورد نیاز جهت رسیدن به پتانسیل حفاظت کننده بایستی محاسبه شود.

3)      فاصله بسترهای آندی : هرقدر که فاصله آندها از قطعه بیشتر باشند ، جریان بیشتری در مدار بایستی که تزریق گردد تا حفاظت کامل تری صورت گیرد.

4)      احتمال بکار گرفته شدن پوشش های حفاظتی و تاثیر آنها بر طراحی سیستم حفاظت کاتدی

5)      اندازه های قطعه مهندسی جهت محاسبه سطح و در نتیجه اندازه مقاومت الکتریکی آن.

6)       نوع و جنس خاک به لحاظ خواص شیمیایی و تعیین مقاومت آن اهمیت خاص دارند.

7)      احتمال وجود جریان های ناخواسته ( سرگردان) .

بستر آندی می تواند به سه صورت طراحی شود. که هر کدام مزایا و معایبی دارند. درحالت اول بستر موازی با خط لوله است و در حالت دوم بستر عمود بر لوله می باشد حالت سوم نیز ترکیبی از دو حالت بالا است. که مزایای حالت سوم بیشتر است و معمولا حفره را به صورت زاویه دار طراحی می کنند. درحقیقت در حالت اول مصرف آندها زیاد است و همان طور که در شکل 3 آمده است گرادیان های جریان تمرکز بیشتری در ناحیه آند دارند.

           

 

 

 

 

شکل3- گرادیان جریان در یک بستر موازی

با توجه به تعداد آند مورد نیاز برای هر حفره طول حفره محاسبه شده و عملیات حفاری آغاز می شود ، عمق حفره نیز با توجه به عمق لوله دفن شده محاسبه می شودکه این عمق به ارتفاع میانگین 2 متر می باشد.درانتهای حفاری در حقیقت حفره مورد نظر دارای طول 20 و عرض 1 و ارتفاع 2 متر می باشد. که در این حفره می توان حدود 20 آند قرار داد. بعد از اتمام عملیات حفاری در کف بستر مخلوطی از کک ، نمک ، گچ، و آهک اضافه می کنند تاحفره خصوصیات لازم را برای هدایت بهتر جریان پیدا کند. درحقیقت نمک باعث پیدا شدن خاصیت اسیدی ، آهک باعث خاصیت قلیایی و وجود گچ نیز باعث جذب رطوبت می شود. سپس بر روی این بستر کک با دانه بندی خاص اضافه شده و آنرا به خوبی می کوبند تا هیچ حفره ای در آن باقی نماند.
کابل برق را به حالت حلقه در آورده و آندها را به طور یکی در میان به دو طرف حلقه متصل می کنند ، اتصال کابل آندها به کابل اصلی توسط سل پک (Cell Pack )انجام می شود. درون سل پک با یک ماده آلی پر شده تا هیچ گونه نشست جریان نداشته باشیم.( شکل 4 ) اگر جریان از اتصالات نشت پیدا کند باعث سولفاته شدن و بعد قطع جریان می شود.

 

           

 

شکل 4- cell pack

آندها را به طور عمودی در حفره طوری قرار می دهند که فاصله بین هر دو آند برابر طول خود آند باشد. سپس روی آندها را دوباره کک ریخته و یک لوله با چند منفذ ورودی را روی آنها قرار داده تا گازهای تولیدی حفره به راحتی خارج شوند. سپس روی حفره را با خاک می پوشانند. لازم به ذکر است که در پالایشگاهها که یک مجموعه باید حفاظت شود و فضای لازم را نداریم از چاهک آندی استفاده می شود یعنی با شرایط گفته شده یک چاه احداث می شود و آندها به طور زنجیر وار و عمودی درون آن قرار می گیرند.
دیگر تجهیزات لازم برای یک ایستگاه حفاظت کاتدی عبارت است از یک ترانسفورماتور Dc است. درحقیقت کابل خروجی از حفره به رکتیفایر متصل می شود.ولتاژ و جریان مورد نیاز بستر توسط رکتیفایر تنظیم می شود.

 

 

 

 

شکل 5- نمایی شماتیک از یک سیستم حفاظت کاتدی

در حفاظت خطوط لوله از آند های گرافیتی استفاده می شود، اما در سال های اخیر نیز استفاده از آهن قراضه به عنوان آند متداول شده است.

نتیجه گیری

1-تنش داخلی ناشی از پرس های هیدروستاتیک که به ورق های فولادی اعمال می شود به خوردگی آن در محیط الکترولیتی کمک می کند.

2-عمل جوشکاری ورقه فولادی را نسبت به خوردگی حساس می کند.

3-عمده ترین ترکیبات شیمیایی موجود در نفت و گاز که باعث خوردگی های داخلی می شوند عبارتند از : ترکیبات گوگردی،     دی اکسیدکربن، اکسیژن و آب همراه نفت و گاز.

4-عواملی که در خاک ها باعث خوردگی می شوند عبارتند از : اختلاف اندازه دانه های خاک و خوردگی میکروبی.

5-جریان های الکتریکی سرگردان بدترین نوع خوردگی را برای لوله های کار گذاشته در خاک ایجاد می کنند.

6-جهت حفاظت از خوردگی های داخل لوله ها، از ممانعت کننده ها استفاده می شود.

7-جهت حفاظت از قسمت بیرونی لوله ها از پوشش های مناسب و سیستم حفاظت کاتدی استفاده می شود.

 

 

ارائه دهنده مقاله : رامتین شاطری

رامتین شاطری¹، حامد ثابت²، خسرو شاطری³                                                                                                                                                      1- مهندس متالورژی صنعتی ، دانشجوی کارشناسی ارشد World Wide Science                                                                                                                                                                             2-عضو هیئت علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج                                                                                                                                        3-معاونت امورمالی و اداری شرکت ملی پالایش و پخش فرآورده های نفتی ایران، ارومیه                                            [e-mail]