Сравнение точечной и щелевой коррозии
Как распознать и предупредить точечную и щелевую коррозию
Бадди Дамм (Buddy Damm), старший научный сотрудник, Swagelok
Коррозия – повреждение материалов в результате химического взаимодействия с окружающей средой – представляет собой необычайно затратную проблему. Мировая экономика ежегодно теряет около 2,5 трлн долларов из-за коррозии.1 В нефтегазовых проектах на шельфе и прибрежной зоне неконтролируемая коррозия нержавеющей стали в трубных системах является одной из ключевых причин снижения прибыли, что ведет к убыткам около 1,373 млрд. долларов в год (по данным Национальной ассоциации инженеров-коррозионистов NACE). Согласно NACE, такие цифры обусловлены "589 млн. долларов США на расходы в наземные трубопроводы и сооружения; 463 млн. долларов США на ежегодные расходы в скважинные НКТ; и еще 320 млн. долларов на связанные с коррозией капитальные затраты.»2
Хорошая новость заключается в том, что распространение коррозии можно снизить или предупредить рядом относительно простых мер до того, как будет нанесен значительный и дорогостоящий ущерб нефтегазовому оборудованию.
Принятие упреждающих мер зависит от вашей способности выявлять и различать виды коррозии и применять соответствующие решения. Точечная и щелевая коррозия – одни из самых распространенных видов коррозии в нефтегазовой отрасли и одни из самых дорогостоящих. Давайте разберемся, почему возникает коррозия, что отличает точечную коррозию от щелевой и что можно сделать, чтобы защитить свои активы от разрушения и поломок, вызванных коррозией.
Что такое коррозия и почему корродирует нержавеющая сталь?
На фундаментальном уровне коррозия представляет собой набор электрохимических реакций с окислением (потерей электронов) на аноде и восстановлением (получением электронов) на катоде. Почти все металлы в нашем мире подвержены коррозии при определенных условиях. Например, железо в трубке может окисляться, отдавая два электрона и растворяясь в воде в виде положительного иона Fe++. Одновременно электроны из окисляющегося железа могут участвовать в реакции восстановления, которая использует O2, растворенный в H2O, для образования отрицательных ионов OH-. В результате образуется ржавчина – побочный продукт коррозии углеродистой стали. Однако существует и множество других видов коррозии. Каждый вид коррозии представляет опасность, которую необходимо оценить при выборе наиболее подходящего материала для вашей области применения.
Системы металлических трубок чаще всего используются для аналитических и технологических контрольно-измерительного оборудования, гидравлических трубопроводов, а также для систем управления и коммунального хозяйства. Многие металлы, используемые в нефтегазовой отрасли, представляют собой нержавеющую сталь с содержанием хрома более 10%. Это способствует формированию оксидного слоя, который защищает металл от коррозии. Тем не менее, при разрушении этого слоя под воздействием окружающей среды или механического повреждения возникает коррозия нержавеющей стали. Если защитный оксид не может образоваться в данном растворе, коррозионные реакции могут протекать быстро и скоротечно.
Существуют способы предупреждения коррозии нержавеющей стали в нефтегазовой отрасли, особенно при морской добыче. Однако они требуют фундаментальных знаний различных видов коррозии и понимания причин ее возникновения. Понимание того, где искать коррозию, сводит к минимуму риски ее возникновения на буровых платформах и нефтеперерабатывающих заводах, а также существенно экономит время и деньги.
Что такое точечная и щелевая коррозия, как их правильно распознать?
Многочисленные виды коррозии могут разрушать нефтегазовые установки в зависимости от состава материалов, из которых они изготовлены, условий эксплуатации и технологических флюидов. Но есть две формы локальной коррозии нержавеющей стали, которые встречаются чаще других: точечная коррозия и щелевая коррозия.
Химический состав сплава и его устойчивость к локализованной коррозии
Точечная и щелевая коррозия возникают, когда внешняя среда вызывает разрушение обогащенной хромом пассивной оксидной пленки, обеспечивающей коррозионную стойкость нержавеющих сплавов. В морских и прибрежных зонах ионы хлорида (Cl-) в морской воде и воздушной среде вызывают повреждение пассивной оксидной пленки. Легирующие элементы, которые способствуют формированию более прочной пассивной оксидной пленки, включают Cr, Mo, W и N. Для оценки относительной прочности пассивной оксидной пленки сплава при воздействии ионов Cl- часто используют числовой эквивалент стойкости к точечной коррозии (PREN).
PREN = %Cr + 3,3x(%Mo + %W) + 16x%N
Что такое точечная (питтинговая) коррозия?
Несмотря на то, что место "питтинга" можно обнаружить при тщательном визуальном осмотре, под его поверхностью может скрываться глубокая сеть утратившего исходные характеристики материала. Без принятия дополнительных мер такие выемки могут стать достаточно глубокими и пробить стенку, что приведет к дорогостоящим утечкам, риску загрязнения окружающей среде и безопасности персонала, а также потребует дорогостоящего внепланового технического обслуживания. Питтинговая коррозия также может способствовать возникновению и росту трещин в деталях, подвергающихся растягивающим нагрузкам. Среды с повышенной концентрацией Cl-, в том числе вызванной испарением из капель соленой воды, могут стать причиной точечной коррозии. Тропический климат с высокими температурами и влажностью способствует ускоренному развитию коррозии по сравнению с более холодными и сухими условиями.
Во время осмотра трубок из нержавеющей стали на предмет точечной коррозии ищите красновато-коричневые отложения оксида железа и точечные выемки на поверхности металла. Особое внимание следует уделять поверхностям, обращенным вверх, где может скапливаться и испаряться вода, содержащая ионы Cl- (например, морская вода), а также поверхностям, обращенным вниз, где испаряются свисающие капли. По мере испарения воды концентрация хлоридов (Cl-) в оставшейся воде увеличивается и становится более коррозийной.
Что такое щелевая коррозия?
В обычной жидкостной или газовой системе щели имеются между трубками, опорами или хомутами, между соседними линиями трубопроводов, а также под слоем грязи и отложений, которые могут скапливаться на поверхностях. Избежать образования щелей в трубопроводных конструкциях практически невозможно, а узкие щели представляют собой большую опасность нарушения целостности нержавеющей стали. На прибрежных или морских объектах щелевая коррозия часто возникает в результате диффузии морской воды в щель, что приводит к образованию агрессивной химической среды, где вызывающие коррозию ионы растворяются и не могут быстро диффундировать из щели. Таким образом, в процессе развития электрохимической реакции среда в щелевых зонах приобретает более агрессивный характер. В такой ситуации коррозия может быстро распространиться по всей поверхности внутри щели.
Щелевую коррозию часто увидеть только после снятия хомута с установленной трубки. Следует учитывать, что щелевая коррозия может возникать при более низких температурах, чем точечная коррозия, поскольку в щели образуется более агрессивная среда (например, под хомутом трубки).
Как остановить точечную и щелевую коррозию?
Зачастую коррозию можно свести к минимуму благодаря обучению персонала , предоставив ему базовые знания о материалах, или через внедрение методических рекомендаций по предупреждению коррозии.
Прежде всего уделите внимание подбору материалов для трубок, опор и хомутов. Чем выше значение PREN, тем выше сопротивляемость материала точечной и щелевой коррозии. Лабораторные испытания на критическую температуру точечной коррозии (CPT) и критическую температуру щелевой коррозии (CCT) согласно требованиям ASTM G48 являются бесценным инструментом для сравнения материалов, используемых в коррозионных средах. CPT определяет, при какой температуре начинается точечная коррозия (питтинг) материала в определенном коррозионном растворе. Аналогичным образом, CCT оценивает, при какой температуре начинается щелевая коррозия. Для этого на металлическом образце в коррозионном растворе создают трещина с установленными параметрами. С увеличением значения PREN возрастают значения CPT и CCT.
CPT и CCT определяются по стандарту ASTM G48 в 10% растворе хлорида железа
Числовой эквивалент стойкости к точечной коррозии (PREN), критическая температура точечной коррозии (CPT) и критическая температура щелевой коррозии (CCT)
Материалы с высокими значениями CPT и CCT, как правило, более пригодны для использования в аналогичных коррозионных средах, чем материалы с низкими значениями. Например, сталь 304L имеет наименьшее значение CPT среди материалов, показанных выше, а стали класса 6Mo и 2507 демонстрируют одни из самых высоких значений CPT и CCT температур среди нержавеющих сталей. Таким образом, стали 6Mo и 2507, вероятно, обладают большей стойкостью к точечной и щелевой коррозии в хлоридных растворах, чем 304L и 316L. Важно помнить, что такие цифры полезны для сравнения и выбора материала, но не могут предсказать, когда материал выйдет из строя в реальных условиях эксплуатации. Максимальной устойчивостью к точечной и щелевой коррозии обладают сплавы на основе никеля: 625, C22 и C276.
Трубки из нержавеющей стали 316L (UNS S31603) универсальны при условии, что их содержат в чистоте, а температура не слишком высокая. В теплом климате, особенно местах, где быстро образуются отложения солей, и в ситуациях, когда ржавчина со строительных балок и пола из углеродистой стали скапливается на поверхностях нержавеющей стали, коррозия трубок из нержавеющей стали 316L наблюдается чаще. Однако благодаря добавлению молибдена 316L, как правило, лучше, чем 304L (UNS S30403), работает в этих коррозионных средах.
В тех случаях, когда стали 316L недостаточно для удовлетворения требований к сроку службы, трубки из супераустенитных (6Mo или 6HN, UNS N08367) или супердуплексных (например, 2507, UNS S32750) нержавеющих сталей обеспечивают значительно более высокую коррозионную стойкость. Кроме того, более высокий предел прочности на разрыв и предел текучести аустенитной и супердуплексной нержавеющей стали также упрощает создание систем с более высоким максимально допустимым рабочим давлением (МДРД). Сотрудничество с поставщиком трубок и фитингов поможет вам избежать дорогостоящих ошибок при выборе правильных материалов и продукции.
Помимо выбора материалов, для предупреждения коррозии и минимизации количества мест, где может возникнуть щелевая коррозия, необходимо предусмотреть тщательную организацию системы. Один из способов уменьшения щелевой коррозии в системе трубок – избегать размещения трубок вплотную к стенам или друг к другу. При обнаружении следов щелевой коррозии трубок из нержавеющей стали 316L, их можно заменить более коррозионностойкими 6Mo и оснастить экономичными фитингами из стали 316L в предлагаемых смешанных комбинациях материалов.
Хотите узнать больше? Наши обучающие программы помогут вашей команде овладеть дополнительными знаниями как для новичков, так и специалистов со стажем. Информационного ресурс Swagelok предлагает сведения о методах предупреждения коррозии и других способах поддержания оптимальной работы вашего оборудования.
1NACE.
2AMPP.
Материал имеет важное значение: подбор материала для обеспечения коррозионной стойкости
На морской платформе может находиться около 15 километров трубок, более 20 000 компонентов жидкостных и газовых систем, не менее 10 000 фитингов и до 8000 соединений. Стоит ли удивляться тому, как трудно выбрать коррозионностойкий материал? Узнайте, как сделать правильный выбор для вашей области применения.
Повышение уровня безопасности и сокращение затрат благодаря использованию оптимальных материалов
Узнайте, как владельцы морских платформ могут выбрать оптимальные материалы для трубок и трубных обжимных фитингов, обеспечив контроль затрат и повышение уровня безопасности в различных областях применения.
Четыре рекомендации по выбору материалов для отраслей добычи и переработки высокосернистой нефти и газа
По мере того как нефтегазовая отрасль расширяется, охватывая насыщенные высокосернистым газом среды, надежность материалов приобретает все более важное значение. Узнайте о том, как правильно подобранные материалы и соблюдение стандартов NACE могут поспособствовать эффективному функционированию вашей системы.