لوله گاز چگونه تخریب می شود؟

خوردگی لوله های نفت و گاز

خطوط لوله در تمام دنیا نقش بسیار مهمی در انتقال گاز و مایعات در مسیرهای طولانی از منبع به مصرف کننده نهایی را بر عهده دارند. اما اغلب مردم از نقش مهم و تعداد خطوط لوله  به عنوان مهمترین وسایل انتقال آگاه نیستند. خطوط لوله عموما در زیر زمین دفن می شوند و جز در محل ایستگاه های پمپاژ یا تقلیل فشار و یا محل شیرها و خروجی ها دیده نمی شوند. در ایالات متحده ی آمریکا به طور تقریبی 217 هزار کیلومتر خطوط لوله انتقال مایعات خطرناک و قابل اشتعال وجود دارد. 34 هزار کیلومتر خطوط لوله ی نفت خام، 483 هزار کیلومتر خطوط انتقال گاز طبیعی و 45 هزار کیلومتر خط توزیع گاز طبیعی نیز کشیده شده است.

تصویر شماره 1 – اولین خط لوله گاز با طول زیاد در آمریکا

قیمت لوله گازی در بازار آهن

آنچه در این مقاله خواهید خواند: 

• خوردگی لوله های نفت و گاز
• خوردگی سلولی غیریکنواخت لوله گاز
• نقش تفاوت در ویژگی های خاک در خوردگی لوله گاز
• خوردگی گالوانیک در لوله گازی
• فیلم های سطح (Surface Films) در لوله گازی
• خوردگی تحت تاثیر عوامل میکروبیولوژیکی در لوله گازی

 

اولین خط لوله نفت به طول 175 کیلومتر و 152 میلیمتر (6 اینچ) در سال 1879 ما بین بردفورت (Bradford) و آلنتون (Allentown) کشیده شد. در اواخر دهه ی 20 میلادی بود که خطوط نفت و گاز از لوله های جوشی ساخته شدند. اولین خط لوله ی کشوری نیز که بعضی از شهرهای بزرگ را به یکدیگر متصل می کرد در سال 1930 نصب شد. تا پیش از جنگ جهانی دوم بود که خطوط لوله در سایزهای بزرگ برای اتصال نواحی مختلف کشور آمریکا به کار برده شد. در دهه 60 میلادی خطوط لوله با قطر 32 تا 36 اینچ (813 تا 914 میلیمتر) ساخته شد. کشف نفت در منطقه ی آلاسکا باعث شد تا بزرگترین خط انتقال نفت با نام ترنس-آلاسکا به قطر 48 اینچ و طول 1287 کیلومتر کشیده شود.

تصویر شماره 2 – خط لوله ی ترنس-آلاسکا

اما استفاده از خطوط نفت و گاز همواره با حوادثی همراه بوده است. بررسی داده های مربوط به حوادث خطوط انتقال بین سال های 1994 تا 1999 نشان میدهد که 25 درصد از حوادث گزارش شده در خطوط انتقال مربوط به خوردگی بوده است از این میان برای مایعات خطرناک و قابل اشتعال 65 درصد مربوط به خوردگی خارجی (External Corrosion) و 34 درصد مربوط به خوردگی داخلی (Internal corrosion) می باشد. برای خطوط انتقال گاز طبیعی 36 درصد حوادث مربوط به خوردگی خارجی و 63 درصد به خوردگی داخلی مربوط می باشد. در حوادث خطوط توزیع گاز طبیعی تنها 4 درصد حوادث مربوط به خوردگی ست که خوردگی خارجی سهم بیشتری را در این میان داشته است. این آمار مربوط به حوادثی ست که منظر به تلفات، جراحت و یا خسارت مالی بیشتر از 50 هزار دلار شده است. علاوه بر این به طور متوسط حدود 8000 نشت ناشی از خوردگی در خطوط انتقال گاز طبیعی نیز در یک سال گزارش می شود. در هر سال نزدیک به 1600 سرریز نیز تعمیر و مایعات ناشی از آن پاکسازی می شود.

تصویر شماره 3 – انفجار خط لوله گاز در کنتاکی با 1 کشته (عامل حادثه نشت گاز ناشی از خوردگی)

به طور خلاصه در خلال سال های 1985 و 1994 حوادث مرتبط با خوردگی در خطوط انتقال و توزیع گاز طبیعی 28.5 درصد از کل حوادث را تشکیل می داده است. این آمار برای گازهای خطرناک و قابل اشتعال 25.1 درصد می باشد.

آمار و ارقام به خوبی نشان می دهد که خوردگی خارجی نقش مهمی در حوادث خطوط نفت و گاز دارد و کنترل این خوردگی می تواند نقش چشم گیری در امنیت، حفظ محیط زیست و عملکرد اقتصادی خطوط لوله داشته باشد.

بیشتر خطوط لوله ی زیرزمینی از فولاد کربنی و بر اساس استاندارد انستیتوی نفت آمریکا ساخته می شوند. لوله های API 5L بیشترین کاربرد را در این حوزه دارند. بیشترین محدودیت های اجزای این لوله ها مربوط به کربن، منگنز، فسفر و گوگرد است. در برخی موارد سایر عناصر نیز به منظور بهبود ویژگی های مکانیکی اضافه می شوند.

تصویر شماره 4 – لوله های API 5L برای انتقال گاز

ترکیبات شیمیایی و مشخصات مکانیکی برای گریدهای پرکاربرد این لوله ها در جدول زیر آورده شده است.

	درصد ترکیبات				حداقل مقاومت تسلیم		حداقل استحکام کششی
گرید	کربن	منگنز	فسفر	گوگرد	Mpa	ksi	Mpa	ksi
A	0.22	0.9	0.03	0.03	207	30	331	48
B	0.26	1.2	0.03	0.03	241	35	414	60
X42	0.26	1.3	0.03	0.03	290	42	414	60
X46	0.26	1.4	0.03	0.03	317	46	434	63
X52	0.26	1.4	0.03	0.03	359	52	455	66
X56	0.26	1.4	0.03	0.03	386	56	490	71
X60	0.26	1.4	0.03	0.03	414	60	517	75
X65	0.26	1.45	0.03	0.03	448	65	531	77
X70	0.26	1.65	0.03	0.03	483	70	565	82

 

این سری از فولادها عناصر کافی برای جلوگیری از خوردگی و تحمل مکانیزم های مختلف خوردگی در شرایط زیر زمین مانند خوردگی عمومی، خوردگی حفره ای و ترک ناشی از خوردگی را ندارند.

استفاده از عبارات خوردگی عمومی و خوردگی حفره ای در مورفولوژی خوردگی در بستر زمین تا حدودی بی ربط به نظر می رسد. خوردگی حفره ای کلاسیک غالبا در فلزات پسیو مانند استنلس استیل دیده می شود نه در لوله های زیر زمینی. مگر در شرایطی که فعالیت های میکروبی نیز وجود داشته باشد. به همین صورت خوردگی عمومی واقعی به صورت از دست دادن یکنواخت فلز مانند آنچه در فولادهای کربنی در معرض اسیدهای غلیظ دیده می شود در لوله های کار شده در بستر زمین مشاهده نمی شود.

متداولترین مورفولوژی خوردگی لوله های بستر زمین، شامل از دست دادن ناهمگن فلز بر روی نواحی محلی در ابعاد چند تا صدها اینچ مربع است. مکانیزم خوردگی مرسوم در این نوع لوله ها نیز از نوع سلول های خوردگی غیریکنواخت است. (Differential corrosion cells)

میکروب ها و نشت جریان مستقیم نیز می تواند در خاک موجب خوردگی در بستر زمین شود.

به دلیل مقاومت پایین لوله های فولادی در زیر زمین در برابر خوردگی مجموعه ای از اقدامات مهاری مانند پوشش دهی و حفاظت کاتدی به منظور محافظت از لوله ها در زیر زمین به کاربرده می شود. در این مقاله عوامل متداول ایجاد خوردگی، فاکتورهای دخیل در خوردگی و ترک ناشی از خوردگی به همراه پیش گیری، مهار، تشخیص و تعمیرات خوردگی در لوله های گازی مورد بحث قرار می گیرد.

بیشتر بخوانید: استاندارد لوله گاز

خوردگی سلولی غیریکنواخت لوله گاز (Differential Cell Corrosion)

در خوردگی عمومی فلزات، اکسیژن و واکنش های احیا به صورت فیزیکی در نزدیکی فلز انجام می شود و در هر لحظه یک اتم اکسید می شود. خوردگی فلز در محلول اسیدی نمونه ای از این نوع رفتار است. اما در شرایطی اکسیداسیون و واکنش های احیا ممکن است که به صورت مجزا در سطح فلز انجام شوند. وقتی که اکسیداسیون فلز در یک محل و واکنش کاهش در محل دیگری اتفاق می افتد از نوع خوردگی تحت عنوان سلول خوردگی غیریکنواخت یاد می شود. خوردگی لوله ها و سازه های دیگری که زیر زمین کار شده اند عموما از این نوع است. از انواع خوردگی غیریکنواخت، سلول اختلاف دمشی ست (Differential aeration cells) که بخش های مختلف لوله با غلظت های مختلفی از اکسیژن در خاک مواجه می شوند و سلول ها به دلیل تفاوت در ماهیت سطح لوله و یا ماهیت شیمیایی خاک به وجود می آیند. این فرایند گاهی به وضوح قابل مشاهده است. زمانی که یک لوله قدیمی از زیر خاک خارج می شود و بخشی از کاملا سالم است در حالی که با فاصله کمی برخی نواحی به شدت دچار خوردگی شده اند.

یک سلول اختلاف دمشی معمول ترین نوع سلول خوردگی در لوله ها یا سازه های زیرزمینی ست. قسمتی از سطح لوله در معرض غلظت بیشتری از اکسیژن قرار دارد و در سلول به کاتد تبدیل می شود در حالی که بخش دیگر به دلیل کمبود اکسیژن به آند تبدیل می شود. جریان الکتریکی سطح فلز را از آند ترک کرده و میزان خوردگی را افزایش می دهد. جریان به سمت ناحیه کاتدی می رود و موجب کاهش خوردگی در آن قسمت می شود. سلول های اختلاف دمشی به همراه سایر سلول های خوردگی می توانند در واکنش های الکتروشیمیایی و شیمیایی خودکاتالیزور باشند. بعلاوه در این مهاجرت، یون ها تمایل به ایجاد شرایطی دارند که ادامه ی سلول های خوردگی را بیشتر می کند. در قسمت آند، یون های فلز که به وسیله واکنش های هیدرولیز خوردگی ایجاد شده است، مقدار pH محلی را کاهش می دهد. یون های منفی هالید خورنده به سمت محل های کاتدی مهاجرت می کنند تا تساوی ذرات مثبت و منفی را برقرار کنند. هر دوی این فرآیندها مقدار خوردگی در محل های آندی را افزایش می دهد. در ناحیه کاتدی واکنش ها باعث افزایش pH و ماهیت محافظت کننده فیلم خوردگی را اصلاح می کند.

نقش تفاوت در ویژگی های خاک در خوردگی لوله گاز

تفاوت در میزان رطوبت خاک، عمق از سطح خاک و یا مانع های اکسیژن مانند جاده های آسفالت می تواند سلول های اختلاف دمشی ایجاد کند. شکل شماره 5 لوله ای را نشان می دهد که از میان دو خاک غیر مشابه عبور می کند. پتانسیل خوردگی لوله در خاک رس منفی تر از پتانسیل خوردگی در خاک شنی ست که باعث افزایش میزان خوردگی در خاک رسی نسبت به خاک شنی می شود. عوامل دیگری به غیر از تفاوت در غلظت اکسیژن خاک نیز می تواند سلول خوردگی غیریکنواخت مانند شکل 5 ایجادکند. برای مثال تفاوت در مقدار pH یا غلظت یون های مهاجم مانند کلرید ها در خاک می تواند باعث ایجاد سلول های خوردگی غیریکنواخت شود.

تصویر شماره 5 – ایجاد سلول خوردگی غیریکنواخت به دلیل تفاوت در خاک

بیشتر بخوانید: تفاوت لوله درزدار و لوله بدون درز چیست؟

خوردگی گالوانیک در لوله گازی

خوردگی گالوانیک نمونه ای دیگر از سلول خوردگی غیریکنواخت است. در خوردگی گالوانیک، اختلاف پتانسیل به دلیل وجود فلزات متفاوت ایجاد می شود. فلزات مختلف، در یک محیط مشخص پتانسیل خوردگی متفاوتی دارند. به عنوان نمونه سری های گالوانیک برای برخی فلزات در خاک در جدول نمایش داده شده است. وقتی این فلزات به صورت الکتریکی به یکدیگر متصل می شوند فلزی با پتانسیل خوردگی مثبت بیشتر به صورت کاتدی پلاریزه می شود که نرخ خوردگی آن کاهش می باید. در مقابل فلز با پتانسیل منفی به صورت آندی پلاریزه می شود و نرخ خوردگی آن افزایش می یابد.  خوردگی گالوانیک برای سازه های زیرزمینی بسیار مخرب است. به عنوان مثال می توان از خوردگی آهن در کنار مس یا استنلس استیل نام برد. هر چند خوردگی گالوانیک می تواند یکی از روش های موثر در حافظت کاتدی باشد.

پتانسیل	ماده
+0.3	کربن، گرافیت، کک
0 to – 0.1	پلاتین
-0.2	پوسته نورد روی فولاد
-0.2	چدن با سیلیسیم بالا
-0.2	مس، برنج و برنز
-0.2	استیل کم کربن در بتن
-0.5	سرب
-0.5	چدن
-0.2 to -0.5	فولاد کم کربن (زنگ زده)
-0.5 to -0.8	فولاد کم کردن تمیز و براق
-0.8	آلومینویم خالص
-1.05	آلومینیوم با 5 درصد روی
-1.1	روی
-1.6	آلیاژهای منگنز
-1.75	منگنز خالص

 

فیلم های سطح (Surface Films) در لوله گازی

فیلم های سطح فلز نیز می تواند با تغییر پتانسیل خوردگی باعث ایجاد خوردگی سلولی غیریکنواخت شود. برای مثال پوسته های حاصل از نورد در لوله های فولادی که در طول فرایند ساخت (نورد گرم) ایجاد می شود و اگر برطرف نشود مانند یک فلز غیرمشابه در تماس با لوله ی فولادی  عمل می کند. پتانسیل بین سطح لوله ی فولادی منفی تر از سطح پوسته های حاصل از نورد خواهد بود که منجر به خوردگی شدید لوله در خاک های با مقاومت ویژه کم می شود. همین شرایط وقتی یک لوله ی فولادی جدید با لوله ی قدیمی متصل می شود نیز می تواند رخ بدهد. پتانسیل لوله های جدید معمولا از لوله های زنگ زده ی قدیمی منفی تر است که باعث خوردگی سریعتر در لوله های جدید می شود مگر اینکه قسمت های جدید و قدیمی به صورت الکتریکی نسبت به هم عایق شوند و یا از حفاظت کاتدی استفاده شود. امکان ایجاد شرایط خوردگی در طول کار بر سیستم های لوله کشی نصب شده نیز ممکن است رخ بدهد. هنگامی که ابزار قسمتی از لوله را برش میدهند یا در آن خراش ایجاد میکنند، نقاط روشنی از لایه های زیرین لوله نمایان می شوند. این قسمت ها دارای پتانسیل منفی تری نسبت به مابقی لوله هستند که می توانند باعث ایجاد خوردگی در لوله شوند.

سایز نسبی نواحی آندی و کاتدی نیز می تواند اثر بارزی بر شدت خوردگی سلولی غیریکنواخت داشته باشد. به طور کلی شدت خوردگی نواحی آندی در صورتی که ناحیه آندی کوچکتر از ناحیه کاتدی باشد افزایش می یابد. زمانی که ناحیه آندی کوچک و ناحیه کاتدی بزرگ است، آند در معرض تخلیه شدت جریان زیادی در واحد سطح است. مقدار کلی این جریان به وسیله سینتیک اکسیداسیون، واکنش های احیا و مقاومت ویژه ی خاک کنترل می شود. جریان جمع شده بر واحد سطح در ناحیه کاتدی نسبتا کم است و ممکن است باعث ایجاد درجات بالایی از قطبی شدن نشود که همین مساله مقدار جریان خوردگی را محدود می کند. در یک خاک با مقدار مقاومت ویژه ی پایین خوردگی می تواند سریع تر اتفاق بیفتد.

بیشتر بخوانید: استاندارد لوله های فولادی درزدار

خوردگی تحت تاثیر عوامل میکروبیولوژیکی در لوله گازی

خوردگی تحت تاثیر عوامل میکروبیولوژیکی (MIC) نوعی از خوردگی است که در حضور و فعالیت برخی میکروارگانیسم ها مانند باکتری ها و قارچ ها اتفاق می افتد. بر اساس تحقیقات انجام شده در حدود 20 تا 30 درصد خوردگی های خارجی که در سطح لوله های زیر زمینی اتفاق می افتد در اثر همین نوع خوردگی است. میکروارگانیسم هایی که در سطح لوله هستند به طور مستقیم به فلز حمله نمی کنند و یا باعث خوردگی آن نمی شوند بلکه محصولات فرعی، ناشی از فعالیت ارگانیسم ها باعث ایجاد برخی از انواع خوردگی حفره ای و شکافی می شود. نوعا آنچه که کلونی های میکروارگانیسم های در حال رشد ایجاد می کنند از دو طریق باعث سرعت بخشیدن به فرایند خوردگی می شوند.  

• برهم کنش با آنچه در اثر خوردگی ایجاد می شود و ممانعت از ایجاد یک فیلم طبیعی در جهت جلوگیری از خوردگی
• واکنش های احیای بیشتر که فرایند خوردگی را سرعت می بخشد.

مجموعه ای از باکتری ها که باعث تسریع خوردگی لوله های زیر زمینی می شوند می توانند به دو دسته ی باکتری های هوازی یا غیر هوازی تقسیم بندی شوند. باکتری های هوازی تنها در حضور اکسیژن می توانند زنده بمانند در حالی که باکتری های غیرهوازی بدون اکسیژن نیز به فعالیت خود ادامه می دهند. دسته ی سومی از باکتری های هوازی نیز وجود دارند که ترجیح می دهند در شرایط هوازی باشند اما در شرایط غیرهوازی نیز می توانند زنده بمانند. دسته ی متداول از باکتری های غیر هوازی که باعث ایجاد خوردگی می شوند باکتری های احیا کننده ی سولفات(SRB) و باکترهای احیای فلز هستند. باکتری های هوازی متداول نیز شامل باکتری های اکسید کننده ی فلز هستند. باکتری های تولید کننده اسید، دوگونه زی های هوازی هستند. اما شدیدترین حمله ها در حضور مجموعه های میکروبی که از چندین نوع مختلف باکتری تشکیل شده اند اتفاق می افتد. دراین مجموعه ها، هر نوع باکتری فعالیت هایی را انجام می دهد که برای رشد گونه های دیگر مطلوب است. باکتری های غیر هوازی می توانند در شرایط هوازی نیز به حیات خود ادامه دهند در این شرایط باکتریهای غیر هوازی در زیر مجموعه های باکتری هوازی به فعالیت خود ادامه می دهند. در خصوص لوله های زیر زمینی شدیدترین حمله ها مربوط به باکتری های تولید کننده اسید است.

تصویر شماره 6 – باکتری های مرتبط با آهن که مقدار متفاوتی PH و اکسیژن در سطح فلز ایجاد می کنند