Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn của ống dẫn khí bằng thép không gỉ

Trong dịch vụ khí đốt, khả năng chống ăn mòn của ống thép không gỉ chủ yếu được kiểm soát bởi bốn điều: giữ cho dòng khí khô (không có nước tự do), hạn chế clorua ở bề mặt kim loại, chọn hợp kim có khả năng chống ăn mòn cục bộ/SCC phù hợp với nhiệt độ và khôi phục/duy trì bề mặt thụ động sau khi chế tạo.

Nếu bỏ sót bất kỳ yếu tố nào trong số này—đặc biệt nếu nước ngưng tụ bên trong dây chuyền—thép không gỉ có thể bị rỗ, ăn mòn kẽ hở hoặc nứt ngay cả khi hợp kim cơ bản có khả năng “chống ăn mòn”. Các phần dưới đây phân tích các yếu tố thực tế thường quyết định xem ống thép không gỉ dùng cho khí đốt có duy trì được sự cố trong nhiều thập kỷ hay bị hỏng sớm hay không.

Các yếu tố môi trường dịch vụ bên trong ống dẫn khí bằng thép không gỉ

Đối với các ống thép không gỉ mang khí, các tình huống ăn mòn nguy hiểm nhất thường bắt đầu khi pha lỏng dẫn điện hình thành trên thành ống. Nếu không có chất điện phân (thường là nước), hầu hết các cơ chế ăn mòn bên trong sẽ chậm lại đáng kể.

Sự hiện diện của nước và điểm sương khí

Nước tự do là điều kiện thuận lợi cho hầu hết sự ăn mòn bên trong. Ngay cả khi khí khiến nhà máy “khô”, nhiệt độ giảm dọc theo tuyến đường có thể buộc nước ngưng tụ nếu điểm sương của nước không được kiểm soát đầy đủ. Hướng dẫn của ngành nhấn mạnh đến việc khử nước để giảm điểm sương của khí và loại bỏ các điều kiện thúc đẩy sự ăn mòn.

Những sự cố gây ra khí ẩm (hoặc cho phép ngưng tụ) tập trung rủi ro ở các điểm thấp, chân chết và hạ lưu làm mát.
Một lượng nước nhỏ có thể đủ nếu chúng bị ứ đọng và tích tụ muối, cặn sắt hoặc vi khuẩn.

Khí axit, oxy và muối “kích hoạt” cuộc tấn công cục bộ

Khi có nước, các chất hòa tan sẽ dẫn đến mức độ nghiêm trọng và chế độ hỏng hóc:

clorua (từ nước mang theo, nước thử nghiệm hydro, không khí xâm nhập ven biển hoặc chất lỏng làm sạch) là nguyên nhân phổ biến nhất dẫn đến ăn mòn rỗ/kẽ hở và nứt do ăn mòn ứng suất clorua.
CO₂ làm giảm độ pH trong nước ngưng tụ (axit cacbonic) và có thể làm tăng nguy cơ ăn mòn chung trong các hệ thống hỗn hợp kim loại; sự xâm nhập của oxy có thể đẩy nhanh quá trình ăn mòn ở những vùng ẩm ướt.
H₂S thay đổi độ nhạy nứt và yêu cầu về chất lượng vật liệu trong môi trường chua; việc sử dụng vật liệu thường được quản lý bởi MR0175/ISO 15156.

Bài học thực tế: kiểm soát quá trình để các bề mặt bên trong nhìn thấy được khí khô và lắng đọng muối tối thiểu ; khi điều đó không thể được đảm bảo (khởi động, heo đất, thử nghiệm hydro hoặc khí không đạt thông số kỹ thuật), việc lựa chọn vật liệu và chất lượng chế tạo sẽ trở nên quyết định.

Hóa học hợp kim và lựa chọn cấp độ: tại sao “không gỉ” không phải là một vật liệu

Thép không gỉ chống ăn mòn vì có một lớp màng thụ động crom-oxit mỏng hình thành trên bề mặt. Trong quá trình làm ướt chứa clorua, sự khác biệt giữa độ bền “đủ” và “cao” thường bị chi phối bởi hàm lượng crom (Cr), molypden (Mo) và nitơ (N), thường được so sánh bằng cách sử dụng Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN).

Sử dụng PREN để so sánh khả năng chống rỗ/kẽ hở

PREN ≈ %Cr (3,3 × %Mo) (16 × %N) . PREN cao hơn thường cho thấy khả năng chống ăn mòn rỗ và kẽ hở do clorua dẫn đến được cải thiện (vấn đề chính khi có thể xảy ra khí ướt hoặc ngưng tụ mặn).

Phạm vi PREN điển hình được sử dụng để so sánh khả năng chống ăn mòn cục bộ giữa các dòng sản phẩm không gỉ.
Họ vật liệu/cấp mẫu	Phạm vi PREN điển hình (xấp xỉ)	Ý nghĩa thực tế trong tình trạng rối loạn ẩm ướt, chứa clorua
304/304L (austenit)	~17,5–20,8	Dễ bị tổn thương hơn do rỗ/kẽ hở clorua trong các trường hợp làm ướt
316/316L (austenit, mang Mo)	~23,1–28,5	Cải thiện khả năng chống ăn mòn cục bộ so với 304; vẫn nhạy cảm với SCC ở nhiệt độ cao hơn
Song công 2205 (song công 22Cr)	≥35 (thường ~35–36 )	Lựa chọn nâng cao phổ biến khi 304/316 đối mặt với SCC clorua hoặc có nguy cơ rỗ nghiêm trọng
Siêu austenit (ví dụ: 6Mo/254SMO)	~42–48	Được thiết kế để làm ướt clorua mạnh mẽ; chi phí cao hơn, thường được sử dụng cho trường hợp xấu nhất

Bài học rút ra từ thực tế: nếu việc làm ướt bằng clorua là đáng tin cậy (nước ngưng tụ, dư lượng hydrotest, tiếp xúc với bờ biển, nước được sản xuất mang theo), việc lựa chọn cấp độ phải dựa trên ăn mòn cục bộ và biên SCC , không chỉ là “thép không gỉ và thép carbon”.

Nhiệt độ, clorua và ứng suất: “dây ba chân” SCC cho đường ống dẫn khí

Vết nứt ăn mòn ứng suất clorua (Cl-SCC) đòi hỏi ba điều kiện cùng một lúc: ứng suất kéo (ứng suất hàn dư có thể đủ), clorua trên bề mặt ướt và nhiệt độ cao. Trong thực tế, nhiệt độ là yếu tố thường biến nguy cơ rỗ có thể kiểm soát được thành nguy cơ nứt.

Ngưỡng thực tế: hướng dẫn 60 °C (150 °F)

Khi thép không gỉ được ngâm hoàn toàn, hiếm khi thấy clorua SCC ở nhiệt độ dưới khoảng 60 °C (150 °F) . Trên phạm vi đó, độ nhạy cảm tăng mạnh và ngay cả mức clorua tương đối thấp cũng có thể trở thành vấn đề - đặc biệt là với chu trình ướt/khô tập trung muối trên bề mặt.

Điều khiển hoạt động trong hệ thống đường ống thực

Giữ nhiệt độ kim loại ở dưới chế độ nhạy cảm với SCC nếu có thể (thiết kế cách nhiệt, định tuyến và tránh các điểm nóng).
Giảm tiếp xúc với clorua trong quá trình thử nghiệm hydrotest/vận hành và đảm bảo thoát nước và khô hoàn toàn (màng dư có thể hình thành các vết rỗ mà sau này phát triển thành vết nứt).
Nếu không thể tránh được nhiệt độ và clorua ướt một cách đáng tin cậy, hãy chỉ định các vật liệu song công/siêu song công hoặc hợp kim cao hơn (và xác định chúng theo các tiêu chuẩn chua/dịch vụ hiện hành nếu có liên quan).

Mối hàn, màu nhiệt và tình trạng bề mặt: cách chế tạo có thể xóa bỏ khả năng chống ăn mòn

Đối với các ống thép không gỉ dẫn khí, nhiều vấn đề ăn mòn “bí ẩn” bắt nguồn từ quá trình chế tạo: màu nhiệt, sắt nhúng, thanh lọc kém trên ID, hoàn thiện thô và làm sạch/thụ động không hoàn toàn. Những vấn đề này tạo ra điểm yếu là lớp thụ động bị hư hỏng hoặc không thể cải tổ một cách thống nhất.

Màu nhiệt và vảy oxit sau khi hàn

Màu nhiệt không chỉ là sự đổi màu: nó biểu thị bề mặt bị oxy hóa và thường là lớp thiếu crom trên bề mặt. Nếu để nguyên tại chỗ, nó có thể làm giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn cục bộ ngay tại nơi có ứng suất dư cao nhất (vùng chịu ảnh hưởng nhiệt và chân mối hàn).

Tẩy và thụ động (và tại sao cả hai đều quan trọng)

Tẩy gỉ loại bỏ vảy mối hàn/màu nhiệt và lớp bề mặt bị hư hỏng; thụ động thúc đẩy một bộ phim thụ động mạnh mẽ. Các tiêu chuẩn như ASTM A380 (làm sạch/tẩy cặn/thụ động hóa) và ASTM A967 (xử lý thụ động hóa học) thường được sử dụng để xác định các quy trình và xác minh được chấp nhận.

Sử dụng phương pháp thanh lọc ID thích hợp để ngăn chặn quá trình oxy hóa mạnh bên trong chân mối hàn ống (đặc biệt quan trọng đối với đường ống dẫn khí nơi khả năng tiếp cận bên trong bị hạn chế sau khi lắp ráp).
Loại bỏ chất bẩn sắt khỏi dụng cụ mài hoặc tiếp xúc với thép carbon (bộ phận thu sắt có thể “gỉ” trên bề mặt và bắt đầu tấn công lớp lắng đọng dưới mức).
Chỉ định các tiêu chí chấp nhận cho quá trình hoàn thiện mối hàn (chuyển tiếp trơn tru, các kẽ hở tối thiểu) vì hình học thúc đẩy tính chất hóa học trong kẽ hở và khả năng giữ cặn.

Các chi tiết thiết kế và lắp đặt thúc đẩy hiệu suất ăn mòn

Ngay cả với loại phù hợp và khả năng hàn tốt, các chi tiết thiết kế sẽ quyết định liệu chất lỏng ăn mòn và cặn lắng có tích tụ hay không, liệu oxy có thể xâm nhập hay không và liệu các cặp điện có tăng tốc độ tấn công hay không.

Tránh các kẽ hở, chân chết và bẫy chất lỏng

Đường dốc phù hợp và cung cấp các điểm thoát nước ở những điểm thấp để ngăn chặn sự ngưng tụ đọng nước.
Giảm thiểu cành chết, cành bị ngọn; nước đọng là nguyên nhân phổ biến gây ra hiện tượng ăn mòn do ảnh hưởng vi sinh vật (MIC).
Sử dụng thiết kế đệm/kết nối không tạo ra các kẽ hở cố định nơi tập trung nước muối giàu clorua.

Tương tác điện và kim loại hỗn hợp

Nếu thép không gỉ được kết nối điện với các kim loại ít quý hơn (ví dụ: thép cacbon) và có chất điện phân, thì hiện tượng ăn mòn điện có thể tăng tốc độ tấn công vào thành phần kém quý hơn và tập trung cặn lắng tại điểm nối — cũng tạo ra nguy cơ ăn mòn cục bộ đối với thép không gỉ. Các chiến lược cách ly (kết hợp điện môi, thiết kế nối đất cẩn thận và tránh các điểm nối “ướt”) làm giảm nguy cơ này.

Vận hành, thử nghiệm hydro và MIC: những yếu tố “ẩn” quyết định sức đề kháng lâu dài

Nhiều lỗi ăn mòn đường ống dẫn khí không gỉ xảy ra không phải trong quá trình vận hành ở trạng thái ổn định mà trong quá trình vận hành thử, thử nghiệm hydro hóa, ngừng hoạt động hoặc các trục trặc trong quá trình xử lý khiến nước xuất hiện và để lại cặn.

Hydrotest chất lượng nước và kỷ luật sấy khô

Hydrotest và nước xả có thể tạo ra clorua và vi khuẩn. Hướng dẫn thực tế của ngành thường khuyến nghị sử dụng nước có hàm lượng clorua thấp (thường ~50 phần triệu clorua như một tiêu chuẩn thận trọng) và nhấn mạnh đến việc làm sạch, thoát nước và làm khô để nước đọng không đọng lại bên trong đường ống.

Rủi ro MIC khi nước bị ứ đọng

Ăn mòn do ảnh hưởng vi sinh vật (MIC) có thể xảy ra ở vùng nước tù đọng—thậm chí ở mức clorua tương đối khiêm tốn—và đã được ghi nhận trong các hệ thống không gỉ nơi đường ống không được thoát nước sau khi thử nghiệm bằng hydro. Biện pháp kiểm soát ngay lập tức đang được thực hiện: không để lại màng nước ứ đọng và tránh tình trạng ứ đọng kéo dài mà không có biện pháp kiểm soát/diệt khuẩn khi được quy trình và quy định của bạn cho phép.

Xác định trình tự vận hành kết thúc bằng việc xả hết, xả khí khô (hoặc tương đương) và xác minh độ khô.
Kiểm soát lượng oxy xâm nhập trong thời gian ngừng hoạt động (che phủ, cách ly chặt chẽ và quản lý rò rỉ) vì oxy ở các khu vực ẩm ướt sẽ đẩy nhanh quá trình tấn công.
Trước tiên, hãy kiểm tra các vị trí dễ bị tổn thương nhất: điểm thấp, chân chết, phía sau bộ làm mát và các ống hàn nặng.

Bảng quyết định thực tế: yếu tố, dạng lỗi và cách xử lý lỗi đó

Sơ đồ thực tế từ các yếu tố chính đến cơ chế ăn mòn có khả năng xảy ra nhất và biện pháp kiểm soát tác động cao nhất.
Yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn	Chế độ hư hỏng điển hình trong đường ống dẫn khí không gỉ	Kiểm soát giá trị cao
Nước ngưng tụ/khí ướt	Cho phép tấn công rỗ/kẽ hở, tiền gửi dưới mức	Mất nước; kiểm soát điểm sương; chiến lược thoát nước và nuôi lợn
clorua on a wet surface	Rỗ/kẽ hở; Trang web khởi tạo Cl-SCC	Hạn chế nguồn clorua (thử hydro/làm sạch); nâng cấp hợp kim (PREN cao hơn)
Ứng suất kéo nhiệt độ	vết nứt do ăn mòn ứng suất clorua	Giữ kim loại mát hơn nếu có thể; giảm clorua; lựa chọn song công/siêu song công
Màu nhiệt / phục hồi bề mặt kém	Ăn mòn cục bộ tại mối hàn/HAZ	Thụ động ngâm; thanh lọc chất lượng; kiểm soát ô nhiễm
Nước đọng sau khi hydrotest/tắt máy	MIC, rỗ ở tiền gửi	Kỷ luật xả/khô; hạn chế tối đa tình trạng chết chân; kiểm tra có mục tiêu ở điểm thấp

Bài học cuối cùng: Ống dẫn khí bằng thép không gỉ hoạt động tốt nhất khi bạn coi khả năng chống ăn mòn là đặc tính của hệ thống—độ khô của quy trình, quản lý clorua, lựa chọn hợp kim (biên PREN/SCC), chất lượng chế tạo và thiết kế quản lý chất lỏng đều phải phù hợp.