بخشی از مقاله
بررسي مکانيزم خوردگي تنشي لوله هاي فولادي انتقال گاز از جنس فولادAPI X65 در منطقه مارون
چکيده
. باتوجه چندين مورد ترکخوردگي تنشي مشاهده شده در يکي از شاخه هاي خطوط لوله تزريق گاز در منطقه مارون، ادامه ايمن و مستمر عمليات تزريق ، مستلزم بررسي مکانيزمهاي ترکخوردگي تنشي در خطوط لوله مذکور مي باشد. لذا بررسي مکانيزم خوردگي تنشي و همچنين عوامل موثر بر آن اهميت بسزايي دارد.در حال حاضر براي ارزيابي حساسيت لوله هاي فولادي انتقال نفت و گاز به ترک خوردگي تنشي متأثر از محيط در مناطق نفت خيز جنوب از آزمون خمش چهار نقطه اي استفاده مي شود. در اين تحقيق با توجه به مزاياي آزمون نرخ کرنش آهسته در مقايسه با آزمون فوق با انتخاب نمونه هايي از لوله و انجام آزمون SSRT روي آنها، مکانيزم خوردگي تنشي تحليل و بررسي گرديده است . نمونه هاي لوله از قسمت مجاور حاوي ترک SCC در لوله شاخه E تزريق گاز منطقه مارون انتخاب گرديده و با اعمال شرايط دما و پتانسيل مشابه و شبيه سازي محيط خاک اطراف خط لوله منطقه مذکور، مورد آزمون نرخ کرنش آهسته قرارگرفته است . در نهايت از طريق فراکتوگرافي سطح مقطع شکست نمونه ها توسط ميکروسکپ الکتروني نتايج تحليل گرديده است . تست هاي SSRT در دماي C٦٠ و پتانسيل هاي mv SCE ٦٥٠- و مدار باز mv) OCP ٧٢٤-) انجام شده است . همچنين يک تست به عنوان شاهد در هوا و در دماي C٦٠ انجام شده است . نتايج نشان مي دهند که دما و پتانسيل اعمالي ، نقش موثري بر پديده SCC در خطوط لوله داشته و نقش پتانسيل بيشتر است .
واژههاي کليدي: ترک خوردگي تنشي ؛ فولادAPI X65 :پتانسيل مدار باز
مقدمه
ترکبرداري خوردگي تنشي فرايند خوردگي موضعي محسوب مي شود. به طور کلي در اين نوع خوردگي کاهش بارز و قابل اندازهگيري در وزن فلز وجود نخواهد داشت . براي مثال، در خطوط لوله مدفون ، ضخامت ديواره لوله در زمان وقوع ترک برداري خوردگي تنشي بدون تغيير باقي مي ماند. جهت ترکبرداري عموما عمود بر جهت تنش کششي اعمالي بر خط لوله مي باشد. ترک برداري خوردگي تنشي معمولا به صورت طولي در جهت تنش هاي حلقوي لوله تغيير جهت مي دهند که معمولا ناشي از نوسانات فشار داخل خط لوله مي باشند ولي در برخي موارد ترکبرداري خوردگي تنشي ، موقعي که تنش محوري غالب است ، مانند تنش هاي گسترش يافته در اثر حرکت خاک در مناطق خم شده، در جهت لوله اتفاق مي افتد ترک خوردگي خارجي خطوط لوله زيرزميني انتقال نفت و گاز از سال ١٩٦٥ ميلادي شناسايي شد .در سال ١٩٦٥ اولين مورد SCC گزارش شد[١]. از آن موقع ، SCC به عنوان يک عامل از کار افتادگي خط لوله در کشورهاي سراسر جهان شناخته شده است . خطوط لوله در استراليا، کانادا، ايران، عراق، پاکستان، عربستان سعودي و ايالات متحده، همگي دچار SCC شده اند. از سال ١٩٩٧، SCC منجر به ٢٢ از کار افتادگي خط لوله در کانادا شده است . اين از کار افتادگي ها، شامل ١٢ انهدام و ١٠ نشتي در سيستم هاي خط لوله مايع و گاز طبيعي مي باشد[٤، ٢،٣].اين پديده در ايران نيز تجربه شده ، از آن جمله در شرکت مناطق نفتخيز جنوب از اواسط سال ١٣٧٠ خورشيدي تا به امروز ترک خوردگي تنشي خارجي خطوط لوله جمع آوري گاز ميدان پازنان و تزريق گاز ميدان گازي مارون گزارش شده است .
ايستگاه تزريق گاز مارون و شبکه خطوط لوله مرتبط با آن در سال ١٣٦٨ به منظور تثبيت فشار مخزن آسماري مارون و ازدياد برداشت ثانويه از اين مخزن راهاندازي شد. طراحي سيستم تزريق گاز مارون بر مبناي حداکثر فشار ٣٠٠ بار انجام پذيرفته است . [٥] طي گزارش تحليل آسيب در سال ٨٦ و ٨٧ روي خط لوله ١٦ اينچ تزريق گاز شرکت بهره برداري نفت و گاز مارون [٥، ٦] ، علل نشت خط لوله مذکور مورد بررسي قرار گرفته است . پس از بررسي موضوع که از طريق روشهاي غيرمخرب و مشاهده توسط ميکروسکوپ نوري انجام گرفت ، خوردگي تنشي متأثر از محيط خاک تأييد گرديد که به صورت مجتمع خود را نشان داده است . اگرچه عوامل وقوع اين نوع آسيب را به سه متغير تنش ، آلياژ مستعد و شرايط محيطي تفکيک مي نمايند، اما هريک از اين سه عامل شامل زير متغيرهاي ديگري نيز مي گردند. به لحاظ شرايط آلياژي، معمولا لوله هاي توليدي بر اساس APIL5 و به خصوص ردههايX42 تاX70 مستعد خوردگي تنشي محيط خاک بوده و با افزوده شدن استحکام تسليمي و سختي ، ريسک وقوع خوردگي تنشي افزايش مي يابد. به دليل اينکه لوله مورد نظر 56)(API5L Gr.X) داراي استحکام تسليم و سختي بالاست و با در نظر گرفتن ناخالصي هاي ساختاري و حضور حفرههاي خوردگي ، شرايط مستعدي براي وقوع اين نوع ترک خوردگي دارد. بررسي ساختاري نمونه متالوگرافي مذکور نشاندهنده اجتماع ترکهاي متعدد(Colony Cracking) در آن بوده که اکثرا از مورفولوژي شاخه اي (Branch Type) پيروي مي کنند. هدف اين تحقيق بررسي حساسيت به ترک خوردگي تنشي لوله
X65 که در شرايط عملياتي دچار ترک خوردگي تنشي گرديده است با استفاده از روش آزمون با نرخ کرنش آهسته ، درشرايط پتانسيل هاي OCP ، هوا و ميلي ولت (SCE) و دماي ٦٠ درجه سانتيگراد مي باشد. [٥]
مواد و روش تحقيق
ماده مورد استفاده در اين تحقيق ، نمونه لوله فولادي API X65 از مجاور قسمت دچار ترک خوردگي SCC بوده( شکل ٢) و عمده ترين ماده مورد استفاده در خطوط لوله انتقال گاز در مناطق نفتخيز جنوب مي باشد. اين فولاد داراي ساختار فريتي پرليتي مي باشد و جهت تعيين عناصر موجود در لوله ، آناليز عنصري نمونه لوله API X65 توسط کوانتومتري انجام گرديده است .
پس از تهيه فولاد خط لوله ، از آنجا که ترک هاي خوردگي تنشي به دليل وجود تنش هاي حلقوي ، در جهت طولي در خط لوله ايجاد مي گردند و به دليل وجود تنشهاي بيشتر در اين جهت نسبت به جهات ديگر بريده شدند( شکل ٣)نمونه ها ي عرضي از مقطع لوله تهيه شدند. پس از برش نمونه ها به شکل مکعب مستطيل در جهت عرضي ،نمونه هاي دمبلي شکل براي انجام آزمون نرخ کرنش آهسته (SSRT) بر اساس استاندارد ASTM EM٨ تراشکاري 'گرديدند. ابعاد نمونه هاي مورد استفاده در آزمون هاي کشش با نرخ کرنش آهسته بر طبق استاندارد در شکل ٤ ارائه گرديده است . پس از تراشکاري ، نمونه ها تا سنباده مش
٨٠٠ سنباده زده و جهت ايجاد سطحي يکنواخت روي نمونه ها آماده سازي و سپس توسط محلول استن چربي زدايي گرديد.
با توجه به نتايج آناليز خاک از طريق تهيه عصاره اشباع و XRF خاک اطراف خط لوله تزريق گاز مارون ( جدول ١) ، جهت تهيه محلول آزمون ، از ترکيبات وآب مقطر استفاده گرديد که مقادير ترکيبات مذکور در جدول٢ آورده شده است .
آزمونهاي کشش با استفاده از دستگاه کشش با نرخ کرنش آهسته مطابق با استاندارد ASTM G129 [٧]و با نرخ کرنش و در محيط آزمون با pHبالا حدود ١٠ و در شرايط پتانسيل (SCE) ٦٥٠- ميلي ولت و دماهاي ٦٠ درجه سانتيگراد انجام گرديده است ، که با قرار گيري نمونه در شرايط پتانسيل OCP mv ٧٣٩- نسبت به الکترود مرجع کالومل و هوا در دماي ٦٠ درجه سانتيگراد مقايسه مي گردد.
در انتها نيز سطوح شکست نمونه ها توسط ميکروسکپ الکتروني روبشي وآناليز EDAX تحليل و بررسي گرديده و جهت توپوگرافي سطح شکست از استريو مايکروسکپ استفاده شد.
نتايج و بحث
به منظور تعيين دقيق ترکيب شيميايي و اطمينان از تطابق با استاندارد APIL٥، آزمون کوانتومتري روي فولاد خط لوله X65 تزريق گاز مارون ، انجام گرديد بطوريکه نتايج اين آزمونها د رجدول ٣ آمد.
همانطور که در شکل ٥ مشاهده مي گردد ، منحني تنش کرنش به دست آمده از آزمايش کشش با نرخ کرنش آهسته فولاد X65 با نرخ کرنش ١-S ٦-١٠ ×١.٦ در محلول قليايي شبيه سازي شده از خاک مجاور خط لوله دچار ترک خوردگي SCC شده در دماي ٦٠ درجه سانتي گراد و پتانسيل هاي الکتروشيميايي مختلف نشان داده شده است . نتايج نشان مي دهند که نمونه قرار گرفته در پتانسيل ٦٥٠- ميلي ولت (SCE) در مقايسه با نمونه هاي قرار گرفته در پتانسيل OCP( ٧٢٤- ميلي ولت ) و در هوا افزايش طول کمتري داشته و رفتار تردتري نشان دادهاند.
بررسي پارامترهاي درصد کاهش سطح مقطع ، زمان شکست و افزايش طول تا مرحله شکست نشان مي دهد که نمونه هاي کشيده شده در هوا و قرار گرفته در پتانسيل OCP ( ٧٢٤- ميلي ولت ) ، داراي رفتار نرم - تري مي باشند.
با توجه به نتايج آزمون SSRT همانگونه که در شکل ٦- الف ) نيز مشخص است ، درصد کاهش سطح مقطع نمونه لوله در پتانسيل مدار باز بيشتراز پتانسيل کمتر از نمونه درهوا مي باشد ، در نتيجه نمونه در پتانسيل ٦٥٠- ميلي ولت داراي بزرگترين سطح مقطع شکست و در هوا داراي کوچکترين سطح مقطع شکست مي باشد. بدين ترتيب انعطاف پذيري نمونه در هوا نسبت به نمونه در پتانسيل OCP و(mv)SCE٦٥٠- در حضور محلول بيشتر بوده و در پتانسيل (mv)SCE٦٥٠- از ساير حالات کمتر مي باشد. اين امر نشان مي دهد که فولاد X65 حساس به ترک خوردگي متاثر از محيط بوده و حساسيت آن بستگي به پتانسيل اعمالي دارد.بنابراين هرچه کاهش سطح مقطع کمتر باشد ، حساسيت پذيري به scc بالاتر خواهد بود. [٨]همچنين به دليل حفاظت بيشتر در پتانسيل OCP و هوا نسبت به پتانسيل خوردگي در هوا کمترين و در پتانسيل بيشترين مقدار را دارد.
در شکل ٦- ب) درصد افزايش طول نمونه هاي لوله تا مرحله شکست در دماي C ٦٠ را در پتانسيل هاي مختلف نشان داده است . همانگونه که مشخص است نمونه در هوا با ازدياد طول بيشتري نسبت به پتانسيل OCP وپتانسيل در دماي ٦٠ درجه شکسته است . وقتي نمونه داراي افزايش طول بيشتري مي گردد ، تغيير شکل راحت تر صورت گرفته و در نتيجه سهم شکست نرم افزايش مي يابد.
همچنين به دليل اينکه در پتانسيل OCP و در هوا حفاظت بيشتري نسبت به پتانسيل ( mv ٦٥٠- SCE) انجام مي گردد، خوردگي نيز کاهش يافته و نمونه فرصت بيشتري جهت شکست مي يابد.
همانگونه که در شکل ٦- ج ) مشاهده مي گردد، نتايج تاييد کننده نمودارهاي قبلي بوده و بيانگر اين است که هر چه در پتانسيلي حفاظت بيشتري صورت پذيرد، ازدياد طول و کاهش سطح مقطع بيشتر بوده در نتيجه نمونه زمان بيشتري نيز براي شکست مي يابد.
در تصاوير شکل ٧ سطوح شکست نمونه هاي کشيده شده در هوا نشان داده شده است . سطح شکست نمونه کشيده شده در هوا ، شکل فنجاني – مخروطي ١ و وجود ديمپل ٢ مشخصه ي شکست نرم، ايجاد شکست نرم در اين نمونه ها را تأييد مي کند. شکست نرم بواسطه حضور تعداد زيادي حفره کوچک بر سطح شکست نمونه تحت آزمايش در هوا مشاهده شد. براي نمونه کشيده شده در هوا، سطح شکست حاوي حفرات توخالي برشي است . بنظر مي رسد، شکست در اين نمونه بواسطه تجمع اين حفرات کوچک در مرزدانه ها باشد که شکل مخروطي توخالي را ايجاد کرده است . شکست بصورت مخروط- فنجان، رفتار نرم ٣ اين ماده را تحت آزمون با نرخ کرنش آهسته در هوا نشان مي دهد.
در تصاوير استريوسکپي و ميکروسکوپي ارائه شده در .Error! Reference source not found ٨ سطح شکست نمونه کشيده شده در محلول قليايي شبيه سازي شده ازخاک و قرار گرفته در پتانسيل کاتدي ٦٥٠- ميلي (SCE) در طول آزمون SSRT در بزرگنمايي هاي مختلف نشان داده شده است . همانطور که مشاهده مي شود، سطح شکست اين نمونه در مقايسه با نمونه کشيده شده در هوا کاملا متفاوت است و شکل معمول شکست نرم (مخروط و فنجان) در اين نمونه مشاهده نمي شود و اگرچه برخي ديمپل هاي شکست نرم در تصوير ديده مي شود اما تراکم اين ديمپل ها در مقايسه با نمونه کشيده شده در هوا بسيار کمتر مي - باشد. در کل مي توان گفت مورفولوژي نيمه ترد است و در واقع نوع شکست ، در مقايسه با نمونه کشيده شده در هوا تردتر مي باشد. در تصوير با بزرگنمايي کمتر نيز وجود ترکهاي ثانويه در نزديکي مقطع شکست به خوبي مشهود است .
با توجه به بررسي نتايج آزمون SSRT و بررسي هاي ميکروسکوپي کاملا مشهود است که در نمونه قرار گرفته در پتانسيل ٦٥٠- ميلي ولت ترکبرداري خوردگي تنشي pH بالا در اثر تماس فولاد X65 با محلول قليايي شبيه سازي شده از خاک و در کنار تنش کششي رخ داده است و لذا شرايط جهت ايجاد خوردگي تنشي pH بالا و شکست سريع تر مهيا بوده است . لذا مي توان گفت که پتانسيل ٦٥٠- ميلي ولت پتانسيل مناسب براي ايجاد ترکبرداري خوردگي تنشي مي باشد و پيش بيني ارائه شده در بررسي رفتار خوردگي فولاد X65 در مورد محدوده ترکبرداري تأييد مي شود.
با توجه به شکل ٩ و آناليز انجام گرفته در تصاوير ٩- الف و ب ( جدول ٤) ، مشاهده گرديده است که در پتانسيل مدار باز ٧٢٤- ميلي ولت نسبت به الکترود مرجع کالومل ، مجاورحفره ترکيبات آلومينوسيليکاتي موجود بوده، از اين رو اين ترکيبات نقش کاتد را ايفا نموده و حفره در مجاور آن در اثر انحلال آندي بوجود مي آيد . حفره نسبت به زمينه آندي بوده و به صورت ترجيحي خورده مي شوند و محيط اسيدي موضعي را به وجود مي آورند و به تدريج غلظت H2S افزايش مي يابد. حتي زماني که شرايط ترموديناميکي محلول بيرون ترک و شرايط توليد هيدروژن ممکن نباشد، شرايط شيميايي درون ترک از نظر ترموديناميکي مي تواند براي توليد هيدروژن مناسب باشد [١٠].
. همچنين به علت مقدار زياد -cl در محلول شبيه سازي شده ،حفره مي تواند روي سطح بوسيله انحلال آندي در برخي محلول هاي موضعي به علت هجوم يون -cl تشکيل شود.
حفره خوردن ،نقش مهمي را در طول فرايند SCC ايفا مي کند. از يک طرف تنش روي پايين حفره ها متمرکز شده و مناطق با تنش بالا نسبت به محل با تنش پايين تر آندي مي شود. بنابراين ترک هاي scc از پايين يک حفره بوسيله يک فرايند انحلال شروع مي شوند. از طرف ديگر ،حفره ها توانسته منجر به يک محيط اسيدي موضعي شود. در جاييکه PH براي توليد اتم هاي هيدروژن ، به اندازه کافي بالا است .. اين اسيدي شدن توانسته برخي واکنش هاي منجر به شروع و رشد ترک را تسهيل بخشد. [٩]
همانگونه که در آناليز جدول ٤ مشخص است ، در تصوير ٩- ج) ، وجود ترکيبات حاوي منگنز مي تواند به دليل وجود سولفيدها ي منگنز در فولاد باشد.
نتيجه گيري
١) بررسي پارامترهاي درصد کاهش سطح مقطع ، زمان شکست و افزايش طول تا مرحله شکست نشان مي - دهد که نمونه هاي فولاد X65 خط لوله تزريق گاز مارون کشيده شده در هوا و قرار گرفته در پتانسيل OCP ، داراي رفتار نرمتري نسبت به نمونه کشيده شده در شرايط پتانسيل و دماي ٦٠ درجه سانتيگراد بوده و ترک خوردگي تنشي ديرتر در آنها رخ مي دهد.
٢) با توجه به بررسي نتايج آزمون SSRT مي توان گفت که پتانسيل ٦٥٠- ميلي ولت پتانسيل مناسب براي ايجاد ترکبرداري خوردگي تنشي مي باشد .
٣) فولاد X65 خط لوله تزريق گاز مارون حساس به ترک خوردگي متاثر از محـيط بـوده و حساسـيت آن بستگي به پتانسيل اعمالي دارد.
٤) با توجه به وجود ترکيبات با توجه به وجود ترکيبات آلومينوسـيليکاتي در فـولاد مزبـور و عـدم کنتـرل مناسب از نظر حضور ناخالصي ها در مجاور برخي حفره ها مي توان نتيجه گرفت که اين ترکيبات نقش کاتدي داشته و باعث تشکيل حفرات و تشديد
