Chương 8a ăn mòn mặt TRONG các THIẾT bị dầu KHÍ

ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU KHÍ • 8.1 Khái niệm về dầu mỏ và mỏ dầu a Nguồn gốc dầu mỏ tự nhiên • Thuyết vô cơ: Carbon và hydro phản ứng ở nhiệt độ và áp suất cao tạo thành dầu và

Trang 1

Chương VIII ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU

KHÍ

• 8.1 Khái niệm về dầu mỏ và mỏ dầu

a) Nguồn gốc dầu mỏ tự nhiên

• Thuyết vô cơ: Carbon và hydro phản ứng ở nhiệt độ và áp suất

cao tạo thành dầu và khí, sau đó chúng thấm qua các đá xốp và tích tụ lại dưới đất.

• Thuyết hữu cơ: Xác chết của các sinh vật trên mặt đất và trong

biển bị phân hủy tạo ra các nhiên liệu hóa thạch

Theo thuyết hữu cơ thì lượng dầu mỏ được tạo thành trong 50 triệu năm gần đây gần như bằng lượng dầu mỏ tạo thành trong 450 triệu năm trước đó.

Trang 2

KHÍ

b) Tính chất của dầu mỏ

• Dầu mỏ là hỗn hợp tự nhiên của các loại hydrocarbon với các hợp chất của lưu huỳnh,ni tơ, oxy.

• Nhìn bề ngoài, dầu mỏ là chất lỏng có màu nâu.

• Độ nhớt của dầu mỏ khác nhau phụ thuộc vào thành phần của dầu mỏ.

• Dầu mỏ có thể cháy, tỏa ra đến 10.000 calo/kg.

• Dầu mỏ nằm trong các đá xốp (trong cát, đá vôi, đá sét).

• Dầu mỏ không hòa tan trong nước và có trọng lượng riêng nhỏ hơn nước

Vì thế, trong các mỏ dầu nước luôn chiếm phần dưới, còn khí chiếm phần trên cùng của mỏ dầu.

Trang 3

KHÍ

c) Nhiệt độ và áp suất khí trong mỏ dầu:

Khoan sâu xuống lòng đất thì thấy nhiệt độ tăng dần: trung bình

đi sâu vào lòng đất cứ khoảng 30 mét thì nhiệt độ tăng lên 1oC Đối với các mỏ dầu thì cứ xuống sâu chừng 20m thì nhiệt độ tăng lên 1oC

Ở độ sâu mỏ dầu 2.000m, nhiệt độ đạt tới khoảng 110oC

Ở độ sâu mỏ dầu 10.000m, nhiệt độ đạt tới khoảng 500oC

- Áp suất khí trong các mỏ dầu dao động trong giới hạn rộng, từ vài atmosphe tới hơn 120 atmosphe

Trang 4

Thay đổi về nhiệt độ và áp suất trong giếng

như hàm số của độ sâu

Trang 5

KHÍ

d) Các tính chất vật lý của dầu mỏ

- Trọng lượng riêng của dầu mỏ 0,82- 0,90g/cm3

- Trọng lượng phân tử các phần chiết của dầu mỏ phụ thuộc vào nhiệt độ sôi:Giới hạn nhiệt độ sôi, oC Trọng lượng phân tử

Trang 6

KHÍ

8.2 Thành phần hóa học của dầu mỏ

* Thành phần nguyên tố: Dầu mỏ chứa khoảng 1-2% oxy; ni tơ ≤ 0,2%; lưu huỳnh tới vài phần trăm; carbon 83-87%; hydro 12-14%.

• Hàm lượng alkan trong dầu mỏ và trong khí đồng hành:

Trang 7

Trang 8

Phân tích khí ở một giếng khai thác

Trang 9

KHÍ

8.4 Các chất ăn mòn chủ yếu trong hệ thống khai thác dầu khí:

• Hydro sunfua (H2S) - Chất khí độc, có mùi trứng thối, hòa tan nhiều trong nước tạo thành axit sunfuhydric (H2S) Ăn mòn do H2S gây ra gọi là ăn mòn chua (sour corrosion);

• Carbon dioxyt (CO2) tạo thành axit carbonic (H2CO3) trong nước Ăn mòn do CO2 gây ra gọi là ăn mòn ngọt (sweet corrosion);

• Oxy (O2): Thậm chí lượng rất nhỏ khí oxy cũng làm tăng đột ngột tốc

độ các phản ứng ăn mòn điện hóa kim loại ;

* Các vi khuẩn (Bacteria - MIC):sinh ra các sản phẩm phụ là các chất ăn mòn kim loại.

Trang 10

Tốc độ ăn mòn thép phụ thuộc vào nồng độ các khí hòa tan trong nước: O2 ăn mòn 80 lần hơn CO2 và 400 lần hơn H2S

Trang 11

KHÍ

8.5 Các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến ăn mòn kim loại :

* Các chất rắn hòa tan hoàn toàn: Độ dẫn điện của dung dịch tăng theo

nồng độ các ion hòa tan

• Nhiệt độ: Nhiệt tăng lên làm cho các phân tử chuyển động nhanh hơn;

* Áp suất: Độ hòa tan của các khí tăng lên với sự tăng của áp suất

• Kết luận: Nói chung, tốc độ ăn mòn kim loại tăng lên khi:

- Tăng nồng độ các chất rắn hòa tan;

- Tăng nhiệt độ;

- Tăng áp suất;

- Giảm độ pH dung dịch.

Trang 12

KHÍ

8.6 Môi trường trong đường ống dẫn khí và condensate có ảnh hưởng đến thế năng ăn mòn kim loại:

• Các loại hydrocarbon trơ (metan, etan,propan, n-butan );

* Sự thay đổi nồng độ của các chất ăn mòn (H2S và/hoặc CO2);

• Pha hydrocarbon lỏng (gas condensate);

*Hàm lượng nước dạng lỏng có chứa các muối;

Trang 13

KHÍ

* Vận tốc khí trên bề mặt đường ống:

- Vận tốc tới hạn là < 3m/s (10ft/s);

- Hư hỏng nhiều nhất xảy ra với chế độ chảy bị phân tầng;

- Nếu muốn tăng vận tốc cao hơn 3m/s thì phải tăng đường kính ống;

- Phải thận trọng hơn khi sử dụng vận tốc 5m/s (15ft/s);

- Cần phải phân tán đều chất ức chế ăn mòn bên trong đường ống

Trang 14

• Ăn mòn nhanh ở phần đáy của bồn chứa dầu mỏ và các sản phẩm dầu mỏ, của các đường ống dẫn dầu và khí, của thiết bị khử nhũ tương dầu mỏ

*Tốc độ ăn mòn thép trong môi trường 2 pha không trộn lẫn cao hơn hẳn so với trong pha nước riêng biệt hoặc pha dầu riêng biệt

Trang 15

HÌnh 8.1 Sự phụ thuộc của tốc độ ăn mòn thép vào logarit nồng độ dung dịch NaCl: (1) Nhúng ngập trong dung dịch NaCl <(3) Hệ dung dịch NaCl – hydrocarbon< (2)

Hệ dung dịch NaCl – không khí

Trang 16

Hình 8.2: Sơ đồ ranh giới 3 pha: Kim loại – Chất điện ly- Hydrocarbon Ăn mòn thép mạnh nhất ở vùng mặt khum (tức là ở ranh giới tiếp xúc 3 pha, do hydro

carbon như bồn chứa nhiều khí oxy hòa tan)

Trang 17

Ăn mòn thép bởi H2S trong chất lỏng 2 pha không trộn lẫn: 1,2,3 –Thay đổi theo thời gian của mặt khum 2 chất lỏng không trộn lẫn trên ranh giới với kim loại; 4-Mặt phân chia trong thể tích; 5- FeS;6- Giọt ẩm trên bề mặt gỉ; 7- Mẫu thép

Trang 20

KHÍ

8.8 Ăn mòn mặt trong đường ống dẫn khí (gas) và

hydrocarbon lỏng (gas condensate)

Trong thành phần của khí và hydrocarbon lỏng luôn có mặt nước Khi vận chuyển, lớp nước mỏng áp sát vào bề mặt đường ống và gây ra ăn mòn kim loại Hydrocarbon lỏng trượt phía trên lớp

nước mỏng đó Bên trong của vòng này là dòng khí chuyển vận với tốc độ lớn hơn chất lỏng Từ đó rõ ràng rằng, có sự khác nhau

rõ rệt về điều kiện ăn mòn trực tiếp trên thành ống và trong lõi của dòng chảy hỗn hợp “khí – condensate- nước ” (hình 1) Chiều dày của màng nước bị giảm khi tăng tốc độ của dòng chảy và của

áp suất (hình 2)

Trang 21

Hình 1: Cấu tạo của dòng chảy 3 pha (khí –condensate – nước): 1- Thành ống; 2- Nước; 3- Condensate;

4-Các giọt nước; 5-Các giọt condensate

Trang 22

Hình 2:Mặt cắt ngang của dòng 2 pha “khí – chất lỏng”

với các giọt chất lỏng lơ lửng

Trang 23

KHÍ

8.9Ăn mòn ngọt bởi CO2

Carbon dioxyt kết hợp với nước thành axit carbonic (làm giảm giá trị pH)

CO2 + H2O  H2CO3;

H2CO3 ↔ HCO3- + H+ ; HCO3- ↔ H+ +

CO32-Phản ứng anot: Fe  Fe2+ +

2e-Phản ứng catot: 2H+ + 2e- H2

Phản ứng thứ cấp : Fe2+ + CO32-  FeCO3

Trang 24

KHÍ

a) Ảnh hưởng của áp suất riêng phần CO2

*Áp suất riêng phần của một khí có thể xác định theo công thức: Áp suất

riêng phần của khí = Áp suất tổng x (% khí)

Ví dụ: Đáy giếng khoan dầu khí có áp suất tổng là 4000psi và nồng độ khí CO2 là 2%, thì áp suất riêng phần của khí CO2 trong giếng khoan là:

P CO2 = 4000psi x 2% = 80 psi.

*Mức độ ăn mòn thép bởi axit carbonic phụ thuộc vào áp suất riêng phần của khí CO2 :

P CO2 < 4psi thép không bị ăn mòn;

P CO2 = 4 -10 psi thép bị ăn mòn nhẹ;

P CO2 > 10psi ăn mòn thép xảy ra

Trang 25

KHÍ

b) Ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ đến sự ăn mòn ngọt:

• Tăng áp suất làm tăng nồng độ của các khí ăn mòn (CO2, H2S) trong nước, dẫn đến làm tăng tốc độ ăn mòn kim loại;

• Tăng nhiệt độ làm tăng hoạt độ và tốc độ vận chuyển của các chất ăn mòn, nên cũng làm tăng tốc độ ăn mòn kim loại Nhưng ở nhiệt độ cao, cặn sắt carbit [Iron carbide, Siderite] sẽ tạo thành như một lớp bảo vệ, làm giảm tốc

Trang 26

Hình:1-Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ ăn mòn thép (mpy) ở PCO2

=1bar;

2- Ảnh hưởng của áp suất khí CO2 (%mol) đến tốc độ ăn mòn thép (mpy)

Trang 27

1at (atmosphere) = 760mmHg = 14.696 psi (pound force per inch2)= 1.013 bar= 0.1013 MPa (megapascal).

1mpy (mil per year) = 1mil/yr = 25.4 µm/yr

Trang 28

KHÍ

8.10 Ăn mòn chua bởi H2S (khi PH2S ≥ 0,05 psi (theo NACE)

8.10.1 Ăn mòn riêng biệt bởi khí hydro sunfua (H2S)

* Khi hòa tan trong nước, khí H2S tạo thành axit sunfuhyric (H2S)

Axit H2S phân ly trong nước:

(-)Fe| H2O, H2S| FeSx (+);

Trang 30

KHÍ

• Sự ăn mòn đường ống thép bởi axit H2S chỉ bị chậm lại khi tạo thành cặn sắt sunfua FeSx có tính bảo vệ

- Nhưng tính bảo vệ của [FeSx] lại phụ thuộc vào cấu trúc của nó:

Thông thường, nếu nồng độ H2S càng lớn thì cấu trúc FeSx càng thô,

càng xốp, nên không có tính bảo vệ

-Ngoài ra, nhiệt độ , áp suất, chất oxy hóa và vận tốc dòng chảy của dầu khí cũng có ảnh hưởng đến cấu trúc của FeS tạo thành.

8.10.2 Ăn mòn chua bởi hỗn hợp khí H2S và CO2

*Tỉ lệ của H2S đối với CO2 có ảnh hưởng đến loại cơ chế ăn mòn và sản phẩm ăn mòn tạo thành trên bề mặt kim loại Ví dụ, nếu nồng độ H2S lớn hơn 1% và tỉ lệ (H2S : CO2 ) = (1:2) đến (1:9) thì sản phẩm ăn mòn tạo thành chủ yếu là dạng FeS.

Trang 31

KHÍ

• Các dạng ăn mòn thép carbon phụ thuộc vào sự có mặt của H2S và CO2 như sau:

- Chỉ có mặt H2S: thép bị ăn mòn nứt dưới ứng suất;

- Chỉ có mặt H2S: thép bị giòn do khí hydro chui vào thép;

- Có mặt H2S và CO2 : thép bị ăn mòn cục bộ hoặc pitting.

8.10.3 Ăn mòn do nguyên tố lưu huỳnh (sulfua) S

• Khí chua H2S ướt kết hợp với nguyên tố S tạo ra môi trường ăn mòn rất mạnh, tốc độ ăn mòn cục bộ thép cao đến 110mpy;

• Nguyên nhân: S khử phân cực catot và phá hủy cặn FeS có tính bảo vệ;

• Phòng chống: -Cần sử dụng dung môi hòa tan S , để loại bỏ S khỏi đường

ống; - Định kỳ, dùng “thỏi thông minh” (intelligent pig) để làm sạch mặt trong đường ống khỏi các cặn bẩn và S lắng đọng

Trang 33

Ăn mòn ứng lực bởi H2S: dẫn đến giòn do

hydro

Trang 34

Sự nứt ăn mòn ứng lực

Trang 37

KHÍ

8.11 Các phương pháp bảo vệ mặt trong các thiết bị kim loại và đường ống khỏi sự ăn mòn điện hóa kim loại

8.11.1 Khử khí oxy hòa tan trong nước

* Oxy là chất khử phân cực catot,gây ra ăn mòn mạnh kim loại

• Trước khi cho nước biển vào giếng bơm ép, phải loại khí oxy hòa tan bằng thiết bị hút chân không, rồi bằng chất khử oxy (oxygen scavenger)

Chất khử oxy phổ biến hơn cả là muối amoni bisulfit (NH4HSO3):

2HSO3- + O2 = 2H+ + 2SO42-

8.11.2 Sử dụng chất ức chế ăn mòn (corrosion inhibitor)

a) Khái niệm: Chất ức chế ăn mòn kim loại là chất mà khi cho một lượng nhỏ chất đó vào môi trường ăn mòn, nó có tác dụng kim hãm quá trình ăn mòn kim loại.

Trang 38

KHÍ

b) Phân loại

* Theo cấu tạo: Chất ức chế ăn mòn vô cơ và hữu cơ;

• Theo chức năng: - Chất ức chế ăn mòn anot;

- Chất ức chế ăn mòn catot;

- Chất ức chế hỗn hợp (ức chế anot+ ức chế catot);

- Chất ức chế che chắn.

• Chất ức chế anot thường là các chất có tính oxy hóa mạnh, kìm hãm quá

trình anot do tạo thành màng thụ động kim loại:

- Có hiệu quả bảo vệ cao.

- Nhưng nếu dùng nồng độ chất ức chế anot không đủ, có thể gây ra sự ăn mòn pitting ở những chỗ kim loại không có mặt chất ức chế anot

Trang 39

KHÍ

• Chất ức chế catot có tác dụng kim hãm quá trình catot:

- Hiệu quả bảo vệ của chất ức chế catot không cao;

- Nhưng không nguy hiểm khi nồng độ chất ức chế catot không đủ.

• Chất ức chế hỗn hợp tốt nhất, vì có đủ ưu điểm của chất ức chế anot và catot, đồng thời khắc phục được nhược điểm của 2 chất ức chế này

*Chất ức chế che chắn: do tạo thành lớp muối kết tủa lên bề mặt kim loại, có tác

dụng ngăn cách bề mặt kim loại khỏi môi trường ăn mòn.

Tóm lại: Chức năng của các chất ức chế ăn mòn là tạo thành màng hấp phụ mỏng trên bề mặt kim loại, ngăn cách kim loại khỏi môi trường; nhờ thế đã làm giảm mạnh tốc độ ăn mòn kim loại.

Trang 40

KHÍ

• Những chất ức chế ăn mòn kim loại được dùng trong công

nghiệp dầu khí thường là các chất ức chế hữu cơ, có tính hoạt

động bề mặt cao, có khả năng hòa tan trong nước (đôi khi đòi hỏi hòa tan cả trong dầu) Những hợp chất được dùng nhiều hơn cả là;

- Amine salts ( Aliphatic amines, Amides, Primary Amines,

Secondary Amines, Tertiary Amines);

- Imidazoline/ Amidoamines Salts;

- Alkylpyridine salts;

- Fatty quaternary amine salts

Trang 47

8.12 Ăn mòn kim loại do vi sinh vật (Bacterial Corrosion)

• (Xem Chương 8b)

Định dạng
Số trang	47
Dung lượng	10,2 MB