چگونه خوردگی را در تجهیزات پتروشیمی کنترل کنیم؟

اگر در محیط پیچیده و پرفشار صنایع پتروشیمی فعالیت دارید، احتمالا عبارت خوردگی برایتان بسیار آشنا و البته نگران‌کننده است. کنترل خوردگی در تجهیزات پتروشیمی تنها یک چالش فنی نیست. بلکه یک ضرورت برای حفظ ایمنی و تداوم تولید به شمار می‌رود؛ جدای این که از ضررهای مالی هنگفت نیز جلوگیری می‌کند. در این مقاله، با دشمن خاموشی به نام خوردگی و انواع مختلف آن آشنا می شویم. سپس، روش‌های شناسایی خوردگی معرفی خواهد شد. در نهایت، روش های کارآمد پیشگیری از انواع خوردگی در تجهیزات پتروشیمی را بررسی خواهیم کرد.

همچنین بخوانید:

♣ خوردگی میکروبیولوژیکی لوله، دیواره ها و ساختمان چاه های آب

♣ آنتی اسکالانت و کاربرد آن در صنعت نفت و گاز

خوردگی تجهیزات در پتروشیمی‌ها دقیقا چیست؟

شاید خوردگی در نگاه اول، تنها یک زنگ‌زدگی ساده به نظر برسد، اما وقتی پای تجهیزات گران‌قیمت و حساس یک واحد پتروشیمی در میان باشد، این پدیده ابعادی بسیار جدی‌تر پیدا می‌کند. درک این پیچیدگی‌ها، کلید برنامه‌ریزی برای مقابله با آن است. به زبان ساده، خوردگی یعنی تجزیه و تخریب تدریجی یک ماده، معمولا فلز، وقتی با محیط اطرافش وارد واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی می‌شود. نتیجه این واکنش، ضعیف شدن و از دست رفتن کارایی آن ماده است. حالا تصور کنید این اتفاق در قلب یک واحد پتروشیمی رخ دهد؛ جایی که مواد شیمیایی بسیار خورنده مانند اسیدها و گازهای ترش، تحت دما و فشار بالا در جریان هستند. این شرایط، یک محیط ایده‌آل برای تاخت و تاز انواع خوردگی فراهم می‌کند.

پیامدهای حاصل از خوردگی تجهیزات پتروشیمی چیست؟

پیامدهای نادیده گرفتن خوردگی می‌تواند ویرانگر باشد. از جنبه اقتصادی، هزینه‌های سرسام‌آور تعویض قطعات، تعمیرات اساسی و توقف‌های ناخواسته تولید را در پی دارد. از نظر ایمنی، نشتی مواد قابل اشتعال یا سمی به دلیل سوراخ شدن لوله‌ها یا مخازن، می‌تواند منجر به آتش‌سوزی، انفجار و حتی تلفات جانی شود. خوردگی در لوله‌های نفت و گاز یکی از دلایل اصلی اینگونه حوادث تلخ است. و نهایتا، آسیب‌های زیست‌محیطی ناشی از نشت مواد آلاینده به آب و خاک، گاهی جبران‌ناپذیر است. به همین دلیل، کنترل خوردگی در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی یک اولویت حیاتی است، نه یک انتخاب.

آشنایی با انواع خوردگی در تجهیزات پتروشیمی

برای اینکه بتوانیم با خوردگی مبارزه کنیم، اول باید دشمن را خوب بشناسیم. خوردگی در صنعت پتروشیمی شکل‌های مختلفی دارد که هرکدام در شرایط خاصی رخ می‌دهند.

• خوردگی یکنواخت یا خوردگی کل

خوردگی یکنواخت، یکی از رایج‌ترین انواع است که در آن، سطح فلز به طور یکسان نازک می‌شود. گرچه روند آن کندتر است، اما اگر به موقع تشخیص داده نشود، می‌تواند کل ضخامت یک لوله یا مخزن را از بین ببرد.

• خوردگی حفره ای یا موضعی

خطرناک‌تر از خوردگی یکنواخت، خوردگی حفره‌ای یا Pitting است. این نوع خوردگی به صورت ایجاد سوراخ‌های کوچک اما عمیق خود را نشان می‌دهد و به دلیل تشخیص دشوار، می‌تواند به سرعت منجر به نشتی شود، خصوصا در محیط‌هایی که یون کلراید (نمک) حضور دارد.

• خوردگی شکافی

نوع دیگر، خوردگی شکافی (Crevice) است که در فضاهای باریک و محدود، مانند زیر واشرها یا درزها، اتفاق می‌افتد. در این نواحی، به دلیل تفاوت در غلظت اکسیژن و تجمع مواد خورنده، شرایط برای تخریب فلز مهیا می‌شود.

• خوردگی گالوانیکی

علاوه بر این‌ها، خوردگی گالوانیکی را داریم که وقتی دو فلز با جنس متفاوت در تماس با هم و در یک محیط رسانا قرار می‌گیرند، فلز ضعیف‌تر شروع به خورده شدن می‌کند. خوردگی تنشی یا SCC نیز نوعی ترک‌خوردگی است که تحت تاثیر همزمان تنش مکانیکی و یک محیط خورنده خاص (مثلا در فولادهای ضدزنگ در حضور کلراید داغ) رخ می‌دهد.

• خوردگی هیدروژنی

خوردگی هیدروژنی یکی از پدیده‌های مهم و مخرب در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی است که به‌ویژه در محیط‌های ترش حاوی سولفید هیدروژن (H₂S) شدت بیشتری پیدا می‌کند. در این شرایط، اتم‌های هیدروژن حاصل از واکنش‌های شیمیایی به درون شبکه‌ی فلز نفوذ کرده و موجب کاهش شکل‌پذیری، تردی و ایجاد ترک‌های ریز و سپس گسترده در ساختار فلز می‌شوند. این نوع خوردگی نه تنها استحکام مکانیکی تجهیزات را کاهش می‌دهد، بلکه می‌تواند به شکست ناگهانی خطوط لوله، مخازن و اجزای حساس منجر گردد.

• خوردگی میکروبی

خوردگی میکروبی (MIC) نوعی از خوردگی است که به واسطه‌ی فعالیت باکتری‌ها، قارچ‌ها و سایر میکروارگانیسم‌ها در محیط‌های مرطوب و غنی از مواد مغذی رخ می‌دهد. این موجودات زنده با ترشح محصولات متابولیکی مانند اسیدهای آلی، سولفیدها و مواد اکسیدکننده، شرایط شیمیایی اطراف سطح فلز را تغییر داده و موجب تسریع در خوردگی می‌شوند.

چه عواملی باعث تشدید خوردگی در واحدهای پتروشیمی می‌شود؟

عوامل زیادی می‌توانند سرعت و شدت خوردگی را در یک واحد پتروشیمی افزایش دهند. یکی از مهم‌ترین‌ها، نوع و غلظت مواد شیمیایی است. حضور اسیدها، بازها، نمک‌ها، گازهای ترش مثل H2S، و دی‌اکسید کربن مرطوب، همگی می‌توانند بسیار خورنده باشند. دما و فشار بالا نیز مانند کاتالیزور عمل کرده و سرعت واکنش‌های خوردگی را به شدت افزایش می‌دهند.

سرعت حرکت سیال هم بی‌تاثیر نیست. اگر سرعت خیلی بالا باشد، می‌تواند لایه‌های محافظ سطحی را کنده و فلز را بی‌دفاع کند. از طرف دیگر، اگر سرعت خیلی پایین باشد، ذرات و رسوبات فرصت ته‌نشینی پیدا کرده و شرایط برای خوردگی شکافی یا میکروبی فراهم می‌شود.

حضور آب و اکسیژن نیز برای بسیاری از فرآیندهای خوردگی ضروری است؛ آب نقش الکترولیت را بازی می‌کند و اکسیژن یک اکسیدکننده قوی است. میزان pH محیط هم مهم است؛ محیط‌های خیلی اسیدی یا خیلی قلیایی (برای برخی فلزات خاص) می‌توانند بسیار خورنده باشند. در نهایت، ناخالصی‌ها و رسوبات موجود در جریان فرآیندی نیز می‌توانند با ایجاد سلول‌های خوردگی موضعی، اوضاع را بدتر کنند. مدیریت هوشمندانه این عوامل، بخش مهمی از استراتژی جلوگیری از خوردگی در تجهیزات پتروشیمی است.

روش‌های رایج برای کنترل و پیشگیری از خوردگی

مقابله با پدیده پیچیده‌ای مانند خوردگی، نیازمند یک جعبه ابزار متنوع و یک برنامه حساب‌شده است. نمی‌توان تنها به یک روش اکتفا کرد. انتخاب هوشمندانه مواد، استفاده از مواد شیمیایی محافظ، ایجاد سد فیزیکی با پوشش‌ها، و بهره‌گیری از تکنیک‌های الکتروشیمیایی، همگی در کنار هم می‌توانند یک سپر دفاعی قدرتمند در برابر خوردگی ایجاد کنند.

الف) انتخاب جنس مناسب تجهیزات

شاید بتوان گفت هوشمندانه‌ترین و در درازمدت، اقتصادی‌ترین راه برای جلوگیری از خوردگی در تجهیزات پتروشیمی، انتخاب درست جنس این تجهیزات از همان روز اول است. این انتخاب باید با دقت و با در نظر گرفتن تمام شرایط محیطی و فرآیندی (نوع مواد شیمیایی، دما، فشار، سرعت سیال و غیره) انجام شود. فولادهای کربنی به دلیل قیمت پایین، بسیار رایج هستند، اما در برابر خوردگی مقاومت چندانی ندارند و معمولا برای سرویس‌های کمتر خورنده یا همراه با سایر روش‌های حفاظتی به کار می‌روند.

گزینه بهتر، فولادهای ضدزنگ یا استنلس استیل‌ها هستند. این آلیاژها با داشتن درصد مشخصی از کروم، یک لایه بسیار نازک اما مقاوم به نام لایه پسیو روی سطح خود تشکیل می‌دهند که از تماس مستقیم فلز با محیط خورنده جلوگیری می‌کند. البته فولادهای ضدزنگ هم انواع مختلفی دارند (مانند 304، 316، داپلکس) که هرکدام برای شرایط خاصی مناسب‌ترند. در شرایطی که خوردگی بسیار شدید است یا دما خیلی بالاست، به سراغ آلیاژهای خاص پایه نیکل (مانند اینکونل یا هستلوی) یا تیتانیوم می‌رویم که مقاومت فوق‌العاده‌ای از خود نشان می‌دهند، هرچند قیمت بالاتری هم دارند.

ب) استفاده از بازدارنده‌های خوردگی یا آنتی کوروژن ها

بازدارنده‌های خوردگی، مواد شیمیایی ویژه‌ای هستند که وقتی به مقدار بسیار کم به یک محیط خورنده اضافه می‌شوند، می‌توانند سرعت خوردگی فلزات را به طور قابل توجهی کاهش دهند. این مواد، بخش جدایی‌ناپذیر برنامه‌های کنترل خوردگی در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی هستند. عملکرد بازدارنده‌ها متفاوت است؛ برخی از آنها مانند بازدارنده‌های جذب‌شونده، با چسبیدن به سطح فلز، یک لایه محافظ نازک ایجاد کرده و مانع از رسیدن مواد خورنده به سطح می‌شوند. این نوع در صنعت نفت و گاز برای محافظت از خطوط لوله بسیار پرکاربرد است.

دسته‌بندی دیگر بر اساس تاثیری است که بر واکنش‌های الکتروشیمیایی خوردگی می‌گذارند. بازدارنده‌های آندی با کند کردن واکنش اکسیداسیون فلز و بازدارنده‌های کاتدی با کاهش سرعت واکنش احیا در سطح فلز عمل می‌کنند. برخی نیز مخلوط بوده و هر دو واکنش را تحت تاثیر قرار می‌دهند.

ج) استفاده از پوشش‌های حفاظتی یا کوتینگ

یکی از قدیمی‌ترین و در عین حال موثرترین روش‌ها برای جلوگیری از خوردگی در تجهیزات پتروشیمی، ایجاد یک مانع فیزیکی بین سطح فلز و محیط خورنده با استفاده از پوشش‌های محافظ است. تنوع این پوشش‌ها بسیار زیاد است. پوشش‌های آلی مانند رنگ‌های صنعتی چندلایه، اپوکسی‌ها که چسبندگی و مقاومت شیمیایی بسیار خوبی دارند، و پلی‌یورتان‌ها که در برابر سایش و اشعه UV مقاومند، بسیار رایج هستند.

دسته دیگر، پوشش‌های فلزی هستند. شناخته‌شده‌ترین مثال، گالوانیزه کردن است که در آن، لایه‌ای از فلز روی بر سطح فولاد نشانده می‌شود. روی علاوه بر ایجاد سد فیزیکی، به صورت فداشونده نیز از فولاد محافظت می‌کند. پوشش‌های پاشش حرارتی نیز که در آن ذرات مذاب فلزاتی مانند آلومینیوم یا روی با سرعت بالا به سطح پاشیده می‌شوند، مقاومت خوبی ایجاد می‌کنند.

در سال‌های اخیر، پوشش‌های پیشرفته‌تری مانند پوشش‌های کامپوزیتی، ترکیبی از پلیمر و ذرات یا الیاف مقاوم، پوشش‌های سرامیکی برای دما و سایش بسیار بالا، و پوشش‌های حاوی پولک‌های شیشه‌ای (گلس فلیک) که مسیر نفوذ مواد خورنده را بسیار طولانی و دشوار می‌کنند، توسعه یافته‌اند. نکته بسیار مهم در مورد تمام پوشش‌ها، آماده‌سازی کامل و صحیح سطح فلز قبل از اعمال پوشش و همچنین کیفیت اجرای خود پوشش است. زیرا یک پوشش ضعیف یا آسیب‌دیده می‌تواند گاهی اوضاع را بدتر کند.

د) حفاظت الکتروشیمیایی؛ یک روش قدرتمند

در کنار روش‌های دیگر، حفاظت الکتروشیمیایی، به ویژه حفاظت کاتدی، یک ابزار بسیار قدرتمند برای کنترل خوردگی در تجهیزات پتروشیمی است. خصوصا برای سازه‌های فلزی که در تماس با یک الکترولیت مانند خاک یا آب قرار دارند. (خطوط لوله مدفون یا مخازن ذخیره). ایده اصلی این است که با تغییر شرایط الکتروشیمیایی سطح فلز، آن را از خورده شدن محافظت کنیم.

اساس کار حفاظت کاتدی این است که سطح فلزی را که می‌خواهیم محافظت کنیم، به کاتد یک سلول الکتروشیمیایی تبدیل می‌کنیم. در یک سلول خوردگی، آند خورده می‌شود و کاتد سالم می‌ماند. پس با کاتد کردن سازه، از خورده شدن آن جلوگیری می‌کنیم. این کار به دو روش اصلی انجام می‌شود:

• استفاده از آندهای فداشونده

در این روش، فلزی که از فلز سازه ما فعال‌تر (یعنی پتانسیل الکتروشیمیایی منفی‌تری) دارد، مانند آلیاژهایی از منیزیم، روی یا آلومینیوم، به صورت الکتریکی به سازه متصل می‌شود. این فلز فعال‌تر، نقش آند را بازی کرده و به جای سازه اصلی خورده می‌شود و با این فداکاری، جریان لازم برای محافظت از سازه را تامین می‌کند. این سیستم نصب ساده‌ای دارد و نیازی به منبع برق خارجی ندارد، اما جریان خروجی آن محدود است و آندها پس از مدتی مصرف شده و باید تعویض شوند.

•  سیستم جریان اعمالی 

در این روش، از یک منبع تغذیه خارجی مانند یک رکتیفایر یا یکسوساز استفاده می‌شود. جریان الکتریکی را از طریق آندهای مقاوم به خوردگی (آندهای خنثی مانند چدن پرسیلیسیم، گرافیت یا اکسیدهای فلزی مختلط) به الکترولیت مانند خاک یا آب و سپس به سطح سازه یا کاتد هدایت کند. این سیستم قادر به تامین جریان‌های بسیار بالاتر است و برای محافظت از سازه‌های بزرگ، خطوط لوله طولانی یا تجهیزاتی که پوشش ضعیفی دارند، بسیار مناسب است. البته طراحی و نصب آن پیچیده‌تر است و نیاز به نگهداری بیشتری دارد. کنترل خوردگی در لوله‌های نفت و گاز که در فواصل طولانی کشیده شده‌اند، اغلب با این روش جریان اعمالی انجام می‌شود.

بازرسی و پایش هوشمند؛ چشم بینای مهندسان خوردگی

اجرای روش‌های کنترلی یک بخش کار است، بخش دیگر اطمینان از عملکرد صحیح و مداوم آنهاست. اینجا پای بازرسی‌های دوره‌ای و سیستم‌های پایش به میان می‌آید. این ابزارها به مهندسان کمک می‌کنند تا وضعیت خوردگی را زیر نظر داشته باشند و در صورت لزوم، اقدامات اصلاحی را به موقع انجام دهند.

نگاهی به درون تجهیزات با بازرسی‌های غیرمخرب 

تکنیک‌های بازرسی غیرمخرب مجموعه‌ای از روش‌ها هستند که وضعیت داخلی و سطحی تجهیزات را بدون نیاز به نمونه‌برداری، تخریب یا خارج کردن آنها از سرویس بررسی می کنند. این روش‌ها در تشخیص زودهنگام ترک‌ها، کاهش ضخامت ناشی از خوردگی، و سایر عیوب بسیار حیاتی هستند و نقش مهمی در جلوگیری از خوردگی در تجهیزات پتروشیمی ایفا می‌کنند. بازرسی چشمی، با یا بدون استفاده از ابزارهای کمکی مانند بوروسکوپ، اولین و ساده‌ترین قدم است.

برای بررسی‌های دقیق‌تر، از تست التراسونیک استفاده می‌شود. در این روش، با ارسال امواج صوتی به داخل قطعه و تحلیل بازگشت آنها، می‌تواند ضخامت دقیق دیواره را اندازه‌گیری و کاهش ضخامت ناشی از خوردگی را مشخص کرد. رادیوگرافی نیز با استفاده از پرتوهای ایکس یا گاما، تصویری از ساختار داخلی قطعه ارائه می‌دهد و برای شناسایی خوردگی داخلی یا عیوب جوش کاربرد دارد. روش‌های دیگری مانند ذرات مغناطیسی و مایعات نافذ نیز برای آشکارسازی ترک‌های سطحی در مواد مختلف به کار می‌روند. انتخاب روش  مناسب به جنس ماده، نوع عیب مورد نظر، و دسترسی به قطعه بستگی دارد.

پایش لحظه‌ای خوردگی؛ از کوپن‌های ساده تا سنسورهای پیشرفته

پایش یا مانیتورینگ خوردگی به معنای اندازه‌گیری و ردیابی نرخ خوردگی و تغییرات آن در طول زمان است. این کار به ما کمک می‌کند تا بفهمیم روش‌های کنترلی که به کار برده‌ایم چقدر موثر بوده‌اند و چه زمانی ممکن است نیاز به اقدام جدیدی باشد. روش‌های سنتی مانند استفاده از کوپن‌های کاهش وزن هنوز هم کاربرد دارند. در این روش، قطعات کوچکی از همان جنس تجهیزات، برای مدت معینی در محیط فرآیندی قرار می گیرند. سپس با اندازه‌گیری میزان کاهش وزن آنها، نرخ خوردگی متوسط در آن دوره محاسبه می‌شود.

قدرت داده‌ها در مدیریت خوردگی؛ راهی به سوی نگهداری پیشبینانه

صرف جمع‌آوری داده از بازرسی‌ها و سیستم‌های پایش کافی نیست. هنر واقعی در تحلیل هوشمندانه این داده‌ها و استفاده از آنها برای تصمیم‌گیری‌های بهتر نهفته است. با استفاده از نرم‌افزارهای تخصصی و روش‌های آماری، می‌توان روندهای خوردگی را شناسایی کرد. نقاط ضعف سیستم را پیدا کرد و حتی نرخ خوردگی در آینده را پیش‌بینی نمود. اینجاست که مفهوم نگهداری پیشبینانه مطرح می‌شود. به جای اینکه منتظر بمانیم تا مشکلی پیش بیاید و بعد به فکر تعمیر بیفتیم.

کلام آخر:

یکی از مشکلات در تجهیزات پتروشیمی، ایجاد رسوبات هیدروکربنی ناشی از انتقال خطوط نفت و گاز است. استفاده از مواد شیمیایی همچون سدیم هیدروکسید، خوردگی بسیاری در لوله ها و تجهیزات ایجاد می کند. از این رو استفاده از ترکیبات ضدخوردنده بسیار حائز اهمیت است. صنایع آرال شیمی، ارائه دهنده انواع حلال های هیدروکربنی برای از بین بردن انواع چربی های نقتی است. حلال 040 و حلال 050، دارای ترکیبات ضدخوردندگی قوی هستند و جهت استفاده بر روی انواع سطوح فلزی به شکل ایمن و بدون ایجاد خوردگی بکار می روند.