مقدمه ای بر مدل سازی خوردگی برای صنعت نفت و گاز

اگر در صنعت نفت و گاز کار می کنید و با حفاری در دریا سر و کار دارید، خوردگی بدترین دشمن شماست. سکوی نفت خورده یک سکوی خطرناک است و می تواند هزینه زیادی برای شما داشته باشد – هم از نظر جانی و هم از نظر مالی. برای جلوگیری از چنین سرنوشت تاریکی، باید از ساختار فولادی در برابر خوردگی از طریق یک سیستم حفاظتی محافظت کنید، مانند فرآیند حفاظت کاتدی که در اینجا نشان داده شده است.

حفاظت در برابر خوردگی برای سکوهای نفتی

راه های مختلفی برای محافظت از سازه ها در برابر خوردگی وجود دارد: حفاظت جریان کاتدی تحت تاثیر (ICCP)، حفاظت آندی و استفاده از آندهای قربانی. در این مثال روش سوم را تجویز می کنیم.

درباره روش حفاظت از آند قربانی

روش آند قربانی اساساً شامل محافظت از کاتد با قربانی کردن آند است. در مورد سکوهای نفتی، ساختار فولادی چیزی است که نیاز به محافظت دارد. بنابراین می‌توانیم فولاد را با اتصال الکترونیکی به فلزی که اصالت کمتری دارد، یعنی آندی (مثلاً آلومینیوم) به کاتد تبدیل کنیم.

هنگامی که الکترودها در آب دریا غوطه ور می شوند، فلز نجیب کمتر به صورت آندی قطبی می شود و ساختار فولادی به صورت کاتدی قطبی می شود. آندهای فلزی تحت انحلال آندی قرار خواهند گرفت. در همین حال، کاهش اکسیژن در سطح سازه فولادی رخ خواهد داد.

تصویر کاهش اکسیداسیون و اکسیژن در الکترودها و الکترولیت ها را به تصویر می کشد
تصویر ساده شده از قطبش آند و کاتد.

چگالی جریان برای کاهش اکسیژن معمولاً توسط عرضه اکسیژن محدود می شود. این منجر به یک جریان تقریباً ثابت و محدود حمل و نقل برای طیفی از اختلاف پتانسیل در سطح سازه می شود که چند صد میلی ولت را در بر می گیرد.

نمودارهایی که قطبش سطح فولاد و آندهای قربانی را به تصویر می کشند
پلاریزاسیون: آندهای قربانی (آبی) و سطح فولادی (قرمز).

اگر به نمودارهای بالا نگاه کنید، ببینید “کاهش اکسیژن” کجاست؟ خطوط بریده بریده در دو طرف آن برچسب نشان می دهد که وقتی جریان جاری می شود، اندازه جریان های انحلال آندی قربانی (خط آبی) و کاهش اکسیژن کاتدی (خط قرمز) برابر است. توجه داشته باشید که شکل دقیق منحنی قطبش آبی با دسترسی و تعداد آندها تعیین می شود.

ملاحظات طراحی

به منظور حفاظت کامل از سازه، مهندسان طراح باید مطمئن شوند که قطعات مختلف سکوی نفت در محدوده حفاظت شده در برابر خوردگی قرار دارند. به عبارت دیگر، ولتاژ ارائه شده توسط آندها باید برای کاهش اکسیژن در فولاد کافی باشد تا جریان را متعادل کند. همچنین باید مراقب باشید که از تکامل هیدروژن جلوگیری کنید، زیرا می تواند باعث شکنندگی هیدروژن شود. در طول فرآیند، افزایش pH ممکن است منجر به تشکیل یک لایه آهکی در سطح کاتد شود که رسانایی در سطح را تغییر می‌دهد. رشد این سپرده ها را می توان در مدل های با وفاداری بالا نیز به حساب آورد.

هنگام طراحی سیستم حفاظت کاتدی خود، ابتدا باید تفاوت پتانسیل بین ساختار فولادی و آب دریا در طول کاهش اکسیژن را دریابید. با انجام این کار، می توانید تعیین کنید که چه قسمتی در برابر خوردگی آسیب پذیرتر است – قبل از اینکه خیلی دیر شود. اینجاست که ماژول خوردگی به کار می آید.

نتایج حاصل از مدل سازی حفاظت از خوردگی

فرض کنید سکوی نفت را به صورت کاتدی قطبی کرده و آندهای قربانی استوانه ای را در مجاورت سازه قرار می دهیم.

شماتیک یک نمای نزدیک از سکوی نفتی پلاریزه کاتدی احاطه شده توسط آندهای قربانی استوانه ای

به جای جزئیات دقیق نحوه تنظیم و حل مدل، بیایید جلوتر از نتایج بگذریم.

می‌توانید با دانلود مستندات از گالری مدل یا باز کردن مدل از داخل کتابخانه مدل در ماژول خوردگی (در بخش «محافظت کاتدی») نحوه ساخت مدل را بیاموزید .

ابتدا، اجازه دهید پتانسیل الکترولیت را در سطح سکوی روغن و همچنین روی آندها بررسی کنیم. از نمودار سطح، می توان دریافت که هر چه ساختار محافظت شده از آندهای قربانی دورتر باشد، پتانسیل در الکترولیت (آب دریا) کمتر می شود. هرچه پتانسیل الکترولیت در سطح مشترک کمتر باشد، اختلاف پتانسیل بین سکوی نفت و آب دریا مثبت تر است. هرچه یک ساختار مستعد اکسیداسیون باشد، کمتر محافظت می شود. به طور طبیعی، ما باید مطمئن شویم که همیشه آندهای قربانی را به خوبی توزیع می کنیم، به طوری که کل ساختار محافظت می شود.

نمودار سطحی که پتانسیل الکترولیت را در سطح سکوی روغن و روی آندها نشان می دهد

در مرحله بعد، می‌توانیم نگاهی به پتانسیل الکترولیت در یکی از پایه‌های سکوی روغن داشته باشیم. قسمت پایینی داخلی پا دارای کمترین پتانسیل الکترولیت (بیشترین اختلاف پتانسیل سطح آندی) است و بنابراین بیشتر در معرض خوردگی خواهد بود.

نمودار سطحی که پتانسیل الکترولیت یکی از پایه های سکوی روغن را نشان می دهد

در نهایت می توانیم چگالی جریان را روی آندها رسم کنیم. این مهم است زیرا بزرگی چگالی جریان با نرخ مصرف فلز آند نسبت مستقیم دارد. به عبارت دیگر، این می تواند به ما کمک کند تا تعیین کنیم که آندهای قربانی چقدر دوام خواهند داشت.

نموداری که چگالی جریان روی آندها را نشان می دهد

اکنون که این مقدمه برای مدل سازی خوردگی برای صنعت نفت و گاز را مرور کردیم، چرا خودتان این مدل را امتحان نمی کنید؟ هنگامی که آن را ساختید، می توانید سعی کنید در اطراف آندها حرکت کنید یا حتی مقداری دیگر را برای “بهسازی” ساختار اضافه کنید.