download-thesis.com · web viewدر شکل (2-5) رابطه بین زمان آزمایش و...

واحد بین الملل

پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مواد )گرایش شناسایی و انتخاب مواد مهندسی(

انتخاب مواد لوله های درون چاهی وتسهیالت سرچاهی در چاه های میدان های گازی ترش

به کوشش

.............................

استاد راهنما:دکتر سیروس جوادپور

89شهریور

تقدیمبه همسر مهربانم،

به پاس محبت های بی دریغش که هرگزفروکش نمی کند،

و پدر، مادر و برادرانم : به پاس عاطفه سرشار و گرمای امید بخش وجودشان، که در این سردترین روزگاران

بهترین پشتیبان است.

سپاسگزاري

و من لم يشکرالمخلوق لم يشکرالخالقاکنون که این رساله به پایان رسیده بر خود واجب می دانم :

از استاد فرزانه جناب آقای دکتر سیروس جوادپور که با راهنمایی های دلسوزانه، منش و رفتار خود، پایبندی بیش از پیش به صCCداقت، صCCحه صدر و بلند طبعی را به من آموخت و همچنین اسCCاتید ارجمنCCد، آقایCCان

دکتر شریعت و دکتر بحرالعلوم، تشکر و قدردانی کنم .

دانلود متن کامل درdownload-thesis.com

چکیده چاهی و تسهیالتانتخاب مواد لوله های درون

سرچاهی در چاه های میدانهای گازی ترشبه کوشش

.................. هدف از انجام این پروژه تعیین نوع آلیاژ مناسب جهت ساخت لولCCه هCCای درون چاهی به منظCCور اسCCتفاده در میCCدان گCCازی تCCرش مشCCابه بCCا سCCیال میCCدان گCCازی گشCCویی جنCCوبی می باشCCد. آلیاژهCCای مCCورد اسCCتفاده در این شCCرایط بCCا توجCCه یCCه خوردگی های داخلی و خارجی همواره در معرض از کارافتCCادگی و پیCCدایش عیCCوب می باشCCد. بCCر مبنCCای روش انتخCCاب مCCاد اشCCبی ارتبCCاط متقابCCل بین فاکتورهCCای عملکرد، ترکیب شیمیایی، ریزساختار، خواص فیزیکی و مکانیکی و فرآیند تولیCCد از جمله اصول اساسی انتخاب مواد می باشد. با توجه به مشخصات کاربری لوله هCCا در بخش درون چاهی و الزامCCات طCCراحی، شCCکل مCCورد نظCCر لولCCه می باشCCد کCCه توسط فرایند اکستروژن و بصورت بدون درز تولید شده و این انتخاب با توجCCه بCCه نCCوع عملکCCرد این قطعCCه کCCه بمنظCCور استحصCCال نفت و گCCاز موجCCود در حوضCCچه

بCرIMS1زیرزمینی است مورد استفاده قCرار می گCیرد. در این پCروژه نCرم افCزار آلیCCاژ بCCر مبنCCای اسCCتانداردهای مرجCCع1500مبنای یک بانک اطالعاتی مشتمل بCCر

ISO2 ، API3، NACE4نهادCCبا دو قابلیت جستجو به منظور "انتخاب مواد" و "پیش ، Visual و Accessعمومی" توسظ برنامه نویسCCی در محیCCط نCCرم افزارهCCای Basic

برای سیستم های ترش تهیه شCCد. در روش انتخCCاب مCCواد، مقCCاومت بCCه خCCوردگی ، مCCیزانCO2 و H2Sآلیاژهای مختلف در شرایط متفاوت دما، فشCCار، فشCCار جCCزیی

و نوع سیال ارزیابی می گردد. و سپس آلیاژ بر مبنCCای یکی ازPHیون کلر، مقدار سCCه روش "مCCواد از پیش تاییCCد شCCده"، "مCCواد تاییCCد شCCده بCCر پایCCه ی آزمایشCCات مشخص" و "اطالعات میدانی" انتخCCاب می گCCردد. شCCرایط محیطی سCCیال میCCدان گازی گشوی جنوبی در نرم افزار وارد شد و سوپرآلیاژ پایCCه نیکCCل بCCر مبنCCای نCCرم افزار انتخاب شد. همچنین بمنظور بررسی کاربری نرم افزار فوق و عملکرد آلیCCاژ

،6 و خسCارات هیCدروژنی5انتخابی عالوه بر آزمایشات ترکیدگی تنشCی سCولفیدی نیزدر محیط هایی بCا درصCدهای متفCاوت فشCار7آزمایش کشش با نرخ کرنش کم

،H2Sجزیی CO2د. درCام شCCل انجCCه نیکCCاژ پایCو میزان یون کلر بر روی سوپر آلی APIادامه، یک نمونه از آلیاژ 5CT L80 type IوانCCه عنCCکه به انتخاب نامناسب ب

لوله ی درون چاهی در یک چاه گازی ترش مورد استفاده قرار گرفته و دچار عیبگردیده بود نیز مورد بررسی و آنالیز خوردگی قرار گرفت.

1 Iranian Material Selection2 International Organization for Standardization3 AmericanPetroleum Institute4 National Association of corrosion Engineers5 Stress Sulfide cracking (SCC)6 Hydrogen Induced Cracking (HIC)7 Slow Stress Strain Rate (SSSR)

د

http://download-thesis.com/


فهرست مطالب

عنوانصفحه

فصل اول

2............................................................................مقدمه

فصل دوم

4.......................................تئوری و مروری بر تحقیقات گذشته4.........................- تقسیم بندی انواع خوردگی و مکانیزمها2-1

4................................................- خوردگی عمومی2-1-15...............................................- خوردگی موضعی2-1-2

5...........................................- خوردگی حفره ای2-1-2-17.............................................- خوردگی شیاری2-1-2-29...........................................- خوردگی رشته ای2-1-2-3

10.............................................- خوردگی گالوانیک2-1-310.............................................- خوردگی محیطی2-1-4

11........................(SCC- ترکیدگی خوردگی تنشی )2-1-4-111..............................................- شکل ترکها2-1-4-1-113..............................................- اثرات تنش2-1-4-1-213...........................................- زمان شکست2-1-4-1-3

ه



15....................................- فاکتورهای محیطی2-1-4-1-415................................- فاکتورهای متالورژیکی2-1-4-1-5

- خسارتهای هیدروژنی )ترک برداری2-1-4-2HIC) .......................................16ناشی از وجود هیدروژن

17........................................- خوردگی در اثر سیال2-1-518..........................................- خوردگی سایشی2-1-5-118......................................................- برخورد 2-1-5-219......................................- خوردگی حفره زایی2-1-5-3

20.........................................- خوردگی بین دانه ای2-1-620....................................................- آلیاژ زدایی 2-1-721..........................................- خسارت های حبابی2-1-821............................................- خوردگی سوهشی2-1-9

.....................- سیستمهای ترش ، الزامات و استاندرادها2-322

25.........................- انواع خوردگی درچاه های نفت وگاز2-327.................................- خوردگی ناشی از اکسیژن2-3-1

27..............................................- چاه های نفت2-3-1-127...........................................- لوله های حفاری2-3-1-228........................................- تجهیزات سرچاهی2-3-1-3

CO2.......................................28- خوردگی ناشی از 2-3-231..............................................- چاه های گازی2-3-2-1

H2S.......................................32- خوردگی ناشی از 2-3-335..............................................- چاه های گازی2-3-3-135.......................................- تجهیزات سر چاهی2-3-3-2

- روشهای محاسبه نرخ خوردگی و مدلهاي2-435..........................................................................آن

M-506(Norsok).........................................36- مدل 2-4-1Dewaard (1975)........................................37- مدل 2-4-2

و



Dewaard (1993&1995)...............................38- مدل 2-4-3......................Dewaard , Lotz , Dugstad (1995)- مدل 2-4-4

39 and Hailey(1993) Boros ، Wright- مدل 2-4-5،Efird......................................................................39

Kanwar & Jepson (1994).............................40 - مدل2-4-6Kanwar (1994).........................................40- مدل 2-4-7 ، Gopal ، Bhongale( Bhongale 96- مدل )2-4-8Jepson....................................................................41 ، Gopal ، Kang ، Stitzel( 1996- مدل )2-4-9Jepson....................................................................42

Gray....................................................42- مدل 2-4-10Nesic(1995)...........................................42- مدل 2-4-11 Nesic ، Lee ، Brown( 2003- مدل )2-4-12

در حضور مقادير كمي ازCO2)خوردگي چندفازي H2S) .......................................................................43

، dewaard ، Nesic( 2004- مدل )2-4-13George....................................................................44

فصل سوم

46...................................................................انتخاب مواد46................................................................- مقدمه3-1.....................- شرایط سیال در میدان گازی گشوی جنوبی3-247

- نقشه چاه )نحوه بکارگیری لوله های درون3-351......................................................................چاهی (

(IMS- تهیه و ارائه نرم افزارانتخاب مواد )3-452....................برمبنای متدولوژی اشبی، استاندارد ها و مراجع

ز



56............................................- بررسی محدودیتها3-4-157.............................................- معرفی نرم افزار3-4-2

60.......................................- روش انتخاب مواد3-4-2-1 - ارزیابی خوردگی درشرایط سیال گشوی3-4-366.....................................................................جنوبی

- انتخاب آلیاژ برای شرایط در تماس3-4-3-166........................................................مستقیم با سیال

- انتخاب آلیاژ برای شرایطی که در3-4-3-270..................................تماس مستقیم با سیال نمی باشد

فصل چهارم

73..................................................................روش تحقیق73................................................................- مقدمه4-174...............................................- بررسی های میدانی4-276.....................................- بررسی خواص آلیاژ انتخابی4-3

76...................................- بررسی ترکیب شیمیایی4-3-176.....................................- بررسی خواص مکانیکی4-3-276................................................- محیط آزمایش4-3-3SSR (Slow Strain Rate)...........................77- آزمایش 4-3-4

78....................................- آماده سازی نمونه ها4-3-4-179................................- شرایط مکانیکی آزمایش4-3-4-280..........................................- تجهیزات آزمایش4-3-4-380...............................................- نتایج آزمایش4-3-4-4

فصل پنجم

82....................................................................نتایج وبحث82...............................................- بررسی های میدانی5-1

ح



82.......................................- بررسی فرایند ساخت5-1-185................................................- تعیین نوع آلیاژ5-1-2

85.................................- بررسی خواص مکانیکی5-1-2-185.................................- بررسی ترکیب شیمیایی5-1-2-286.................................- بررسی عمليات حرارتي5-1-2-3 براساسL80 type I- خواص آلیاژ 5-1-2-4

API 5CT.......................................................89استاندارد 89..............................................- بررسی خوردگي5-1-3

- نتایج آزمایش های خوردگی برروی آلیاژ5-294......................................................................انتخابی

94...............................................- ترکیب شیمیایی5-2-194...............................................- خواص مکانیکی5-2-2SSR...................................................95- آزمایش 5-2-3

95........................................................- بررسی نتایج5-3

فصل ششم

101..................................................................نتیجه گیری101...............................................................نتیجه گیری

103...............................................................منابع و مراجع

ط



فهرست شکل ها

عنوانصفحه

فصل دوم

6...................[.2 . شماتیک پیدایش خوردگی حفره ای ]1-2شکل درفCCوالد زنCCگ نCCزن )SCC. مقطCCع تCCرک 2-2شCCکل

X500[ )4.]....................................................................1212..............................[.4 در برنج ]SCC. مقطع ترک 3-2شکل

. رابطCه سCرعت پیشCروی تCرک نسCبت بCه4-2شکل 14..................................[.4عمق ترک تحت بار کششی ثابت ]

. رابطCه بین ازدیCاد طCول نمونCه بCه عنCوان5-2شکل بCCا نCCیروی ثCCابت ]SCCتابعی از زمان در یک آزمایش

4.]..............................................................................1424.....................[ .15. شرایط حاکم برسیستم ترش ]6-2شکل . محیطهای کاری با توجCCه بCCه مقCCدار فشCCار7-2شکل pH [14]........................................................25 و H2Sجزئی . شCCماتیک خCCوردگی درفوالدهCCا درحضCCور8-2شCCکل

CO2 ,H2S[2]...................................................................26 . حاللیت دی اکسید کربن در اعماق مختلف9-2شکل

30.................................................................یک چاه نفت. . اثCر افCزایش دمCا بCCر نCرخ خCوردگی بCCر10-2شCCکل

31.....................................[.18اساس معادله دی وارد میلیام ] بCCر نCCرخ خCCوردگیH2S. اثر فشار جCCزئی 11-2شکل

NaCl [18].................................33فوالدها در درصدهای مختلف

ف



بCر نCرخ خCوردگیH2S. اثCر فشCار جCزئی 12-2شکل 33...........................................................[.18فوالد خالص ]

بCCر نCCرخCO2 و H2S. اثCCر فشCCار جCCزئی 13-2شCCکل 34....................................................[.18خوردگی فوالد ها ]

فصل سوم

. معیار ترش و یا شیرین بCCودن سCCیال گCازی1-3شکل49..................................[15 و فشار کل]H2Sبر اساس میزان

. محیطهای کاری با توجCCه بCCه مقCCدار فشCCار2-3شکل pH [14]........................................................50 و H2Sجزئی

. شCCCماتیک قرارگCCCیری لولCCCه هCCCای درون3-3شCCCکل 51.........................................................................چاهی . . نقشه طراحی و گرادیان دمCCایی میCCدانهای4-3شکل

52.....................................................گازی سروک و خامی . . اصول اساسی انتخاب مCCواد مهندسCCی بCCر5-3شکل

53............................................].26اساس متدولوژی اشبی [. چهار مرحله اصلی از فرایند انتخاب مواد[6-3شکل

26.[............................................................................5558................................... . فلو دیاگرام انتخاب مواد.7-3شکل بCCا دوIMS . صفحات اول و دوم نرم افزار 8-3شکل

قابلیت جستجو به منظور "انتخCCاب مCCواد" و "پیشCCنهاد59..................................................................... .عمومی"

.................... IMS . انتخاب مسیر جستجو در نرم افزار9-3شکل 60

و همچنین H2S ,CO2. تعیین فشار جزئی 10-3شکل 61..........................................ترش و یا شیرین بودن سیستم.

. جستجو آلیاژ بCCر مبنCCای سCCه پیش فCCرض11-3شکل "مواد ازپیش تائیدشده " ، "مCCواد تائیCCد شCCده بCCر پایCCه

62..............................آزمایشات مشخص" و"اطالعات میدانی".

ص



. جسCCCتجو آلیCCCاژ بCCCر مبنCCCای " پیشCCCنهاد12-3شCCCکل 63......................................................................عمومی".

63..................... تعیین استاندارد معادل آلیاژ انتخابی.13-3شکل . بCCرخی امکانCCات محاسCCباتی نCCرم افCCزار14-3شCCکل

IMS.............................................................................64 . امکCCان جسCCتجو بCر مبنCCای تجهCیز مCCورد15-3شCCکل

64............................................................................نظر.65.............................. امکان جستجو بر مبنای آلیاژ.16-3شکل

. انCCواع مCCدلهای خCCوردگی بCCا توجCCه بCCه17-3شCCکل 66............................................. سیال.H2S و CO2فشارجزئی

%20. اثر نیکل برکاهش نرخ خCCوردگی در18-3شکل NaCl,140 psi H2S,200 c,48 h).............................................67

. اثCCر شCCماتیک عناصCCر کCCرم و نیکCCل بCCر19-3شCCکل 68............................................افزایش مقاومت به خوردگی .

فصل چهارم

..................[.28. ابعاد آماده سازی نمونه های آزمایش]1-4شکل78

. شماتیک اثر نرخ کرنش بر حCاالت مختلCف2-4شکل 79..............................................................[.29ایجاد ترک]

SSR [29] .......................80. شماتیک دستگاه آزمایش 3-4شکل

فصل پنجم

83................................... تصویر نمونه مورد بررسی1-5شکل . تصCوير سCاختار مقطCع عرضCي نمونCه در2-5شكل

x100.............................................................83بزرگنمایی در نمونCCCه درBanding. تصCCCویر سCCCاختار 3-5شCCCکل

. )ضخامت یکسان مقطCCع طCCولي بCCاx200بزرگنمایی 84..........................................................................نمونه(

ق



در نمونCCCه درBanding. تصCCCویر سCCCاختار 4-5شCCCكل . )مقطCCCع طCCCولي داراي ضCCCخامتx200بزرگنمCCCایی 84...................................................................بيشتر بوده(

. ساختار سCCطح خCCارجی قطعCCه، مCCارتنزیت5-5شكل x200.............................................87تمپرشده در بزرگنمایی

. ساختار مغز قطعCCه ، مCCارتنزیت تمپرشCCده6-5شكل x100.........................................................87در بزرگنمایی

. ساختار مغز قطعه ، مارتنزیت تمپرشCCدهCC-7 5شكل x200.........................................................88در بزرگنمایی

. ساختار مغز قطعه ، مارتنزیت تمپرشCده در8-5شكلx 500 .............................................................88بزرگنمایی

90.......................... تصویر کلی از لوله مورد آزمایش.9-5شکل . تصوير خCCوردگي حفCCره اي دربزرگنمCCایی10-5شكل x100............................................................................90 . تصوير خوردگي حفCره اي در بزرگنمCCایی11-5شكل x200............................................................................91

. تصCCوير محصCCوالت خCCوردگي در نمونCCه12-4شCCكل x100..............................................91آزمایش در بزرگنمایی

. تصCCوير محصCCوالت خCCوردگي در داخCCل13-5شCCكل x1000.....................................92حفره خوردگي دربزرگنمایی

. تصوير محصوالت خوردگي به شCCكل دانCCه14-5شكلx200...................................................92بندي دربزرگنمایی

.نسبت استحکام تسلیم دردوحالت محیط15-5شکل 97..............................................................خورنده وخنثی .

. زمCCان شکسCCت نمونCCه هCCای دردوحCCالت16-5شCCکل 98.....................................................محیط خورنده وخنثی .

.نسCCCبت زمCCCان شکسCCCت نمونCCCه هCCCا17-5شCCCکل 98........................................دردوحالت محیط خورنده وخنثی .

.نسبت درصدازدیاد طول نسبی نمونه ها18-5شکل 99.....................................در دو حالت محیط خورنده و خنثی .

ر



.نسبت درصد کاهش سطح مقطع نمونه19-5شکل 99.................................ها در دو حالت محیط خورنده و خنثی .

ش



فهرست جدول ها

عنوانصفحه

فصل دوم . اثر عناصر آلیاژی بCCر مقCCاومت در برابCCرCC-1 2جدول

7...................[.4,5,6,7حفره دار شدن آلیاژهای فوالد زنگ نزن ] . تCCCCCCاثیر پارامترهCCCCCCای هندسCCCCCCی و2-2جCCCCCCدول

الکتروشیمیایی بر مقاومت در برابر خوردگی شیاری ]4.]................................................................................9

فصل سوم

. مشخصات سCیال درمیCدان گCازی گشCوی1-3جدول 48.........................................................................جنوبی. . شCCرایط سCCیال در میCCدان گCCازی گشCCوی2-3جCCدول50.........................................................................جنوبی......................] .26. چهار دستور العمل انتخاب مواد [3-3جدول

56IMS......................................69. خروجی نرم افزار4-3جدول . آلیCاژ پیشCنهادی جهت سCاخت لولCه درون5-3جدول

چCCاهی بمنظCCور بکCCارگیری در میCCدان گCCازی گشCCوی71.........................................................................جنوبی.

ت



فصل چهارم

. شCCرایط محیطی نمونCCه معیCCوب مCCورد1-4جCCدول74........................................................................بررسی.

77.................................... شرایط محیطی آزمایش.2-4جدول

فصل پنجم

. نتCCCایج آزمCCCایش کشCCCش نمونCCCه مCCCورد1-5جCCCدول 85.......................................................................آزمایش.

.................... نتایج آزمایش سختی نمونه مورد آزمایش.2-5جدول85

. نتایج آزمایش آنالیز شیمیایی نمونCه مCورد3-5جدول 85.......................................................................آزمایش. . فراینCCد سCCاخت و عملیCCات حCCرارتی بCCر4-5جCCدول

API 5CT[30].............................86 از استاندارد 1اساس جدول از رسCCCوبات داخلیXRF. نتCCCایج آنCCCالیز 5-5جCCCدول

93...............................................................نمونه آزمایش.94...................... ترکیب شمیایی نمونه مورد آزمایش.6-5جدول 95..................... خواص مکانیکی نمونه مورد آزمایش.7-5جدول

ث


فصل اولمقدمه


مقدمه

بررسی مقاومت به خوردگی در لولCCه هCCای فCCوالدی مCCورد اسCCتفاده در ،2، لولCCه هCCای درون چCCاهی1سCCاخت تجهCCیزات از قبیCCل خطCCوط لوله

در مجموعه مخازن گازی ترش و همچنین انتخCCاب3تجهیزات سرچاهیآلیاژ مقاوم به خوردگی ازاهمیت باالیی برخوردار است .

باتوجه به اینکه فرایند شناسایی و انتخاب مواد در صنایع نفت و گCCاز عمدتا بر اساس تجربیات موجود در این صنعت، اسCCتاندارهای مرجCCع و یا ارائه خدمات مهندسی مشاوره توسط شرکتهای طراحی خارجی در ایران انجام می گیرد، در این پCCروژه بCCا جمCCع آوری اطالعCCات مرجCCع و بررسی محدودیتهای خوردگی، نسبت به تهیه و ارائه نرم افزار انتخاب مواد اقدام نموده و سپس با انجام آزمایشهای مرتبط امکان بکارگیری آلیاژ پیشنهادی توسط نرم افزار فوق الذکر جهت بکارگیری درشCCرایط

سیال میدان گازی ترش بررسی می گردد.

1 Flow Line2 Casing &Tubing3 Wellhead Facility

2


فصل دوم تئوری و مروری برتحقیقات گذشته


تئوری و مروری بر تحقیقات گذشته

- تقسیم بندی انواع خوردگی و مکانیزمها2-1

درشرایط کلی ده حالت مکانیزم خوردگی وجCCود دارد کCCه بCCا توجCCه بCCه نوع تجهیزات و شرایط محیطی یCCک و یCCا ترکیCCبی از چنCCد مکCCانیزم هم

[. 1,2زمان پدید می آید ]

- خوردگی عمومی2-1-1

خوردگی یکنواخت معمولترین نوع خوردگی است. معموال بوسCCیله یCCک واکنش شCCیمیایی یCCا الکتروشCCیمیایی بطCCور یکنCCواخت در سCCر تCCا سCCر

4سطحی که در تماس با عامل خورنده قراردارد، مشخص می شود [ .[

خوردگی یکنواخت را به طرق زیر می توان متوقف و یا کم نمود:الف- انتخاب مواد و پوشش صحیحب- استفاده از ممانعت کننده ها

ج- استفاده از حفاظت کاتدی وآندی

شیمی محیط خورنده از نظر درصد یونها، وجود ناخالصیهای معCCدنی یا آلی بر روی خوردگی یکنواخت تاثیر دارنCCد. بعنCCوان مثCCال درسیسCCتم

Fe-H2O.ذاردCCزایی می گCCاثیر بسCCعامل سختی آب بر خوردگی فوالد ت کار پالستیکی بر روی خوردگی یکنواخت تاثیر می گذارد.

4



1- خوردگی موضعی2-1-2

،2انCCواع مختلCCف خCCوردگی موضCCعی عبارتنCCد از: خCCوردگی حفCCره ای ، که در زیCر بCه توضCیح آنهCا می4و خوردگی رشته ای 3خوردگی شیاری

[.2پرداریم ]

5- خوردگی حفره ای2-1-2-1

حفره دار شدن یکی از مخرب ترین انواع خوردگی می باشCCد و در اثCCر سوراخ شدن تجهیزات یا قطعات فلزی، باعث بال اسCCتفاده شCCدن آنهCCا می شود، در حالی که تقلیCCل وزن حاصCCل از این نCCوع خCCوردگی نCCاچیز

[:2است. این نوع خوردگی دو پیامد مهم را به همراه دارد ] سبب کاهش ضخامت، ایجاد حفره وتغیرشکل ظCCاهری سCCطح–الف

می شود. ب- حفره های تشکیل شده غالبا مخروطی شکل اند و ایجاد تمرکCCز

تنش می نمایند. منشCCاء پیCCدایش حفCCره هCCا عدیCCده اسCCت کCCه از آن جملCCه می تCCوان

، تغییرات محیطی و یا رسCCوبات6خراشهای سطحی، نابجائیهای برآمده سطحی را-که سبب متفاوت شدن سرعت انحالل فلز می شCCوند- نCCام بردکه غالبا بر روی الیه فیلم محافظ و یا پوشش سCCطحی و یCCا سCCطح فلز ایجاد می شوند. اگر خوردگی حفره ای در سCCطح وسCCیعی از فلCCز گسترده شCCده باشCCد معمCCوالحفره هCCا از عمCCق کمCCتری برخCCوردار می

و اگر حمله درسطح کوچکی از فلCCز تمرکCCز7باشند که آنها را کم عمق می گویند. حفCCره هCCا8یافته باشد، حفره ها عمیقتر شده به آنها عمیق

پیلهای آندی هستند که توسط زمینه کاتدی محاصره شده اند. خوردگی طبCق یCک فراینCCد اتوماتیCCک یCCا 9حفره ای پس از طی مرحلCCه پیCCدایش

1 Localized Corrosion2 Corrosion Pitting3 Crevice Corrosion4 Filiform Corrosion5 Corrosion Pitting6 Emerging Dislocation7 Shallow8 Deep9 Initiation

5



-2 و خودپیش برنده رشد می کند. این مطلب در شکل )10اتوکاتالیتیک( نشان داده شده است.1

پیدایش خوردگی حفره . شماتیک1-2شکل[.2ای ]

بوسیله محلول نمCCک طعCCام اکسCCیژن دار در معCCرضMدر اینجا فلز حفره دارشدن قرار می گیرد. در حالیکCCه انحالل سCCریع فلCCز در داخCCل حفره واقع شده، احیاء اکسیژن روی سطح مجاور انجام می شود. این واکنش خوردگی "خود پیش رونCCده" و "خCود تکثCCیر" می باشCCد. انحالل سریع فلز در داخل حفره باعث ایجCCاد بCCار مثبت اضCCافی در این ناحیCCه می شودکه در نتیجه برای برقCCراری تعCCادل الکCCتریکی یونهCCای کلCCر بCCه داخل حفCره مهCاجرت می کننCد. بCدین تCرتیب در داخCل حفCره غلظت

ایجCCاد می شCCود و در نتیجCCه هیCCدرولیز، غلظت بCCاالیی ازMClباالیی از HظCCای غلیCCیژن در محلولهCCابلیت انحالل اکسCCون قCCد. چCCود می آیCCبوج

تقریبا صفر است، هیچ گونه احیاء اکسیژن در داخل حفره صورت نمی گیرد و واکنش کاتدی احیاء اکسیژن روی سطح خCCارجی مجCCاور حفCCره باعث حفاظت آن سطح در مقابل خوردگی می شود. به عبارتی حفره هCCا بقیCCه سCCطح فلCCز را حفCCاظت کاتCCدی می کننCCد و عمCCق حفCCره هCCا

[.2زیادترمی شود ]

. اثر عناصر آلیاژی بر مقاومت در برابر حفره دار شدن آلیاژهای فوالد1- 2جدول [.4,5,6,7زنگ نزن ]

مقCCCCCCاومت دربرابرحفCCCCCCرهعنصردارشدن

افزایش می دهدکرومافزایش می دهدنیکل

افزایش می دهدمولیبدن کم می کند ،بامولیبدن افزایش میسیلسیم

10 Self Stimulation Autocatalytic

6



دهد درکلرورفریCCک کم می کنCCد،دربقیCCهتیتانیم

مواردبی اثراستکم می کندگوگردکم می کندکربن

افزایش می دهدنیتروژن کCCاهش می دهCCد ولی رشCCد حفCCرهمس

راکاهش می دهد افCCزایش می دهCCدولی رشCCد حفCCرهقلع

راافزایش می دهدکاهش می دهدمنگنز

اکCCثر حفCCره دار شCCدنها بCCه همCCراه هالوژنهCCا می باشCCد. در این رابطCCه کلروها، برومورها و هیپوکلریت ها متداول ترین و رایج ترین می باشند که اکثر انهCCدامهای ناشCCی ازحفCCره دارشCCدن در اثCCر کلروهCCا و یونهCCای حاوی کلر می باشند. هالوژنیدهای مس، آهن، جیوه شدیدا خورنده می باشند و برای ایجاد خوردگی، کلرورمس و آهن نیازی به وجود اکسیژن ندارند. افزایش سرعت انتقال سیال معموال احتمال حفره دارشCCدن را

18-8 مولیبCCدنیوم بCCه فCCوالد زنCCگ نCCزن 2کم تCCرمی نمایCCد. افCCزودن %[.5مقاومت این آلیاژ را در برابر خوردگی حفره ای افزایش می دهد ]

1- خوردگی شیاری2-1-2-2

این نوع خوردگی در مدخل ها ،گوشه ها وکنCCاره هCCا اتفCCاق می افتCCد و مکCCانیزمی شCCبیه بCCه خCCوردگی یکنCCواخت داشCCته بCCا این تفCCاوت کCCه

بیشترین سهم انجام این نوع خوردگی را به خCCود2پالریزاسیون غلظتی اختصCCاص می دهCCد. این خCCوردگی درقCCالب دو مکCCانیزم شCCناخته شCCده

[:2است ]الف( خوردگی ناشی از غلظت اکسیژن

نقاطی که دارای اکسیژن کمتری هستند بصورت آند عمCCل نمCCوده و نقاطی که از اکسیژن بیشتری برخوردار باشند بعنCCوان کاتCCد بCCاقی می

مانند.ب( خوردگی ناشی از تفاوت در غلظت یون فلزی

1 Crevice Corrosion2 Concentration Polarization

7



اختالف بین پتانسیل بین منطقه درون و برون شیار ناشی از اختالف غلظت یون فلزی می باشد که بعنوان عامل اصلی خوردگی محسCCوب

[:4می شود و مکانیزم آن به شرح زیراست ]M---------- M2+ + 2e اکسیداسیون آندی-O2 + 2H2O + 4e --------- 4OH احیاء کاتدی:

بCCا افCCزایش خCCوردگی در داخCCل شCCیار، سCCرعت احیCCاء اکسCCیژن در سطوح مجاور نیز افزایش می یابد. بدین ترتیب سCCطوح مجCCاور شCCیار به طریق کاتدی حفاظت می شوند. این نوع خوردگی در اکثر محیطهCCا اتفاق می افتد اگر چه در محیطهایی که حاوی کلرور می باشند بسCCیار

[.4شدیدتر است ] خوردگی شیاری باعث ایجاد تمرکCCز تنش خواهCCد شCCد کCCه می توانCCد موجبات خوردگی تنشی و یا خوردگی خستگی را فCCراهم کنCCد. فلCCزاتی 1که برای حفاظت از خود از الیه های اکسCCیدی یCCا الیCCه هCCای غیرفعCCال

اسCCتفاده می نماینCCد در مقابCCل خوردگیهCCای موضCCعی و از آن جملCCه خوردگی شیاری مقاومت کمی نشCCان می دهنCCد )این الیCCه هCCا بوسCCیله

غلظتهای باالی کلرورهیدروژن از بین می روند(. تCCاثیر پارامترهCCای هندسCCی و الکتروشCCیمیایی بCCر مقCCاومت در برابCCر

ارائه شده اند.2-2خوردگی شیاری در جدول

. تاثیر پارامترهای هندسی و الکتروشیمیایی بر مقاومت در برابر2-2جدول [.4خوردگی شیاری ]

مقCCCCاومت خCCCCوردگیافزایش پارامترشیاری

دانسCیته جریCCان بحCCرانی(icآندی)

کاهش یابد

کاهش یابد(Wپهنای دهانه شیار)پتانسیل غیرفعال شCCدن)

Ep)کاهش یابد

کاهش یابد(Eaپتانسل فعال) مقCCCCCاومت مخصCCCCCوص

(Pمحلول)کاهش یابد

1 Passive film

8



( نشCCCان می دهدکCCCه بهCCCترین مقCCCاومت در2-2بررسCCCی جCCCدول ) غیرفعال با شCCرایط زیCCر–برابرخوردگی شیاری در مورد یک فلز فعال

بدست می آید: منطقه انتقال فعال به غیر فعال باریک دانسیته جریان بحرانی کوچک منطقه غیر فعال وسیع

ارائه نمود کهCCI C)1[ شاخصی برای خوردگی شیاری)4استرایکر ] درانتخاب مواد کاربرد زیادی دارد که بصورت حاصCCل ضCCرب جهت لبCCه

( و مCCاکزیمم عمCCقSهایی کCCه در معCCرض خCCوردگی قCCرار می گیرنCCد )CCI = S x D( می باشد، یعنی : Dخوردگی )

2- خوردگی رشته ای2-1-2-3

خوردگی رشته ای یک نوع خاص از خوردگی شCCیاری اسCCت کCCه بCCاعث تضعیف یا از بین رفتن قطعه نمی شود بلکه تنها به ظاهر جسم صدمه

[.3می زند و عموما در صنایع نفت از اهمیت باالیی برخوردار نیست ]

3- خوردگی گالوانیک2-1-3

آن زمCCانی کCCه دو فلCCز غCCیر همجنس در تمCCاس الکCCتریکی بCCا یکCCدیگر هستند، اگر در معرض یک محلول هادی یا خورنده قرار بگیرند، اختالف پتانسیل بین آن دو باعث برقراری جریان الکترونی بین آنهCCا می شCCود. فلزی که دارای انرژی پتانسCCل اسCCتاندارد کمCCتری می باشCCد راحت تCCر الکCCترون از دسCCت داده و بصCCورت آنCCد عمCCل می کنCCد و فلCCزی کCCه در جCCدول پتانسCCل شCCیمیایی در جایگCCاه بCCاالتری قCCرار دارد کاتCCد شCCده و واکنش کاتدی در آن انجCCام می گCCیرد. نCCیروی محرکCCه بCCرای برقCCراری جریان و در نتیجه خوردگی، پتانسیلی اسCCت کCCه بین این دو فلCCز وجCCود

[.3دارد ]

1 Crevice Corrosion Index2 Filiform Corrosion3 Galvanic Corrosion

9



1- خوردگی محیطی2-1-4

برخالف دیگر فرم های خوردگی که خوردگی در طول زمانهای طوالنی رخ می دهCCد، ترکهCCای محیطی بCCه سCCرعت اتفCCاق می افتنCCد. ترکهCCای محیطی یک شکست ترد در مواد نرم می باشCCند کCCه ناشCCی از تCCرکیب خوردگی وتنش کششCی می باشCCد. انCواع مختلCCف تCCرک هCای محیطی

[:8عبارتند ]

(SCC )2ترکیدگی خوردگی تنشی-1(HIC )3خسارات هیدروژنی-2(LME )4تردی فلزمذاب-3(CF )5خوردگی خستگی-4

(SCC- ترکیدگی خوردگی تنشی )2-1-4-1

ترک خوردن در اثر خوردگی تCCوام بCCا تنش کCCه نتیجCCه اعمCCال همزمCCان تنشCCهای کششCCی و محیCCط خورنCCده روی فلCCز می باشCCد. عCCده ای از محققین کلیه انهدامهای ناشی ازترک خوردن در محیطهای خورنده من

نامیده انCCد، لکن اینSCCجمله انهدامهای ناشی از تردی هیدروژی را دو نوع ترک خوردن با تغییر پارامترهای محیطی، رفتارهای متفCCاوتی از خود نشان می دهند. حفاظت کاتCCدی روش مCCوثری بCCرای جلوگCCیری از

SCC[ رددCCدروژی می گCCردی هیCCو3 می باشد درحالیکه باعث تسریع ت [. به همین دلیل این دو نوع ترک خوردن را جداگانه بحث می کنیم.9

، فلز یا آلیCCاژ تقریبCCا خCCورده نمی شCCود، درحCCالی کCCهSCCدر مرحله ترک های ریزی به داخل آن پیشرفت می کند. از آنجا که ترک خCCوردن در محدوده مجاز تنش های طCCراحی ایجCCاد می گCCردد اثCCرات مخCCرب و

خطرناکی بدنبال خواهد داشت.

1 Environmental Cracking2 stress corrosion cracking3 hydrogen-induced cracking4 liquid metal embrittlement5 corrosion fatigue

10



در حالی که تنش به تنهایی در خCCواص مکCCانیکی اثCCر می کنCCد )مثCCل خCCزش ،خسCCتگی وگسCCیختگی( و خCCوردگی نCCیز بCCه تنهCCایی واکنشCCهای انحالل را بCCاعث می شCCود، اثCCر همزمCCان و تCCوام این دو بCCا هم گCCاهی اوقات نتایج ناگواری را به همراه دارد. فوالدهای زنگ نزن درمحیطهای کلCCروردار تCCرک می خورنCCد درحCCالی کCCه در محیطهCCای آمونیCCاک تCCرک نخواهند خورد. فوالدهای زنگ نزن در اسید سولفوریک، اسCCید نیتریCCک، اسCCید اسCCتیک، یCCا آب خCCالص تCCرک نخواهنCCد خCCورد لیکن در محیطهCCای

درجCCه حCCرارت،SCCکلروردار بازی ترک خواهند خورد. فCCاکتور مهم در ترکیب شیمیایی محلول، ترکیب شCCیمیایی فلCCز، تنش و سCCاختمان فلCCز

[.8 و 9می باشد]

- شکل ترکها2-1-4-1-1

شبیه ترکهائی کCCه در شکسCCت تCCرد ایجCCاد می شCCوند میSCCترکهای باشد در حالی که حقیقتاً ناشی از فرایندهای خوردگی موضعی هسCCتند لکن اگر چCCه این ترکهCCا واقعCCاً ترکهCCای مکCCانیکی نیسCCتند بCCا وجCCود این

( را بCCه عنCCوان تCCرک قلمCCداد می2-2مراحل و اشکال عمومی شکل ) هر دو نوع تCCرک بین دانCCه ای و میCCان دانCCه ای مشCCاهدهSCCگردد. در می گردد.

[.4] (X500 درفوالد زنگ نزن )SCC. مقطع ترک 2-2شکل

ترک ها ی بین دانه ای در طCCول مرزهCCا حCCرکت می کنCCد در حالیکCCه (2-2ترکهای میان دانCCه ای از داخCCل دانCCه هCCا عبCCور می نمایCCد شCCکل )

( مثCCالی از نCCوع3-2مثCCالی از ترکهCCای میCCان دانCCه ای اسCCت و شCCکل )

11



ترکهای بین دانه ای می باشد غالبا در یک آلیاژ هر دو نCCوع تCCرک ممکن است بوجود آید. نوع ترک بستگی به محیCCط خورنCCده و سCCاختمان فلCCز دارد تغییر نوع و شکل ترک در محیط های مختلف در آلیاژهای پر نیکل

[.8 و 9 کرم و برنجها دیده شده است ]–آلیاژهای آهن

[.4 در برنج ]SCC. مقطع ترک 3-2شکل

ترک خوردن معموال در جهت عمود بر تنش اعمCCال شCCده اتفCCاق می افتد که با توجه به سCCاختمان فلCCز و تCCرکیب شCCیمیائی محیCCط خورنCCده شکل ترک می تواند حالتهای مختلف شاخه شCCاخه و یCCا چنCCد شCCاخه را

داشته باشند.

- اثرات تنش2-1-4-1-2

بسCCCتگی بCCCه درجCCCهSCCحCCCد تنش مجCCCاز بCCCرای مصCCCونیت از نظCCCر حرارت ،ترکیب شیمیائی فلز و ترکیب شیمیایی محیط دارد. بCCرای هCCر زوج آلیاژ - محیط یCCک تنش مجCCاز وجCCود داردکCCه بطCCور کلی حCCد تنش

[.8 درصد تنش تسلیم می تواند باشد ]70 تا 10مجاز بین صرفا تنشهای کششی -که از یک حدی باالتر باشند- باعث خCCوردگی تنشی می گردند. این تنشها می توانند هر نCCوعی اعم از تنش پسCCماند

SCCحرارتی و یا در اثر جوشکاری باشند. موارد زیادی وجود دارد کCCه [.8بدون اعمال تنش خارجی اتفاق افتاده است ]

- زمان شکست2-1-4-1-3

12



پارامتر مهمی است، زیرا خسارت فیزیکی مهمی که درSCCزمان در SCCاCCوذ ترکهCCا نفCCاتفاق می افتد در مراحل نهائی صورت می گیرد. ب

به داخل فلز سCCطح مقطCع مCCوثر فلCCز کم شCCده کCCه در نتیجCCه آن تنشافزایش می یابد و نهایتا شکست نهائی، مکانیکی خواهد بود.

( رابطCCه سCCرعت شکسCت بCر حسCب عمCق تCCرک در4-2در شکل ) نمونه ای که تحت نCCیروی کششCCی ثCCابتی قCCرار دارد نشCCان داده شCCده است. ابتدا سCCرعت حCCرکت تCCرک ثCCابت اسCCت ولی بCCا پیشCCروی تCCرک سطح مقطع نمونه تقلیل یافتCCه و تنش اعمCCال شCCده روی بقیCCه سCCطح مقطع نمونه افCزایش می یابCد در نتیجCه سCرعت حCرکت تCرک نCیز بCا پیشروی خود تCCرک افCCزایش می یابCCد تCCا مCCوقعی کCCه گسCCیختگی واقCCع گردد. درست قبل از گسیختگی فلز سطح مقطع فلCCز آنقCCدر کم شCCده است که تنش روی آن مساوی یا بزرگتر تنش نهائی فلز شده اسCCت و

(5-2انهCCدام در اثCCر گسCCیختگی مکCCانیکی بوجCCود می آیCCد. در شCCکل ) نشCCانSCCرابطه بین زمان آزمایش و ازدیاد طCCول نمونCCه در مرحلCCه

داده شده است در مراحل اولیCCه تCCرک خCCوردن پهنCCای دهانCCه تCCرک کم است و ازدیCاد طCCول خیلی کمی در نمونCCه بوجCود می آیCد. در مراحCل بعدی ترکها باز تر می شود، قبCCل از گسCCیختگی تغیCCیر شCCکل پالسCCتکی قابل مالحظه ای نیز بوقوع می پیوندد و تغیCCیر طCCول بCCزرگی مشCCاهده

[.8و 4می گردد ]

. رابطه سرعت پیشروی ترک نسبت به عمق ترک تحت بار کششی4-2شکل [.4ثابت ]

13



. رابطه بین ازدیاد طول نمونه به عنوان تابعی از زمان در یک آزمایش5-2شکل SCC[ 4 با نیروی ثابت.]

- فاکتورهای محیطی2-1-4-1-4

وجود اکسیدکننده ها غالبا اثر زیCCادی بCCر تمایCCل بCCه تCCرک خCCوردن دارد. درفوالدهCCای کربCCنی در محیطهCCای داریSCCتحقیقات نشان داده کCCه

خاصیت قلیایی قوی و در فوالدهای ضدزنگ در محیطهای حاوی کلرایCCد تقویت می شود. در فوالد های زنگ نزن آستینیتی وجCCود اکسCCیژن حCCل شده و یا اکسید کننده های دیگر الزمCCه تCCرک خCCوردن در محلCCول هCCای کلردار می باشد و اگCر اکسCیژن حCCذف شCCود شکسCCت اتفCCاق نخواهCCد

[. 10افتاد ] میگرند اینست کCCه آلیCCاژ درSCCویژگی محیط هایی که باعث ایجاد

حالتی که فاقد تنش می باشد در آنها به میزان خیلی جزئی خورده میشود.

خوردگی تنشی نیز شبیه اکثر واکنش های شیمیایی با افزایش درجه حرارت شدت می یابCCد. اکCCثر آلیاژهCCایی کCCه مسCCتعد بCCه تCCرک خCCوردن

درجCه سلسCیوس شCروع بCه تCرک خCوردن می100هستند حداقل در نمایند.

14



- فاکتورهای متالورژیکی2-1-4-1-5

عبارتنCCد از تCCرکیب شCCیمیایی متوسCCط، جهتSCCفاکتورهای مCCوثر در ارجح کریسCCتالها )طCCرز قCCرار گCCرفتن کریسCCتالها(، تCCرکیب و توزیCCع رسوبات در داخل فلز، واکنش نابجائیهCCا بCCا یکCCدیگر و مCCیزان پیشCCروی تغییر حالت های فازی. این فاکتورها به همراه ترکیب شیمیای محیط و

تنش اعمال شده زمان شکست را تعیین می کنند. تحقیقات نشان داده که در فوالدهای زنCگ نCزن ریختگی بCا افCCزایش

افCCزایش یافتCCه و منCCاطقSCCدرصد فریت در ساختمان فلز مقاومت [.4فریتی در زمینه آستنیتی مانع از پیشروی ترکها می گردد ]

- خسارتهای هیدروژنی )ترک برداری ناشی از وجود هیدروژن2-1-4-2HIC)

هیدروژن اتمی پس ازتشکیل بر روی سطح فلز بCCه درون آن نفCCوذ می کند. هیدروژن نفوذ یافته به تنهایی و یا در کنار نیروهای تنشی داخلی و یا خارجی موجبات ایجاد سستی، ترک و شکست قطعCCات مهندسCCی را فراهم می آورد. هیدروژن اتمی پس از تشکیل در ناحیه کاتCCدی، درون

،1فCCوالد نفCCوذ نمCCوده و در کنCCار اتمهCCای شCCبکه آهن بصCCورت بین اتمی همراه نابجائیها، درمرزدانه ها، در درون حفره هCا، درکنCCار ناخالصCCیها و یا برخی دیگر از عناصر آلیاژی، نشست نموده، پیوند تشکیل می دهCCد. انCCرژی پیونCCد در این مواردمتفCCاوت بCCوده و در مCCورد نابجائیهCCا یکی از

(، هیCCدروژن در شCبکه اتمیkj/mol 59بیشCترین مقCادیر را داراسCCت ) محصورگشCCته و بCCه تلCCه می افتCCد. این تلCCه هCCا بCCه دو نCCوع تقسCCیم می

(.3( و یCCا دائم )برگشCCت ناپCCذیر 2شوند: تله های موقت )برگشCCت پCCذیر برای فوالدکربنی تقریبا تمامی هیدروژن ذخیره شده در تلCCه هCCای دائم

درجه سلسیوس ازشCCبکه اتمی تخلیCCه گشCCته،250با رسیدن به دمای بدین ترتیب احتمال بروز تخCCریب هیCCدروژنی در دماهCCای پCCائین نCCیز بCCه

حداقل می رسد.1 Interstitial2 Reversible3 Ir-reversible

15



هیدروژن فوالد زنگ نCCزن آسCCتنیتی را ماهیتCCاً اشCCباع نمی نمایCCد پس احتمCCال تخCCریب هیCCدروژنی این دسCCته از فلCCزات ضCCعیف اسCCت امCCا فوالدهای کربنی، زنCCگ نCCزن فریCCتی و مCCارتنزیتی اشCCباع شCCده و مCCورد

حمله قرارمی گیرند. خسارات هیدروژنی یک اصطالح کلی اسCCت کCCه داللت بCCر خسCCارت مکانیکی وارد شده به فلز در اثر وجود یCCا واکنش بCCا هیCCدروژن اسCCت.

خسارت هیدروژنی را می توان به پنج گروه مشخص تقسیم کرد. 1تاول زدن هیدروژنی 2تردی هیدروژنی 3دکربوره کردن

4خوردگی هیدروژنی تاول زدن در اثر هیدروژن ناشی از نفوذ هیدروژن به داخل فلCCز می باشد. معموال نتیجه این واقعه تغییر فCCرم موضCCعی و در بعضCCی مCCوارد خاص انهدام کامل فلCCز می باشCCد. تCCردی هیCCدروژنی نCCیز در اثCCر نفCCوذ هیCCدروژن بCCه داخCCل فلCCز اسCCت لیکن نتیجCCه این واقعCCه از دسCCت دادن

انعطاف پذیری فلز و استحکام آن می باشد . دکربCCوره کCCردن یCCا از بین رفتن کCCربن فCCوالد غالبCCا در اثCCر تمCCاس هیدروژن مرطوب با فلز در درجه حرارت باال می باشد. در اثر کربوره شCCدن اسCCتحکام کششCCی فCCوالد کم می شCCود. خCCوردگی هیCCدروژنی، منظور واکنش بین هیدروژن و یکی از عناصر آلیاژی یCCا اجCCزاء تشCCکیل دهنCCده فلCCز در درجCCه حCCرارت هCCای بCCاال می باشCCد. دکربCCوره شCCدن و

خوردگی هیدروژنی در درجه حرارتهای باال اتفاق می افتد . تاول زدن در اثر هیدروژن، تردی هیدروژنی و ترک بردرای ناشCCی از هیدروژن در صنایع نفت و جوشکاری واقع میگردد که در ایجا به توضیح

[.12و 11آنها می پردازیم ]

5- خوردگی در اثر سیال2-1-5

1 Hydrogen Blistering2 Hydrogen Embrittlement3 Decarburization4 Hydrogen Attack5 Flow-Assisted Corrosion

16



خوردگی در اثر سCیال ناشCی از تCرکیب اثCر خCوردگی و جریCال سCیال ایجاد می شود و شامل انواع خوردگی سایشی، برخCCوردی و خسCCارات

[.1]حبابی می باشد

1- خوردگی سایشی2-1-5-1

خCCوردگی سایشCCی عبارتسCCت از سCCرعت یCCافتن یCCا افCCزایش سCCرعت خوردگی یCCا از بین رفتن یCCک فلCCز در اثCCر حCCرکت نسCCبی بین یCCک مCCایع خورنده و سطح فلز .معمCCوال این حCCرکت خیلی سCCریع اسCCت و اثCCرات سایش مکانیکی و یا سائیده شدن وجود دارد. یونهای فلزی حCCل شCCده روی سCCطح فلCCز در اثCCر حCCرکت روی سCCطح بCCاقی نمی ماننCCد، یCCا محصوالت جامد حاصل از خوردگی از سطح فلز بطریق مکانیکی کنده

می شود. خوردگی سایشی دارای ظاهری شیار دار موجی شکل، سوراخ های کروی شکل و ناهموار می باشد و معموال این اشکال در جهت خاصCCی

قرار گرفته اند. کلیه تجهیزاتی که در تمCCاس بCCا مایعCCات متحCCرک هسCCتند در معCCرض خCCوردگی سایشCCی قCCرار دارنCCد. بعضCCی از این تجهCCیزات عبارتنCCد از: سیستم های لولCه کشCی، دسCCتگاههای زانCو یCا پیچ هCا، سCه راهی هCا، شیرها، پمپ های دمنCCده، دسCCتگاههای گریCCز از مرکCCز، پروانCCه هCCا، بCCه همزن ها، تانک های متحCCرک، لولCCه هCCای مبCCدل حCCرارتی مثCCل بویلرهCCا

[.4 و 3, 1وکندانسورها ]

2- برخورد 2-1-5-2

1 Erosion-Corrosion2 Impingement

17



بیشCCتر انهCCدام هCCا ناشCCی از برخCCورد مCCایع بCCا سCCطح فلCCز می باشCCند. جامCCدات معلCCق )گCCاهی اوقCCات حبابهCای گCCاز در مCCایع( اثCCر برخCCورد را افCCزایش می دهنCCد. حبابهCCای هCCوا فCCاکتور مهمی در تسCCریع خCCوردگی برخوردی هسCتند. تجCارب کراکینCCک کاتCالیزوری نشCان داده اسCت کCه

درجه نیز می تواند باعث خوردگی سایشی گردد.25زاویه

1- خوردگی حفره زایی2-1-5-3

حفره زایی که به آن اضمحالل حبابی نیز می گویند در پمپها، شCCیرهای خفه کن و... اتفCCاق می افتCCد و بCCا از بین بCCردن قطعCCات فلCCزی بCCاعث

تغییرات درشکل و اندازه ها می گردد. نامیCCد کCCه هرگCCاه "2حفره زایی رامی توان "جCCوش آمCCدن موضCCعی

افت فشار به فشار تبخیر برسداتفاق افتاده وسیال بCCه بخارتبCCدیل می شود. ازآنجایی که تبخیر صورت می پذیرد همراه با افت دما نیزخواهCCد بود. حفره زایی از حباب کCCوچکی پدیCCدار و قطCCر این حبCCاب تCCا انCCدازه ماکزیمم افزایش خواهد یافت تا به مرکز خود سقوط نموده، انرژی را به دو صورت امواج فشاری )اثرچکشی( و یا گردابی ناشی از یCCک جت میکروسکپی آزاد نماید. این مولفه بر بدنه قطعه اثرگذاشته کCCه بCCاعث انجام کارپالستیکی و خCCوردگی سایشCCی می گCCردد. پدیCCده حفCCره زایی همCCراه بCCا ارتعCCاش و فشCCار می باشCCد و از آنجCCا کCCه ارتبCCاط مسCCتقیم باسرعت سیال دارد و در سرعتهای باال ایجاد می شود، هرگونCCه تغیCCیر در شکل تجهیزات که سبب تغیCCیر درسCCرعت و فشCار سCCیال گCردد بCCر پدیده حفره زایی اثر می گذارد. همچنین وجود ناخالصیها همانند گازها، ذرات جامد و عناصرحل شده در سیال که ویسکوزیته راتغییرمی دهنCCد بر شروع و عملکرد حفره زایی تCاثیر می گذارنCد. ابرهCای حفCره زایی که شامل میلیونها عدد حباب هستند در زمان کوتاهی سطح را تخCCریب می نمایند. تحقیقات نشان می دهد که از نظCCر هیCCدرودینامیکی حفCCره

که خود تابعی از فشار و سرعت اسCCت می3زایی تابع عدد حفره زاییباشد و هر قدر این عدد کوچکتر باشد احتمال تخریب کمتر است.

1 Cavitation Corrosion2 Vapour Pressure3 Cavitation Number

18



Cv = 2(P0 – Pv) / ρV2

P0 = فشاردرگلوگاه Pv = فشارتبخیرΡ = چگالی سیال V = سرعت درگلوگاه

همچنین سختی، استحکام کششی، مقاومت در برابر پیشروی تCCرک بر مقاومت در برابر حفره زایی موثرنCCد. فوالدهCCای2و آرایش سطوح1

ضدزنگ در مقایسه با فوالدهای کربCCنی از مقCCاومت بیشCCتری در برابCCر 3حفره زایی برخوردارند. از بین کلیCCه فلCCزات، ترکیبCCات کCCروم. کبCCالت

مقاومترین است.

4- خوردگی بین دانه ای2-1-6

خوردگی موضعی و متمرکز در مرز دانه ها یا نواحی نزدیک بCCه آنهCCا در حالیکه خود دانه ها یCCا اصCCال خCCورده نشCCده یCCا کم خCCورده شCCده انCCد را

خوردگی بین دانه ای می نامند. خوردگی بین دانه ای بوسیله ناخالصی هCCا موجCCود در مCCرز دانCCه هCCا، غنی شدن یا فقیر شدن مرز دانه ها نسبت به یک عنصر آلیاژی در این نواحی واقع می شود مقادیر جزئی آهن در آلومینیوم که قابلیت انحالل کمی برای آهن دارد، به مرز دانه ها رفته و باعث خوردگی بین دانه ای می شوند. فقیر شدن مرز دانه ها نسبت به کCCرم بCCاعث خCCوردگی بین

دانه ای فوالد های زنگ نزن می گردد.

5- آلیاژ زدایی 2-1-7

به فرایند خوردگی می گویند که در اثر آن یک عنصر از آلیاژ از ساختار اولیه خود جدا می شود. بسیاری از آلیاژها ترکیبی از عناصر می باشند

1 Toughness2 Surface MorpHology3 Stellite4 Intergranular Corrosion5 Dealloying

19



که یکی از این عناصر می تواند آنCد شCود و توسCط مکCانیزم خCوردگی گالوانیکی خورده شود. این پدیده عمومCCا توسCCط تغCیر رنCگ و یCCا تغCیر

استحکام مکانیکی قابل تشخیص می باشد. - خسارت های حبابی2-1-8

خسارتهای حبابی شکل خاصی از خCCوردگی سایشCCی اسCCت کCCه در اثCCر تشکیل حبابهCCای بخCCار و هCCوا در مCCایع و ترکیCCدن آنهCCا روی سCCطح فلCCز

بوجود می آید. محاسبات نشان میدهد انفجار این حباب ها تولید امواج با فشارهایی

می نمایند. نیروهایی به این بزرگی می توانند باعثpsi6000به بزرگی تغییر شکل پالستیکی در بسیاری از فلزات بشوند.

ظاهر خسارتهای حبابی تا حدودی شبه حفره دار شدن می باشCCد بCCا این تفاوت که در ناحیه حفره دار شده حفره ها نزدیک به یکدیگر قرار داشCCته و سCCطح فلCCز بCCه طCCرز قابCCل مالحظCCه ای خشCCن شCCده اسCCت. خسCCارت هCCای حبCCابی ناشCCی از تCCاثیر همزمCCان خCCوردگی و تنش هCCای مکانیکی است، به این ترتیب که در اثر ترکیدن حباب های بخار پوسCCته

های سطحی محافظ از بین میرود. حفاظت کاتدی خسارت حبابی را کم می کند تCCاثیر حفCCاظت کاتCCدی

در اثر تشکیل حبابهای هیCCدروژن در روی سCCطح فلCCز اسCCت کCCهًظاهرا[4مثل بالشتک هوا ضربات ناشی از امواج شوکی را جذب می کند. ]

1- خوردگی سوهشی2-1-9

این نوع خوردگی در محل تقاطع دو قطعه فلز تحت ارتعاش و لCCرزش و در محیط خورنده به وقوع پیوسته و دارای مکانیزمی شبیه خCCوردگیسایشی اسCCت و هرگCاه کCCه بCCا خسCCتگی پیونCCد بخCCورد بCCه آن فرتینCCگ- خستگی نیز می گویند. اگر دو سطح در حال تمCCاس بCCا یکCCدیگر جCCوش خورند، ذراتی از فلز تحت سایش میکروسکپی کنده شده بCCا هCCوا و یCCا محیط شیمیایی اطCCراف خCCود واکنش نمCCوده، همین امCCر بCCاعث ایجCCاد حفره هCCا و نهایتCCاً شCCکاف هCCایی می گCCردد. درهمین حفCCره هCCا امکCCان

1 Fretting Corrosion

20



حCCد50 – 70پیدایش ترکهای خستگی محیا شده که باعث کاهش % خستگی قطعه می گردند.

- سیستمهای ترش ، الزامات و استاندرادها2-3

پیدایش خوردگی شCCدید تجهCیزات فلCCزی در محیطهCای نفت و گCاز کCه بCCود سCCبب تهیCCه و ارائCCهH2Sناشی از حل شCCدن در محیطهCCای حCCاوی

توسط انجمن1975 درسال NACE MR 0175اولین نسخه استاندارد [.14 گردید]1مهندسین خوردگی آمریکا

مقدار مجاز فشار جزئیNACE MR 0175در نسخه اولیه استانداردH2S یCCولفیدی تنشCCوردگی سCCاد خCCبب ایجCCاالتر از آن سCCکه مقادیر ب _

می شود به همراه الزامات مورد نیاز برای انتخاب آلیCCاژ مقCCاوم 2ترکی ارائه شده است. در نسخه های بعدی این استاندارد الزامات وSSCبه

روش هCCCای انجCCCام آزمایشCCCات در آزمایشCCCگاه در شCCCرایط مختلCCCف و ترکیب شیمیایی محیط با معرفیpHفشارجزئی با در نظرگرفتن اثر

ارائه شده است]NACE TM 0177 & NACE TM-0284استانداردهای 15 -17.]

ISO/TC گCCروه کCCاری EFC3 و NACEبCCا همکCCاری دو موسسCCه 67 ISOشکل گرفت که منجر به ارائCCه اسCCتاندارد شCCد. این گCCروه15156

اقدام به جمع آوری، مCCرور و در بCCرخی مCCوارد خCاص انتشCCار تجربیCCات عملی و اطالعات آزمایشگاهی مرتبط با مقاومت مواد فلزی بCCه تCCرک

نمودند.H2Sخوردگی در محیطهای حاوی NACEاسCCتاندارد MR0175/ISO متشCCکل از سCCه بخش و15156

عنوان کلی زیر می باشد:Petroleum and natural gas industries —Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production: Part 1: General principles for selection of cracking-resistant

materials Part 2: Cracking-resistant carbon and low alloy steels

1 National Association of Corrosion Engineers2 Sulfide Stress Cracking3 European Federation of Corrosion

21



Part 3: Cracking-resistant CRAs (corrosion-resistant alloys) and other alloys

در گازH2S هرگاه فشارجزئی NACE MR 0175بر اساس استاندارد خیس فاز گازی و یا دو فازی گاز و یا نفت خام مسCCاوی و یCCا بیشCCتر از

Mpa (0.05 psia) باشCCCد آن سیسCCCتم یCCCک سیسCCCتم تCCCرش0.0003 منظورگردیده و الزامات این استاندارد الزم االجCCرا می باشCCد )شCCکل

2-6.) به شرح زیر طبقه بندی می شCCوند]H2Sدر این راستا محیطهای حاوی

18 :]

Without H2S: Environment containing less than 1 PPM H2S .With H2S: Environment containing more than 1 PPM H2S .Low H2S: Greater than 3 PPM but less than 6 PPM H2S .

High H2S: More than 6 PPM. وH2Sدر شرایط کلی محیطهای کاری با توجه به مقدار فشار جزئی

pHبه لحاظ میزان آسیب پذیری آلیاژ انتخابی در مقابل SSCبه (:7-2چهاردسته کلی به شرح ذیل تقسیم بندی می شوند )شکل

22



الف (سیستم ترش تک فازی .

ب ( سیستم ترش دوفازی [ .15 برسیستم ترش ]حاکم. شرایط 6-2شکل

23



Region 0: Sweet Service

Region 1: Mild Sour Service

Region 2: Intermediate Sour Service

Region 3: Severe Sour Service

.pH [14] و H2S. محیطهای کاری با توجه به مقدار فشار جزئی 7-2شکل

- انواع خوردگی درچاه های نفت وگاز2-3

24



منابع و مراجع1. Gretchen A. Jacobson,” Corrosion—A Natural but Controllable

Process”, NACE International Houston, TX, Advance Materials and Process Technology Volume 7, Number 4, 2003.

2. Denis Brondel, ”Corrosion in the Oil Industry”, Oilfield Review, April

1994.

3. R.Winston Revie, Herbert H. Uhlig,” Corrosion and corrosion Control-An Introduction to Corrosion Sience and Engineering “, Fourth Edition, Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken New Jerse, 2008.

4. – " . خوردگی مهندسی ، ساعتچی دکتراحمد ،ترجمه فونتانا ج مارس " ، اصفهان ، مرکزجهاددانشگاهی ، سوم 1378ویرایش .

5. A. Pardoa, M.C. Merinoa, A.E. Coyb, F. Viejob, R. Arrabalb and E. Matykinab,” Pitting corrosion behavior of austenitic stainless steels combining effects of Mn and Mo additions”, Corrosion Science Reference: CS 3001, 2008.

6. A. Pardo,M.C. Merino, M. Carboneras, A.E. Coy, R. Arrabal,” Pitting corrosion behavior of austenitic stainless steels with Cu and Sn additions”, Corrosion Science 49 (2007) 510–525.

7. Magdy A.M. Ibrahim, S.S. Abd El Rehim, M.M. Hamza,” Corrosion behavior of some austenitic stainless steels in chloride environments”, Materials Chemistry and Physics 115 (2009) 80–85.

8. J.Gutzeit, Amoco Corporation,” Corrosion in Petroleum Refining and Petrochemical Operations,” ASM Vol.13, 2005.

9. M. Al-Mansour, A.M. Alfantazi, M. El-boujdaini,” Sulfide stress

cracking resistance of API-X100 high strength low alloy steel ”, Materials

and Design 30 (2009) 4088–4094.

10. Ralph M.Davision,Terry DeBold,Mark J.Johnson,”Corrosion of

Stainless Steels”, ASM International, Vol.13,Page548- 565, 2005.

11. Richard J Pargeter,” Susceptibility to SOHIC for linepipe and pressure

vessel steels - review of current knowledge,” Paper presented at NACE

2007, 11-17 March 2007.

25



12. A.N. Kuzyukov, Yu.Ya. Nikhayenko, V.A. Levchenko, V.A.

Borisenko, V.G. Moisa,” How hydrogen affects operability of chemical and

petrochemical equipment made of carbon and low alloy steel “,International

Journal of Hydrogen Energy 27 (2002) 813 – 817.

13. F. Peter Ford and Peter L. Andresen, Peter Elliott, "Design for

Corrosion Resistance-Material Selection and Design”, ASM International,

Vol.20, 2002.

14. NACE MR0175/ISO 15156 “Petroleum and natural gas industries—

Materials for use in H2S-containing Environments in oil and gas

production”, NACE International/ISO 2005.

15. American National Standard” Sulfide Stress Cracking Resistant

Metallic Materials for Oilfield Equipment”, NACE Standard MR0175-

2002.

16. American National Standard ,” Laboratory Testing of Metals for

Resistance to Specific Forms of Environmental Cracking in H2S

Environments”, NACE Standard TM0177-96.

17. American National Standard Test Method,”Evaluation of Pipeline and

Pressure Vessel Steels for Resistance to Hydrogen-Induced Cracking”,

NACE Standard TM0284-96.

18. Iranian Petroleum Society, “Engineering for Corrosion consideration in

material Selection” ,IPS-E-TP-740, Nov. 2006.

19. “Casing and Tubing Materials”, NORSOK STANDARD, M-CR-703,

Rev.1, Dec. 1996.

20. Srdjan Nesic, Shihuai Wang,Jiyong Cai and Ying Xiao,” Integrated

CO2 Corrosion –Multiphase Flow Model“, Paper No. 04626,Corrosion

2004.

21. Per Olva Gartland and Roy Johnsen,” Application of Internal Corrosion

Modeling in the Risk Assessment of Pipeline”,Paper No.03179,Corosion

2003.

26



22. F.M. Song,” A comprehensive model for predicting CO2 corrosion rate

in oil and gas production and transportation systems”, Electrochimica Acta

55 (2010) 689–700.

23. Srdjan Nesˇic,” Key issues related to modelling of internal corrosion of

oil and gas pipelines – A review “, Corrosion Science 49 (2007) 4308–

4338, 2007.

24. “CO2 corrosion rate calculation model”, NORSOK STANDARD, M-

506, Rev. 2, March 2005.

25. E. O. ObaniJesu,” Modeling the H2S Contribution to Internal Corrosion Rate of Natural Gas Pipeline”, Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 2009.26. Michael F.Ashby,” Material Selection in Mechanical Design-Third edition”, 2005.27. ASTM A 370,” Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products”, 1997.28. ASTM G198,”Slow Strain Rate Test Method for Screening Corrosion –Resistant Alloys(CRAs) for Stress Corrosion Cracking in sour oilfield Service”, NACE Standard TM0198-98.29. ASTM G 129,”Standard Practice for Slow Strain Rate Testing to

Evaluate the Susceptibility of Metallic Materials to Environmentally

Assisted Cracking”, 1995.

30. API Society,” Specification for Casing and Tubing”, API specification

5CT, fifth edition, April 1995.

27


ABSTRACT

MATERIAL SELECTION OF DOWNHOLE TUBING AND WELLHEAD COMPLETION OF SOUR GAS

RESERVOIR

By

NIMA BAGHERSAEE

The aim of this study is to select materials for casting and tubing in the aggressive sour environment such as GHASHO gas reservoir in the south of Iran. Materials used under such condition have shown severe internal and external corrosion with a high risk of failure. According to ASBY strategy, the interaction between function, chemical composition, microstructure, properties, shape and process are the heart of the materials selection process. The process and shape of pipes are fixed because of using seamless and extruded pipes for the extraction of oil and gas from the downhole part of the well. Other parameters for materials selection are included in the specifications of different commercial alloys. In the current project, Iranian Materials Selection (IMS) software for sour environment was developed with the options of “regular search” and “materials selection”, by programming on the Access software based on database of 1500 alloys. The database has been made using data extracted from related NACE, API and ISO reference standards which are widely used in sour environments. In the “Materials Selection” option, evaluation of the alloys have been done in different corrosion environments with parameters, such as severity of sourness/ sweetness, partial pressure of H2S, CO2, pH, Cl2 content and fluid parameters along with related corrosion modeling. Then, the alloys are selected based on “prequalified materials according to standards”, “prequalified material according to specified laboratory tests” and field data”. Environmental conditions of GHASHO were inserted into the software and a Nickel superalloy was selected. To validate the IMS software, in addition of using the result of tests of Hydrogen Induced Cracking (HIC) and sulfide Stress Cracking (SCC), new experiments of Slow Strain Rate Tests (SSRT) in different environments with H2S, CO2 and Cl2 solutions were performed on selected alloy. In the final part of this project, a failure analysis of API 5CT L80 type I which was already selected wrongly and was used as tubing in the downhole part of sour gas well, was investigated.

Shiraz University

International Devision

M.S. Thesis In Materials Engineering

MATERIALS SELECTION OF DOWNHOLE TUBING AND WELLHEAD COMPLETION OF

SOUR GAS RESERVOIR

By

NIMA BAGHERSAEE

Supervised By

S. JAVADPOUR

September 2010

download-thesis.com · web viewدر شکل (2-5) رابطه بین زمان آزمایش و...

Documents