0
Tải bản đầy đủ (.pdf) (188 trang)

Chống ăn mòn công trình đường ống

Một phần của tài liệu THIẾT KẾ KỸ THUẬT TUYẾN ĐƯỜNG ỐNG DẪN KHÍ TỪ GIÀN HÀM RỒNG TỚI GIÀN THÁI BÌNH (Trang 84 -84 )

Vai trò của việc chống ăn mòn trong thiết kế công trình đường ống biển.

“Theo số liệu quản lý và giám sát trong công nghiệp dầu khí của cơ quan giám sát công nghệ quốc gia Nga về những nguyên nhân kỹ thuật cơ bản của các sự cố trong vận chuyển bằng đường ống được tổng kết như sau:

 Hỏng hóc do kết quả của các tác động ngoài (ngẫu nhiên) chiếm 33%.

 Hỏng hóc trong thiết kế và lắp đặt 24%

 Ăn mòn do môi trường bên ngoài 20%

 Hỏng hóc ống trong điều kiện sản xuất tại nhà máy 17%

 Không tuân theo quy trình khai thác 6%

Theo số liệu trên, số lượng các công trình đường ống bị phá huỷ do các tác nhân ăn mòn bên ngoài (chưa kể ăn mòn do tác nhân bên trong) đã là 20% và là một con số rất đáng quan tâm trong thiết kế.

Như vậy, vấn đề ăn mòn là một trong những nguyên nhân chính gây hư hỏng đường ống. Trong khi đó, sự an toàn của công trình đường ống có tầm quan trọng đặc biệt. Hư hỏng đường ống dẫn đến tổn thất về con người, kinh tế đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi trường. Vì vậy, công tác chống ăn mòn được quan tâm đặc biệt cả trong giai đoạn thiết kế lẫn thi công” – [8].

Phân loại ăn mòn

Theo vị trí của quá trình ăn mòn

Hiện tượng ăn mòn đường ống được chia làm 2 loại là ăn mòn bên trong và ăn mòn bên ngoài

 Trong ống: phụ thuộc vào thành phần chất truyền dẫn. Vận tốc và nhiệt độ dòng truyền dẫn cũng ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn.

Ăn mòn bên ngoài ống chủ yếu là ăn mòn điện hóa.

Phân loại theo hình thái

Một số hình thái ăn mòn điển hình:

 Ăn mòn thông thường (General corrosion): rất dễ gặp trong thực tế, loại này rất dễ đo đạc và khống chế.

 Ăn mòn cục bộ: là quá trình ăn mòn diễn ra do quá trình biến đổi của môi trường. Quá trình này rất dễ cho việc khống chế và ngăn chặn. Tuy nhiên khó khăn cho việc xác định vị trí đo đạc.

 Ăn mòn lỗ: vị trí ăn mòn cô lập hoàn toàn, phần lớn kim loại xung quanh không bị ảnh hưởng.

 Ăn mòn kết hợp với ứng suất gây nứt gãy (Street cracking corrosion): quá trình ăn mòn diễn ra có sự kết hợp của ứng suất xuất hiện và tình trạng đặc biệt của môi trường. Thép đường ống có thể bị nứt trong môi trường chua(H2S).

 Nổi bọt : xuất hiện trong môi trường chua,do có cấu trúc kim loại không đồng nhất trong thép.

 Ăn mòn mỏi : ít gặp đối với đường ống. Bất cứ sự tạo thành ứng suất có tính chu kỳ nào cũng gây nguy hiểm.

 Ăn mòn do vật rắn trong đường ống: sự hiện diện của những chất rắn trong đường ống, đặc biệt là kim loại có tác động rất lớn, quá trình ăn mòn này là ăn mòn xói mòn.

 Ăn mòn do nước biển trong đường ống

 Ăn mòn do sinh vật : đường ống dẫn dầu và nước có thể bị ăn mòn do sự phát triển của vi khuẩn khử sulphate. Loại vi khuẩn này phát triển cùng với nhiều loại vi khuẩn khác. Những vi khuẩn này kích thích hoạt động của gốc sunfua làm tăng quá trình ăn mòn. PH tăng do tạo ra acid có gốc sunfua.

 Ăn mòn điện hoá: chủ yếu chỉ xảy ra ở bề mặt bên ngoài đường ống. Tại khu anode Fe nhường e và tan vào trong môi trường điện ly. e này được chuyển đến khu vực cathod, tại đây nó kết hợp với một tác nhân nào đó ví dụ như oxi, cacbonnic, H2S, acid hữu cơ….

Biện pháp chống ăn mòn Chống ăn mòn bị động

Chống ăn mòn bị động là phương pháp tạo sự cách li giữa vật cần chống ăn mòn với môi trường có tính ăn mòn bằng các loại vật liệu bọc bên ngoài đường ống.

Đặc điểm của vật liệu chống ăn mòn:

 Bám dính tốt, có khả năng chống lại các tác động của môi trường.

 Có khả năng chống lại các tác động hoá học, vật lý, và tính chống lão hoá.

 Có khả năng chống lại các tác động cơ học để đảm bảo tính cách li của lớp bảo vệ.

 Làm việc được trong môi trường nhiệt độ thiết kế.

 Tính tương thích hoá học với các lớp bọc khác và bản thân vật cần chống ăn mòn.

Ưu điểm:

 Vật liệu bảo vệ rất đa dạng, hình thức bảo vệ đơn giản.

 Thích hợp cho việc bảo vệ các công trình nằm vùng khí quyển biển và trong phương pháp bảo vệ kết hợp.

Nhược điểm:

 Theo phương pháp này, thì không hoàn toàn bảo đảm khả năng che phủ kín hoàn toàn vật cần bảo vệ do có sự va chạm trong quá trình thi công, vì vậy độ tin cậy không cao.

 Một số loại vật liệu sơn bọc chống ăn mòn đã và đang được áp dụng đối với nhiều công trình trên thế giới và Việt Nam đó là:

 Glass flake epoxy

 Fussion Bouded epoxy(FBE)

 Coal tar epoxy

 Intumescent epoxy

 Asphalt Enamel

 Fussion bouded epoxy kết hợp Adhesive + Polyethylene (hoặc Polypropylene)

 Cao su PolyChloprene

 Cao su chuyên dụng Neoprene...

Chống ăn mòn chủ động.

Hiện tượng ăn mòn bản chất là phản ứng điện hóa của kim loại hoặc hợp kim cùng với môi trường xung quanh mà kết quả là làm mất một phần kim loại hay hợp kim đó. Một phần trong kim loại có xu hướng trở thành dương cực (anodic) và phần khác trở thành cực âm (cathodic). Tại dương cực, kim loại bị hòa tan và hiện tượng ăn mòn xảy ra.

Chống ăn mòn chủ động là phương pháp bảo vệ điện hoá: dựa trên cơ chế ăn mòn kim loại trong môi trường nước biển mà tạo ra những đối tượng trung gian chịu tác động cơ chế ăn mòn thay cho vật cần bảo vệ dựa vào những đặc tính vật cần bảo vệ. Phương pháp này chia ra hai cách chính là dùng anode hy sinh và phương pháp dòng điện áp ngoài.

Bảng 3-39: Phương pháp chống ăn mòn chủ động

Phương

pháp Anode hy sinh Dòng điện áp nguồn

Nội dung

- Phương pháp này sử dụng anode kim loại hoặc hợp kim có điện thế thấp hơn điện thế kim loại cần bảo vệ trong môi trường ăn mòn. - Anode thường làm bằng Nhôm hoặc Kẽm

- Kiểu anode: hình trụ, hình thang hay hình bán khuyên

- Thiết kế nguồn điện một chiều triệt tiêu dòng điện ăn mòn. Cực âm đưa vào đường ống, cức dương nối với anode ngoài.

- Vật liệu làm anode thường là Platin-Titanium-niobium cho môi trường nước biển hoặc graphit- silicon-sắt cho môi trường có đất và nước

Ưu điểm

- Cho kết quả chống ăn mòn như mong muốn

- Lắp đặt đơn giản

- Nguyên vật liệu đơn giản

- Chủ động trong công tác chống ăn mòn

- Độ an toàn cao

Nhược điểm

- Bề mặt anode dễ bị che do sinh vật trong biển ký sinh → giảm khả năng chống ăn mòn

- Phải khảo sát định kỳ để đánh giá khả năng còn, chống ăn mòn của anode

- Yêu cầu theo dõi, vận hành chuyên nghiệp

- Phụ thuộc vào vị trí vật bảo vệ so với nguồn điện, khó khăn cho việc bảo vệ những công trình chạy dài, xa khu vực cung cấp nguồn điện ổn định

- Khó kiểm soát hệ thống.

Phương pháp bảo vệ kết hợp.

Ưu điểm:

 Phân bố dòng điện bảo vệ tốt hơn.

 Kinh tế hơn các phương pháp riêng lẻ.

 Tránh được những hạn chế của các phương pháp trên khi dùng riêng lẻ.

 Giảm tốc độ hoà tan anode.

Kết luận

Trên cơ sở các nhận xét đánh giá trên đây, giải pháp chống ăn mòn cho tuyến ống thiết kế (TB-HR) được kiến nghị áp dụng như sau:

Chống ăn mòn trong ống

Chất chống ăn mòn được bổ sung vào khí để giảm tác đọng của các chất gây ăn mòn đường ống có trong thành phần khí nhằm bảo vệ bên trong đường ống

Thiết bị bổ sung chất chống ăn mòn được thiết kế tại mỏ Hàm Rồng để bảo vệ cho cả tuyến từ Hàm Rồng – Thái Bình

Chống ăn mòn ngoài ống

a) Chống ăn mòn bị động

Sử dụng vật liệu bọc 3LPE với chiều dày 4mm có mật độ vật liệu bọc ống 940 kg/m3.

 Các mối nối hiện trường

Khi lắp đặt tuyến ống trên tàu rải ống ngoài biển, do yêu cầu thời hạn thi công hàn nối các đoạn ống và chống ăn mòn ngắn nên sử dụng vật liệu bọc ống chuyên dụng HDPUF có mật độ bọc 160 kg/m3

b) Chống ăn mòn chủ động

Thiết kế lắp đặt hệ thống các anode hy sinh dọc theo tuyến ống để chống ăn mòn điện hóa.

Hình 3-20: Sơ đồ thiết kế chống ăn mòn tuyến ống

Lý thuyết tính toán thiết kế Anode hy sinh

Cơ sở cho việc tính toán chống ăn mòn bằng anode theo quy phạm DnV RP B401, (Recommended Practice RP B401 Cathodic Protection Design – 2005).

Tính toán số lượng Anode

 Số lượng anode yêu cầu:

cm f a a

I .t .8760

N

.u.m

(3-42) Trong đó:

 Icm: Cường độ dòng điện yêu cầu trung bình;

 ε: Dung điện hóa tối thiểu

 u: hệ số sử dụng Anode

 ma: Khối lượng 1 anode

 Cường độ dòng điện yêu cầu Ic:

c c c c

I A .i .f

(A) (3-43)

 Ac: Diện tích bề mặt tuyến ống cần bảo vệ

c

A  .D.L(m2) (3-44)

D: Đường kính ngoài của ống thép L: Chiều dài tuyến ống.

 ic: Mật độ dòng điện bảo vệ ( A/m2).

Mật độ của dòng điện bảo vệ - mật độ dòng điện thiết kế ban đầu phụ thuộc vào sự thay đổi độ sâu đáy biển và nhiệt độ vùng cần bảo vệ, được lấy theo bảng sau:

Bảng 3-40: Mật độ dòng điện thiết kế ban đầu và cuối cho thép trần A/m2 [4]

Độ sâu d(m) Nhiệt đới (>20o) Cận nhiệt đới (120- 200C) Ôn đới (70-110C) Vùng lạnh (< 70)

Đầu Cuối Đầu Cuối Đầu Cuối Đầu Cuối

0-30 0.15 0.1 0.17 0.11 0.2 0.13 0.25 0.17

>30-100 0.12 0.08 0.14 0.06 0.17 0.11 0.2 0.13

>100-300 0.14 0.09 0.16 0.11 0.19 0.14 0.22 0.17

>300 0.18 0.13 0.2 0.15 0.22 0.17 0.22 0.17

Bảng 3-41: Mật độ dòng điện thiết kế trung bình cho thép trần A/m2 [4]

Độ sâu d(m) Nhiệt đới

(>20o) Cận nhiệt đới (120- 200C) Ôn đới (70-120C) Vùng lạnh (< 70) 0-30 0.07 0.08 0.1 0.12 >30-100 0.06 0.07 0.08 0.1 >100-300 0.07 0.08 0.09 0.11 >300 0.09 0.1 0.11 0.11

Theo như điều kiện công trình ống nằm trong hào mở, nhiệt độ đáy biển lớn hơn 20 nên ic=0,06 A/m2.

 fc là hệ số phá hủy vật liệu bọc,phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu bọc được lấy theo [4]:

Giai đoạn đầu: fci = a

Giai đoạn cuối: fcf = a+b.tf

Bảng 3-42: Hệ số a, b [4]

Độ sâu nước (m)

Giá trị tham khảo a và b cho lớp sơn phủ I, II, III I a = 0.10 II a= 0.05 III a= 0.02 0  30 b = 0.10 b = 0.025 b = 0.012 >30 b = 0.05 b = 0.015 b = 0.008

Vật liệu chống ăn mòn sử dụng 3LPE có 3 lớp bọc do vậy lấy thông số a , b theo loại III ,độ sâu nước 31,7m > 30m → Hằng số a=0.02, b=0.008.

Bảng 3-43: Dung lượng điện hóa tối thiểu và điện thế nhỏ nhất bảo vệ thép trần [4]

Loại Anode Điều kiện môi trường

Dung lượng điện hoá tối thiểu ε

(Ah/kg)

Điện thế nhỏ nhất bảo vệ thép trần

E0a (V)

Nhôm(Al) Nước biển 2000 -1,05

Trầm tích 1500 -0,95

Bảng 3-44: Hệ số sử dụng Anode u [4]

Loại anode Hệ số sử dụng anode (u)

Kiểu hình trụ dài,L  4r 0.90

Kiểu hình trụ ngắn, L <4r 0.85

Kiểu hình thang dài ,L  B và L  ta 0.85

Kiểu hình thang ngắn,hình bán khuyên và các loại khác. 0.80

 Tổng khối lượng anode cần sử dụng:

a a a

M N .m (3-45)

Kiểm tra hệ thống Anode thiết kế

Hệ thống anode tính toán cần thỏa mãn các yêu cầu sau [4]: Ia tot i = N.Iai  Ici Ia tot f = N.Iaf  Icf

(3-46) (3-47) Trong đó :

 Ia tot i , Ia tot f : Tổng cường độ dòng điện ra của hệ thống anode giai đoạn đầu và giai đoạn cuối, (A).

0 0 c a a a a E E U I R R    (A) (3-48)

 U là hiệu điện thế giữa điện thế làm việc tối thiểu của anode (V).

 Ec0 điện thế nhỏ nhất để bảo vệ thép trần, Ec0 = - 0.8 V

 Ea0 thế điện cực thiết kế tại đầu Anode theo điện cực so sánh Ag/AgCl/nước biển. Lấy theo bảng 10.2 [4]

 Rai: Điện trở bề mặt của Anode giai đoạn đầu

 Raf: Điện trở bề mặt của Anode khi kết thúc tuổi thọ công trình

Tuỳ từng loại anode được chọn mà công thức xác định điện trở là khác nhau và được xác định theo bảng sau 10.7 trang 24 [4]:

Bảng 3-45: Xác định điện trở Ra [4]

LOẠI ANODE CÔNG THỨC XÁC ĐỊNH ĐIỆN TRỞ Ra

Kiểu hình trụ dài L  4r a 4.L R ln 1 2. .L r        Kiểu hình trụ ngắn L <4r 2 2 a 2.L r r r R ln 1 1 1 2. .L r 2.L 2L 2.L                     Kiểu hình thang dài L  Ba và L  ta a R 2 S    Kiểu hình thang ngắn,hình bán khuyên và các hình khác. a a 0.315. R A  

Anode sử dụng hình bán khuyên do vậy Ra tính theo công thức sau:

a a 0.315. R A   (3-49) Trong đó:

 Aa: Diện tích bề mặt của anode

Tính toán thiết kế Anode hy sinh và kiểm tra

 Thống số đầu vào

 Chiều dài tuyến ống L = 55200m.

 Đường kính ngoài D = 0,4064m.

 Vật liệu thép API 5L-X52.

 Tuổi thọ thiết kế công trình 30 năm.

 Loại vật liệu bọc 3LPE

 Mật độ vật liệu bọc ρ = 940kg/m3.

 Chiều dày lớp bọc 4,0 mm.

 Nhiệt độ nước biển : Cao nhất 28,90C, thấp nhất 21,90C.

 Điện trở riêng ρ = 0,2Ω.m

 Độ dẫn nhiệt 0,560 Ω/m.

 Các thông số bảo vệ:

 Điện thế bảo vệ tối thiểu để bảo vệ thép trần khỏi bị ăn mòn Ec0 là - 0,8 V theo điện cực Ag/AgCl/nước biển.

 Mật độ dòng điện để bảo vệ thép trần khỏi ăn mòn là 0.06 A/m2.

 Các thông số sử dụng trong tính toán :

 Điện thế của thép cacbon trong nước biển là (-) 650mV theo điện cực so sánh Ag/AgCl/nước biển.

 Hệ số phá hủy vật liệu bọc lấy theo bảng 10.4 [4].

 Hệ số sử dụng anode hy sinh được tiếp nhận là 80%.

 Số lượng, phân bố và lắp đặt anode :

 Số anode cần bảo vệ phần ngập nước phụ thuộc vào dung lượng điện hoá của anode, thời gian vận hành của công trình và hệ số phá huỷ sơn.

 Phân bố các anode tuân theo các bản vẽ thiết kế.

 Lắp đặt anode tuân theo các quy trình kỹ thuật ANSI/AWA D1.1 - 94.

 Lựa chọn anode bảo về cho tuyến ống dẫn khí tự nhiên từ mỏ Hàm Rồng về Thái Bình:

Lựa chọn loại Anode theo sản phẩm của hãng Aberdeen Foundries theo bảng hình dưới đây:

Bảng 3-46: Sản phẩm Anode Aluminum dạng Bracelet

Căn cứ vào kích thước đường ống ta chọn (Anode AFA B350) với các thông số cụ thể sau:

 Chiều dài anode 280 mm

 Đường kính trong 435 mm

 Đường kính ngoài 515 mm

 Khối lượng một anode: 47,5 kg

 Kết quả tính toán Bảng 3-47: Thống số tính toán ici icm icf a b  u Ea0 Ec0

A/m2 A/m2 A/m2 h/kg V V

0,12 0,06 0,08 0,02 0,008 2000 0,8 -1,05 -0,8 Bảng 3-48: Kết quả tính số Anode A fc ic Iyc Na Ma L m2 A/m2 A chiếc kg m Đầu 70476,23 0,02 0,12 169,14 Trung bình 70476,23 0,14 0,06 592,00 2047 97236 27,0

Một phần của tài liệu THIẾT KẾ KỸ THUẬT TUYẾN ĐƯỜNG ỐNG DẪN KHÍ TỪ GIÀN HÀM RỒNG TỚI GIÀN THÁI BÌNH (Trang 84 -84 )

×