Đề tài Ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại trong bồn bể chứa dầu khí

Chương I. Ăn mòn trong công nghiệp dầu khí 1.1 Khái niệm ăn mòn. Định nghĩa:Ăn mòn kim loại là sự phá huỷ kim loại do tương tác hoá học và điện hoá của chúng với môi trường xung quanh. - Ăn mòn hóa học: Ăn mòn kim loại xảy ra trong môi trường không có chất điện ly gọi là ăn mòn hoá học. - Ăn mòn điện hóa: Ăn mòn kim loại loại xảy ra trong môi trường chất điện ly, trong đó kim loại bị ion hoá thành Men+gọi là ăn mòn điện hoá. Quá trình ăn mòn điện hoá xẩy ra là Oxy hoá- Khử, để chuyển kim loại thành dạng ion hoặc muối khác trong môi trường. 1.2. Nguyên nhân ăn mòn kim loại. - Do bản chất kim loại - Do môi trường xung quanh thiết bị kim loại - Do thiết kế công nghệ thiết bị máy móc - Do chế độ công nghệ và các yếu tố khác… 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn kim loại. - Ảnh hưởng của bản chất vật liệu chế tạo thiết bị công trình - Ảnh hưởng của thiết kế công trình - Ảnh hưởng của môi trường hoá chất đến sự phá huỷ vật liệu công trình kim loại - Các yếu tố ảnh hưởng khác 1.4. Ăn mòn kim loại trong công nghiệp dầu khí. Những nơi thường bị ăn mòn nhiều nhất. - Các công trình cầu cảng, dàn khoan, thiết bị khoan, kho nổi, đường ống công nghệ, các thiết bị công nghệ khác bị ăn mòn rất mạnh do tiếp xúc với môi trường ăn mòn. - Nhà máy chế biến sản phẩm dầu, khí, lọc hóa dầu. Đạm, điện - Ăn mòn thiết bị công nghệ ở nhiệt độ cao - các phương tiện vận chuyển, lưu trữ xăng dầu, bồn chứa xăng dầu và các thiết bị phụ trợ - Ăn mòn công trình bê tông cốt thép. Chương II. Cơ chế ăn mòn 2.1 Ăn mòn hóa học. - Ăn mòn hoá học: ăn mòn hóa học là quá trình ăn mòn chỉ xảy ra trong môi trường không có chất điện ly (môi trường khí khô, xăng dầu, mỡ, không có chất điện ly). - Xảy ra do tác dụng trực tiếp của các chất có trong môi trường với kim loại. Ví dụ: hầu hết các kim loại đều tác dụng với ôxy trong không khí để tạo oxit, các kim loại hoạt động có thể tác dụng với nước. Đặc biệt là ngày nay, không khí bị ô nhiễm ở nhiều vùng chứa nhiều chất khác nhau như clo, huydrosunfua, lưu huỳnh ddiooxit, hydroclorua, axit nitric, là những tác nhân gây ăn mòn mạnh, ăn mòn hóa học xảy ra ở quy mô lớn, nghiêm trọng hơn. - Một đặc điểm của ăn mòn hóa học là các chất được hình thành trong phản ứng giữa kim loại với các chất trong môi trường và bảo vệ cho kim loại khỏi bị ăn mòn tiếp. Ví dụ điển hình là nhôm, nhôm là kim loại rất hoạt động, dễ dàng tác dụng với oxi trong không khí tạo thành nhôm oxit. Lớp nhôm oxit này rất mỏng nhưng vô cùng bền vững bao phủ khắp bề mặt nhôm, bảo vệ nó bởi tác nhân hóa học khác. - Để bảo vệ ăn mòn chống sự ăn mòn hóa học chỉ cần cách ly kim loại với môi trường. Việc này có thể thực hiện bằng cách bôi trơn mỡ, sơn, tráng men, mạ bằng kim loại kém hoạt động. vv. 2.2 Ăn mòn điện hóa. - Ăn mòn điện hoá: ăn mòn điện hóa xảy ra trong môi trường có chứa chất điện ly, khi các kim loại trong cùng môi trường có điện thế khác nhau. Dạng ăn mòn này gặp nhiều trong hầu hết các công trình thiết bị kim loại ở khai thác, vận chuyển và lưu trữ sản phẩm dầu khí. - Việc bảo vệ kim loại chống lại sự ăn mòn khó khăn hơn vì sự ăn mòn có bản chất điện hóa. Đế thấy rõ bản chất của sự ăn mòn điện hóa chúng ta xét am sắt và các hợp chất của sắt ăn mòn phổ biến và quan trọng nhất. - Trong một lớp không khí ẩm, trên bề mặt của các vật thể kim loại có một lớp nước mỏng, rất mỏng. Lớp chất này hòa tan các chất có trong không khí như CO2 , SO2, HCl,v.v.. và trở thành dung dịch chất điện ly. Mặt khác nếu bề mặt sắt không đồng nhất, chẳng hạn như chứa tinh thể các tạp chất là nguyên tố ít hoạt động hóa học như Cu, Sn, Graphit,..thì giữa tinh thể tạp chất, khối sắt và dung dịch chất điện ly sẽ tạo thành các pin gavani mà hoạt động của chúng sẽ dẫn đến sự oxi hóa dần khối sắt. Mỗi tinh thể hay tạp chất tạo thành vi pin ở những chỗ nối giữa kim loại, ở những chỗ nối giữa kim loại với kim loại với vật chất khác, nguy cơ giữa các vùng có cấu trúc khác nhau của một kim loại có thể hình thành những pin với cơ chế hoạt động tương tự. - Để chống lại sự ăn mòn điện hóa người ta có thể sử dụng phương pháp cách ly, nhưng hiệu quả hơn cả là bảo vệ bằng điện hóa. Phương pháp này gọi là bảo vệ bằng catot. Nội dung của nó là nối kim loại cần bảo vệ với cực âm của nguồn. - Điện hay kim loại hoạt động hơn. Chẳng hạn để bảo vệ các tháp cầu, bồn chứa, ống dẫn dầu, ống dẫn khí,... bằng thép, người ta nối chúng với các khối Zn, Mg,...khi đó sẽ tạo ra pin gavani khổng lồ, trong đó kim loại được bảo vệ đóng vai trò catot còn các khối kim loại Zn, Mg,... kia đóng vai trò anôt, chúng sẽ bị oxi hóa thay cho kim loại cần bảo vệ. Chương III: Bảo vệ điện hóa công trình kim loại trong công nghiệp dầu khí Nguyên tắc bảo vệ điện hóa là phân cực công trình kim loại đến một vùng giá trị điện thế, mà tại đó công trình kim loại không bị ăn mòn. Có 2 phương pháp: Phương pháp bảo vệ anốt: hay được dùng để bảo vệ thiết bị có diện tích giới hạn và kim loai cần bảo vệ thụ động trong môi trường. Phương pháp bảo vệ catốt: được dùng nhiều cho công trình ngầm Thực hiện dịch chuyển điện thế công trình cần bảo vệ đến giá trị dương vào vùng điện thế thụ động, khi đó tốc độ ăn mòn công trình kim loại giảm xuống. Nó được thực hiện bằng cách nối công trình cần bảo vệ với kim loại có điện thế dương hơn, hoặc cực dương của nguồn điện một chiều. Phương pháp bảo vệ anôt có yêu cầu kỹ thuật cao, nếu có sơ suất nhỏ, thiếu chuẩn xác thì công trình bị phá huỷ nhanh gấp rất nhiều lần.Phương pháp bảo vệ anốt phải kiểm soát chặt chẽ, thường xuyên với yêu cầu kỹ thuật cao. 3.1. bảo vệ anot. Phương pháp bảo vệ anốt được dùng để bảo vệ cho các thiết bị trong sản xuất hoá chất, phân bón có diện tích không lớn.Chỉ dùng để bảo vệ vật liệu kim loại có khả năng thụ động trong môi trường chất điện ly.Nguồn cung cấp phân cực anốt phải ổn định liên tục, phải có hệ thống điều khiển tự động để kiểm soát quá trình bảo vệ. Nguyên lý bảo vệ anốt: Phân cực công trình kim loại về điện thế dương ở vào vùng thụ động, khi đó tốc độ ăn mòn nhỏ nhất. Bảo vệ anốt có thể thực hiện bằng 2 cách: Nối thiết bị với vật liệu kim loại có điện thế dương hơn điện thế của thiết bị; hoặc là nối thiết bị cần bảo vệ với cực dương của nguồn điện một chiều bên ngoài. Ứng dụng bảo vệ anốt trong các trường hợp: Bảo vệ anốt được đưa ra để bảo vệ cho gang, thép, thép không rỉ trong một số môi trường sau: Thiết bị truyền nhiệt thép không rỉ xử lý cô đặc axit H2SO4 Bảo vệ thiết bị bằng gang, thép hợp kim gia nhiệt axit H2SO4 Thép không gỉ độ bền cao trong môi trường axit acetic Thép các bon cho các thiết bị sản xuất phân bón có chứa phôtphát Thép bền cao, thép không gỉ các thiết bị xưởng sản xuất H3PO4 và các bể chứa. Hệ thống bảo vệ anốt gồm: Điện cực catốt: Thép không rỉ , thép Ferosilic, Pb, molipden 99%… Điện cực so sánh: để xác định điện thế bảo vệ của hệ thống Nguồn điện một chiều: là thiết bị chuyên dụng có yêu cầu kỹ thuật riêng cho bảo vệ catốt,thiết bị đo lường, điều khiển thông số bảo vệ hệ thống dây dẫn tiếp điện. Bộ phận phụ kiện khác: Bích cách điện, vòng đệm….. 3.2. Bảo vệ catốt công trình ngầm. Nguyên tắc bảo vệ catốt là phân cực công trình kim loại cần bảo vệ đến một giá trị điện thế âm- tại đó công trình kim loại không bị ăn mòn. Nó có thể thực hiện bằng cách nối công trình kim loại cần bảo vệ với cực âm của nguồn điện một chiều ( trạm ca tốt-dòng điện cưỡng bức) hoặc là nối công trình kim loại cần bảo vệ với một kim loại có điện thế âm hơn điện thế của công trình (protector). Gồm 2 phương pháp: a. Phương pháp bảo vệ catốt bằng thiết bị protectơ (Sacrificial anode) Phương pháp bảo vệ bằng Protectơ là nối công trình cần bảo vệ với một kim loại có điện thế âm hơn điện thế công trình, kim loại đó gọi là Protectơ- anôt hy sinh.Trong qúa trình làm việc thì protectơ bị ăn mòn và công trình kim loại được bảo vệ, phương pháp bảo vệ catốt bằng thiết bị protectơ (Sacrificial anode).Trong qúa trình làm việc thì protectơ bị ăn mòn và công trình kim loại được bảo vệ. Cơ chế : Protectơ bị ăn mòn hoà tan thành dạng ion theo phản ứng tổng quát Me - ne à Men+ Al – 3e à Al3+ Zn – 2e à Zn2+ Mg – 2e à Mg2+ Các ion dương của anôt tan ra chuyển vào môi trường ăn mòn ở các dạng hợp chất khác nhau, tuỳ vào môi trường Trong môi trường chất điện ly, thép bị ăn mòn theo cơ chế: Fe – ne ---> Fen+ ----> hợp chất khác nhau (oxit, hydroxyt, muối) tuỳ theo môi trường. Phản ứng sinh ra điện tử e sẽ tạo dòng điện ganvanic. Khi nối Protectơ với công trình thép trong môi trường chất điện ly thì sẽ sinh ra dòng điện ngược với dòng điện ganvanic, ngăn cản quá trình ăn mòn thép. b. Phương pháp bảo vệ bằng trạm catốt (Impressed Current Systems) Phương pháp bảo vệ bằng trạm catôt là nối công trình cần bảo vệ với cực âm (-) của máy catốt. Điện cực anốt nối với cực dương (+) của máy catốt.Khi máy catốt phân cực công trình đến một giá trị điện thế nhất định thì công trình kim loại được bảo vệ.Điện thế bảo vệ công trình thép trong đất, nước biển là âm 0,85 V ( Cu/ CuSO4) .Điện thế bảo vệ công trình phụ thuôc vào vật liệu, môi trường bảo vệ. Bảo vệ ca tốt bằng dòng điện ngoài: Khi bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài thì trên bề mặt công trình thép ( cực âm -) xảy ra phản ứng: 2H+ + 2e ----> H2 (1) hoặc là Men+ + ne ----> Me kết tủa sản phẩm catốt (2) Trên điện cực anốt ( cực dương +) xẩy ra phản ứng : Me – ne ---> Men+ ---> Tạo thành sản phẩm anôt (3) hoặc là : 4OH- 4e ---> O2 + 2H2O (4) Phản ứng trên các điện cực chỉ xẩy ra ở một điện thế thích hợp: Nếu điện cực anốt trơ thì phản ứng (3) không xẩy ra mà chỉ có phản ứng trao đổi điện tử (phản ứng 4) trên điện cực. Hệ thống trạm catốt bao gồm: - Trạm catôt - Hệ thống cáp dẫn - Hệ thống điện cực anôt - Chất bọc điện cực anôt - Điện cực so sánh - Các phụ kiện cho điện cực anôt - Hộp kiểm tra, hộp nối - Tiếp địa, bích cách điện, các phụ kiện khác …. - Trạm catôt ( Rectifier) 3.3. Một số loại vật liệu, thiết bị dùng trong kỹ thuật bảo vệ điện hoá công trình dầu khí. Vật liệu chế tạo Protectơ : yêu cầu kỹ thuật của protectơ : Thành phần: Nền Mg, các nguyên tố hợp kim hoá: Al, - Có điện thế đủ âm và ổn định trong suốt quá trình làm việc - Có khả năng sinh ra dòng điện đủ lớn và ổn định - Ít bị phân cực và không thụ động, hòa tan đều sau thời gian làm việc - Dung lượng và hiệu suất sản dòng lớn - Không gây phản ứng phụ độc hại, nguy hiểm cho môi sinh. - Giá thành rẻ và sử dụng đơn giản. - Các kim loại và hợp kim có điện thế âm hơn kim loại cần bảo vệ trong cùng môi trường đều có khả năng làm vật liệu protectơ. Tùy theo vật liệu công trình cần bảo vệ mà có thể lựa chọn được các loại protectơ thích hợp. 3.3.1. Protectơ Mg: Thành phần: Nền Mg, các nguyên tố hợp kim hoá: Al, Zn, Mn, …Điện thế khoảng âm 1450 đến âm 1600mV,dung lượng khoảng 1350 – 1400 ah/kg, hiệu suất dòng khoảng 45-50%; vật liệu này được nghiên cứu sử dụng làm protectơ từ rất lâu. Tỷ trọng khoảng 2,1g/cm3, Nó có một số tính chất đặc biệt tốt mà ở các vật liệu khác không có được: Dòng điện lớn, không thụ động. Điện thế tiêu chuẩn của nó khá âm, khả năng hoạt động tốt trong các môi trường. Độ tiêu hao rất lớn, giá thành cao, hiệu quả kinh tế thấp. 3.3.2. Protectơ kẽm Kẽm và hợp kim kẽm làm protectơ trong những trường hợp đặc biệt.Thành phần: Nền Zn, các nguyên tố hợp kim hóa là Al, Mg, Mn,Cd…Protectơ kẽm có điện thế khoảng âm 920 đến âm 1030 mV,hiệu suất sản dòng khoảng 90-98%, dung lượng khoảng 800-950 A.h/kg. Có tính chất điện hoá không cao như các loại protectơ Nhôm, Mg; nên nó chỉ được dùng bảo vệ những nơi dễ cháy nổ. 3.3.3. Protectơ nhôm Thành phần: nền nhôm, các nguyên tố hợp kim hoá là Zn, Mg, Mn, In, Sn, S…Điện thế khoảng âm 1050 đến âm 1150 mV, dung lượng khoảng 2500-2800 ah/kg, hiệu suất sản dòng khoảng 80-85%. Đặc tính của protectơ tuỳ thuộc theo thành phần và môi trường làm việc. 3.4. Trạm catôt. Điện cực anôt dùng cho trạm catốt: Khi bảo vệ bằng dòng điện ngoài thì điện cực anốt thường được sử dụng là: Graphit, hợp kim chì, thép, Ferosilic, Ti, Pt, Rutindihỗn hợp oxit kim loại và một số vật liệu compozit có độ bền cao.Các loại vật liệu Titan, Ta hay Nb có độ bền cơ cao, bền hoá cao, độ tiêu hao nhỏ, mật độ dòng cho phép lớn hơn so với các vật liệu khác nhưng giá thành đắt, vật liệu hiếm nên chỉ được sử dụng trong những trường hợp đặc biệt, khi mà các vật liệu khác không đáp ứng được. Bởi vậy sử dụng các loại điện cực vật liệu Ti, Pt, Ru còn nhiều hạn chế.Các hợp kim của chì được sử dụng từ lâu, nhưng chì là nguyên tố độc hại, dễ tạo màng sản phẩm thụ động, bám chắc, làm tăng điện trở. Bởi vậy hợp kim chì tuy có độ bền cao nhưng không còn được sử dụng rộng rãi như các vật liệu khác.Graphit không bền, độ tiêu hao lớn điện cực anôt dùng bảo vệ bằng dòng ngoài.Điện cực Ferosilic hoặc điện cực compozit oxit kim loại có độ bền cao. Điện cực Ferosilic được dùng nhiều, nó độ bền cao, giá thành rẻ, không độc hại điện cực, Ti, Pt, compozit oxit có độ bền cao, giá thành đắt .Kích thước khối lượng, hình dạng của điện cực anốt phụ thuộc vào yêu cầu thiết kế. Yêu cầu của điện cực anôt trơ: - Độ bền hoá, bền cơ cao - Độ dẫn điện tốt, - Điện cực phải có khả năng tản nhiệt tốt, - Cấu trúc hạt đồng đều, không thụ động và có khả năng hạn chế các phản ứng phụ xảy ra.Không gây độc hại cho môi trường, giá thành thấp. -Điện cực anốt dùng cho trạm catốt Thường dùng điện cực Ferosilic hoặc điện cực compozit oxit kim loại có độ bền cao. Kích thước khối lượng, hình dạng của điện cực anốt phụ thuộc vào yêu cầu thiết kế. Chất bọc điện cực anốt trơ dùng cho hệ thống bảo vệ bằng trạm catốt: Khi bảo vệ catốt bằng trạm catốt các công trình sâu trong lòng đất thì cần phải có chất bọc điện cực anốt. Chất bọc điện cực phải có khả năng tản nhiệt tốt, dẫn điện tốt, có độ xốp để dễ thoát khí, chống thụ động bề mặt điện cực và có khả năng hạn chế các phản ứng phụ xẩy ra, không gây độc hại cho môi trường.Thành phần của chất bọc anốt trơ chủ yếu là than cốc, graphit. Hàm lượng Sunfua và các hoá chất trong bột cốc không vượt quá 6 %. Cỡ hạt của chất bọc là thông số cần thiết; nếu cỡ hạt lớn quá thì tính dẫn của vật liệu bọc kém. Nếu cỡ hạt quá nhỏ mịn thì độ lèn chặt xếp khít cao, giảm độ xốp, khi phân cực thì sự thoát khí ở vùng lân cận điện cực kém, giảm khả năng hoạt động của hệ thống. Ngoài ra khi đặt điện cực trong giếng anôt thì còn có một số các phụ kiện để điện cực anốt hoạt động tốt trong môi trường chất bọc. Các phụ kiện đi kèm điện cực anốt gồm: Yêu cầu của chất bọc điện cực anốt trơ: - Có độ hạt đồng đều, đạt độ xốp để dễ thoát khí - Có khả năng dẫn điện, tản nhiệt tốt - Không gây thụ động cho điện cực - Không có phản ứng phụ, gây độc hại cho môi sinh Thành phần của chất bọc anốt trơ: - Thành phần chủ yếu là than cốc, graphit, phụ gia. - Hàm lượng Sunfua và các hoá chất trong bột cốc không vượt quá 6 %. - Cỡ hạt của chất bọc: nếu cỡ hạt lớn quá thì tính dẫn của vật liệu bọc kém. Nếu cỡ hạt quá nhỏ mịn thì độ lèn chặt xếp khít cao, giảm độ xốp, giảm khả năng hoạt động của hệ thống. 3.5. Trạm catốt, hệ thống cáp dẫn và phụ kiện. Trạm catốt là thiết bị chuyên dụng, thiết bị này chỉ để dùng cho bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài.Trạm catốt cung cấp nguồn điện một chiều cho hệ thống bảo vệ catôt. Trạm catốt được thiết kế lựa chọn tuỳ thuộc vào từng loại công trình. Trạm catốt có điện thế đầu vào là 220 V, 380V 3 pha xoay chiều.Điện thế đầu ra một chiều thay đổi từ 3 đến 48 V nhưng có thể cung cấp dòng ngoài từ khoảng 1-2 ampe đến hàng trăm ampe mà vẫn ổn định trong thời gian dài. Trạm catốt phải có hệ thống tản nhiệt tốt, tiếp địa an toàn và chịu được tải lượng lớn trong suốt thời gian dài.Trạm catốt có thể được chế tạo hoàn toàn tự động, bán tự động hoặc không tự động. Các tín hiệu bảo vệ hệ thống được thu thập và xử lý, điều khiển sao cho điện thế công trình cần bảo vệ ổn định, đạt ở điện thế cần thiết.Khảo sát điều kiện hoạt động của công trình kim loại cần bảo vệ.Để chống ăn mòn công trình thì khảo sát thiết kế là vấn đề quan trọng. Khảo sát công trình, đặc trưng của công trình, tác nhân gây ăn mòn độ lớn công trình, và diện tích cần chống ăn mòn, các công trình lân cận,yêu cầu chế độ công nghệ, môi trường làm việc, thời gian bảo vệ công trình.Từ đó phương án thiết kế và giải pháp thi công thích hợp có hiệu quả bảo vệ cao. Lựa chọn giải pháp thiêt kế khi diện tích công trình lớn, thời gian làm việc lâu dài thì nên chọn bảo vệ bằng trạm catôt sẽ có hiệu quả cao. Cầu cảng, dàn khoan, tuyến ống ngầm, tấm chắn đập nước, vỏ tàu thuỷ, ponton ... nên bảo vệ bằng trạm catốt. Bảo vệ bằng trạm catốt có đầu tư ban đầu thấp, ít bị mất điện cực nhưng phải kiểm tra theo dõi hoạt động thường xuyên. Trong môi trường có nhiều công trình ngầm thì việc bảo vệ bằng trạm catốt phải được khảo sát, lắp đặt rất cẩn trọng, nếu không sẽ gây ra ăn mòn do dòng điện rò các công trình lân cận, tốc độ phá huỷ rất nhanh.Trong trường hợp quá phức tạp thì dùng phương pháp bảo vệ bằng protectơ sẽ an toàn hơn. Với các công trình thiết bị nhỏ, điều kiện cung cấp điện không thuận lợi thì nên dùng protectơ.Bảo vệ bằng Protectơ có chi phí đầu tư ban đầu lớn nhưng trong quá trình làm việc an toàn, ít phải sửa chữa, bảo dưỡng hiệu chỉnh. Tuy nhiên trong quá trình hoạt động thì thiết bị protectơ hay bị mất cắp, nếu phải thay thế thì rất tốn kém.Có thể dùng kết hợp cả 2 phương pháp bảo vệ bằng protectơ và trạm catốt để bảo vệ, nhưng phải có cách ly điện công trình. Các thông số kỹ thuật bảo vệ điện hoá công trình công nghiệp: Thông số bảo vệ điện hoá phải đạt theo tiêu chuẩn quy định của công trình cần bảo vệ. Có thể theo các tiêu chuẩn quốc tế N.A.C.E, Foster While, ImpAlloy CPTech ....hoặc tiêu chuẩn Việt Nam. 1. Điện thế bảo vệ 2. Dòng điện, mật độ dòng điện bảo vệ Điện thế bảo vệ: Điện thế bảo vệ tối thiểu kim loại trong các môi trường khác nhau Vật liệu Môi trường điện thế bảo vệ(-V, Cu/CuSO4 ) Thép CT3 Nước biển 0,850 Thép CT3 Axit 0,950 Thép Cr (>16% Cr) Nước trung tính 0,100 Thép Cr Nước biển 0, 300 Thép Cr Nước nóng chứa Cl- 0,181 Cu Nước trung tính 0. 280 Thép C45 trong bêtông mặn 0.75-0,95, Dòng điện, mật độ dòng điện bảo vệ: Mật độ dòng điện là thông số được quan tâm khi thiết kế chống ăn mòn công trình (tính bằng A/m2, mA/cm2), nó là đại lượng thay đổi theo thời gian và phụ thuộc vào nhiều yếu tố.Tuỳ theo đặc điểm công trình mà lựa chọn mật độ dòng điện bảo vệ thích hợp cho tiêu chuẩn thiết kế công trình,một số thông số mật độ dòng bảo vệ. mật độ dòng bảo vệ của vật liệu kim loại trong các môi trường: Vật liệu Môi trường sử dụng Mật độ dòng bảovệ(A/m2) Thép Nước ngọt không sơn 0,04 ---> 0,070 Thép Nước ngọt, sơn tốt 0,0001 ---> 0,001 Thép Nước biển, tĩnh không sơn, chưa có cặn lắng 0,5 ---> 1,0 Thép Nước biển tĩnh, không sơn , có cặn lắng 0,05 ---> 0,10 Thép Nước biển động, không sơn, có hà ,cặn 0,03 ---> 0,3 Ống thép,,, Trong đất, bọc atphan, sau 10 năm 0,001 ---> 0,003 Quy chuẩn bảo vệ catốt đường ống ngầm Công trình đường ống phải được chống ăn mòn kim loại: Đường ống phải được bảo vệ kết hợp bằng phương pháp bọc sơn chống ăn mòn và các phương pháp bảo vệ điện hoá trạm catôt hoặc Protectơ.Các phương tiện bảo vệ điện hoá phải được đưa vào hoạt động chậm nhất là sau 1 tháng kể từ ngày đưa đường ống vào vận hành.Đường ống chính phải được bảo vệ điện hoá liên tục, những nơi đường ống rẽ vào kho hoặc bên xuất phải dùng bích cách điện.Điện thế công trình kim loại thép phải đạt từ giá trị từ âm 1,52v đến âm 0,85 V so với điện cực Cu/CuSO4. Trạm catốt phải có biển báo, và phải có nhật ký ghi lại hoạt động của hệ thống trạm.Trạm catốt phải có tiếp đất và bảo vệ chống sét, phải đặt ở nơi có điện trở nhỏ nhất.Điện cực anốt phải đặt ở nơi có điện trở nhỏ, có thể đặt ở ruộng anôt hoặc giếng anôt. Tuỳ theo điều kiện phải dùng chất bọc anôt.Phải thường xuyên kiểm tra hoạt động của hệ thống trạm catốt để có kế hoạch bảo dưỡng thay thế. Trạm catốt phải được bảo dưỡng, vận hành theo đúng hướng dẫn kỹ thuật vận hành sử dụng của nhà cung cấp hệ thống trạm.Đối với trạm catốt, mỗi tháng đo kiểm tra 2 lần, Protectơ 6 tháng 1 lần bằng thiết bị đo chuyên dụng.Khi sửa chữa đường ống thì phải ngắt điện của hệ thống bảo vệ điện hoá; khi sửa chữa xong phải nối lại và hiệu chỉnh cho hệ thống vận hành.Đơn vị quản lý đường ống phải xây dựng quy trình hướng dẫn cụ thể về công tác bảo vệ điện hoá cho công nhân, cán bộ phụ trách công tác này. 3.6. Thiết kế hệ thống trạm catot bảo vệ bằng công trình ngầm. Tính toán thiết kế dựa trên cơ sở sau: Nguồn điện cung cấp cho hệ thống Chiều dài bảo bệ của trạm Phân bố điện thế ống đất khi bảo vệ Công suất trạm catốt Số liệu về anốt nối đất Phải đảm bảo điện thế từ -0,85 v đến – 1,1V ( Cu/CuSO4), Không được để ảnh hưởng xấu đến công trình lân cận. Nếu không tránh được thì phải bảo vệ cho cả công trình lân cận Trong phạm vi trạm phân phối khí đốt, trạm nén khí, trạm bơm xăng dầu nên dùng protectơ làm thiết bị dẫn điện nối đất cho các thiết bị công nghệ. Cáp và thiết bị nối đất cần tính toán theo giá trị cực đại theo tiêu chuẩn thiết kế điện. Phải đảm bảo bọc cách ly tốt các mối nối, bố trí điện cực anốt sâu dưới đất , chỗ có điện trở nhỏ nhất. trong trường hợp công trình có phần nổi tiếp xúc với khí quyển thì phải thiết kế chống ăn mòn do khí quyển: Tất cả các đường ống đặt nổi phải được bọc, sơn phủ chống ăn mòn Phải chọn loại bọc, sơn thích hợp, tuân thủ theo hướng dẫn thiết kế công trình.Thông số thiết kế bảo vệ bằng thiết bị Protectơ. Xác định dữ liệu ban đầu: Xác định diện tích cần bảo vệ (m2) Dòng điện bảo vệ (A) Thời gian hoạt động bảo vệ công trình (h) khối lượng protectơ (kg),số lượng protectơ (kg), nhóm protectơ ,loại protectơ, hình dáng kích thước phụ kiện đi kèm protectơ. 3.7. Lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng hệ thống bảo vệ catôt trong công nghiệp dầu khí. - Protectơ - Trạm catôt - Điện cực so sánh - Bảo vệ đường ống thép bằng protectơ trong trường hợp: - Đường ống ngắn, dùng trạm catốt không kinh tế - Nơi không có nguồn điện - Các đoạn đường ống bảo vệ catốt nhưng không đạt thông số bảo vệ - Các đoạn đường ống cần tránh cháy nổ. Trước khi lắp đặt protectơ bảo vệ công trình, cần phải quan tâm đến một số vấn đề sau đây: - Kiểm tra chủng loại thiết bị protectơ được dùng cho công trình.Kiểm tra đặc tính điện hoá của Protectơ . - Kiểm tra thông số kỹ thuật thiết bị Protectơ: Khối lượng, hình dạng, kích thước, phụ kiện, dây nối, lõi nối của Protectơ. - Kiểm tra chất bọc Protectơ: kiểm tra túi bọc, vải bọc và phụ kiện định vị đi kèm. Lắp đặt protectơ bảo vệ công trình tiến hành như sau: - Tuân thủ tuyệt đối theo hướng dẫn thiết kế chế tạo. - Protectơ có thể được hàn nối hoặc bắt vít tiếp điện, tuỳ theo cấu tạo của Protectơ. Các mối hàn, ốc vít tiếp điện phải đảm bảo quy chuẩn hướng dẫn của nhà cung cấp thiết bị protectơ. - Với loại protec tơ bảo vệ công trình đường ống, bể chứa ngầm trong đất thì phải có chất bọc. - Trong trường hợp chất bọc được đựng trong túi bằng vật liệu nhựa cách điện chống nước thì phải tháo bỏ túi ni lông rồi mới chôn chất bọc xuống đất (tuân thủ đúng hướng dẫn của nhà chế tạo cung cấp). - Định vị Protec tơ, lấp đất, đánh dấu vị trí Protectơ bằng các băng nhựa màu đặc trưng rồi sau đó làm ẩm, kiểm tra hệ thống bảo vệ, nối và đo các thông số cần thiết - Kiểm tra thông số kỹ thuật của hệ thống bảo vệ bằng cách đo điện thế hở mạch, điện thế bảo vệ và dòng điện bảo vệ ở các hộp kiểm tra. - Đánh dấu vùng đặt Protectơ, phải đảm bảo chống mất Protectơ. - Ghi đầy đủ nhật ký vận hành Protectơ và theo dõi hoạt động của hệ thống bảo vệ điện hoá. Đối với các loai Protectơ bảo vệ dàn khoan, tàu biển, cầu cảng thì việc lắp đặt protectơ phải tuân thủ theo hướng dẫn sử dụng Protectơ. Thông thường protectơ dùng cho dàn khoan, cầu cảng thì có khối lượng rất lớn (khoảng từ 65 kg đến 300 kg) do vậy khi lắp đặt phải có thiết bị chuyên dụng. Việc lắp đặt kiểm tra có thể phải tiến hành dưới nước, trong lòng bồn tàu chở dâu, ngay khi công trình đang hoạt động, vì vậy phải tuyệt đối tuân thủ theo nội quy an toàn lao động của công trình. Đối với tàu biển thì khi sửa chữa định kỳ sẽ lắp protectơ bảo vệ vỏ tàu và trong lòng khoang tàu. Nguyên tắc thiết lập hệ thống bảo vệ bằng trạm catốt; - Hệ thống trạm catốt phức tạp hơn thiết bị Protectơ, vì vậy cần phải tuân thủ các quy định để lắp đặt, vận hành hệ thống trạm catốt để đảm bảo an toàn. - Kiểm tra thiết bị, vật tư tram catôt - Phải kiểm tra trạm để đảm bảo an toàn hoạt động của công trình. - Các thông số cần phải lưu ý là nguồn điện cấp đầu vào, đầu ra, đặc trưng kỹ thuật của máy catốt. - Cần phải kiểm tra đặc tính kỹ thuật của anôt và phụ kiện đi kèm theo hướng dẫn thiết kế. - Kiểm tra độ sâu, công trình lân cận, độ an toàn của giếng anốt (hoặc hố đặt anôt)… - Kiểm tra các phụ kiện đặt định vị điện cực anốt trong giếng anôt: Goăng định vị, vành và cọc định vị, cột chống, giá đỡ anốt; ống thông khí... - Đưa chất bọc vào giếng anôt phải tuân thủ đúng hướng dẫn kỹ thuật của nhà thiết kế, cung cấp thiết bị chống ăn mòn. Việc đặt định vị điện cực anốt là khâu rất quan trọng, vì vậy phải đảm bảo lắp đúng hướng dẫn kỹ thuật. Chùm anốt sẽ có thể được đặt trong giếng anôt ở độ sau đến 30-50 m với tuổi thọ 20-50 năm ( tuỳ theo thiết kế). Khi lắp đặt điện cực anôt tuyệt đối không để điện cực tiếp nối với các công trình lân cận. Lắp đặt trạm catốt: Sau khi đã đặt anốt đúng theo thiết kế thì nối điện cực anốt vào hệ thống trạm catốt. Trong quá trình thi công trạm catốt thì các đầu dây catôt, đầu dây anôt phải được đánh dấu khác biệt bằng các màu đặc trưng. kiểm tra các thông số ban đầu của thiết bị. Điện cực anốt lắp ở dưới đáy biển có thể đặt trên các bệ bêtông, hoặc gắn cách công trình ít nhất 1,5m. Trong trường hợp không thể thì phải có tấm chắn cách điện. Nguyên tắc nối trạm catốt như sau: - Công trình cần bảo vệ nối với cực âm của máy catốt. - Điện cực anôt nối với cực dương của máy catốt. - Tuyệt đối không được nối nhầm đầu cực. Nếu nối nhầm ngược lại thì công trình cần bảo vệ sẽ bị phá huỷ rất nhanh. Lắp đặt protect: - Phải lắp đặt đúng thiết kế: Hàn, lắp ốc vít hoặc định vị cơ học - Kiểm tra các thông số kỹ thuật của Protectơ - lắp dặt theo các phương pháp khác nhau vào kết cấu công trình: Hàn, gá, định vị cơ học nhưng phải đảm bảo tiếp điện chịu lực và không ảnh hưởng đến kết cấu công trình. Mối hàn phải tuân thủ quy định kỹ thuật hàn. - Khi lắp đặt protectơ dưới nước có thể bằng cách định vị cơ học (bắt vít) hoặc hàn dưới nước Lắp đặt điện cực so sánh trong hệ thống bảo vệ catốt: - Kiểm tra điện cực so sánh đúng yêu cầu và chủng loại, xác định thang đo của điện cực so sánh trong hệ thống bảo vệ. - Kiểm tra kỹ thuật điện cực so sánh: tiếp điện, tiếp đất, thông điện, không bị nứt rạn, rò chảy dung dịch điện ly. - Với các điện cực mới thì phải ngâm trong môi trường điện ly theo hướng dẫn kỹ thuật của nhà chế tạo (dung dịch ngâm, thời gian ngâm). - Đưa điện cực so sánh vào đúng vị trí, khoảng cách đo: không được đặt quá xa hoặc quá gần công trình cần đo - Khi đặt trong môi trường đất thì hố đặt điện cực phải đảm bảo giữ độ ẩm, độ dẫn, sạch và không có vật kim loại tiếp vào điện cực. - Điện cực phải được giữ chắc chắn, ổn định, không bị va đập cơ học Hệ thống cách điện: Để bảo vệ đạt tiêu chuẩn thì phải cách điện công trình cần bảo vệ với các công trình lân cận khác như kho bể, đường ống công nghệ, cầu cảng, đường ray... bằng các bích cách điện hay tấm cách điện.Cáp và thiết bị nối đất cần tính toán theo giá trị cực đại theo tiêu chuẩn thiết kế điện, đảm bảo cách điện và an toàn.Phải đảm bảo bọc cách ly tốt các mối nối sau khi hàn theo tiêu chuẩn thiết kế. 3.8. Bảo vệ đường ống bể chứa trong công nghiệp dầu khí. Về nguyên tắc khi bảo vệ đường ống bể chứa có thể phân chia ra 2 phía: bảo vệ bề mặt phía trong và bảo vệ bề mặt bên ngoài công trình.Bề mặt bên trong luôn tiếp xúc với sản phẩm dầu, khí, ... môi trường ăn mòn của hệ thống công nghệ. Đối với bồn bể chứa xăng dầu thì phần đáy luôn có một lớp nước, lớp này gây ăn mòn bên trong đáy bồn bể. Vì vậy phía trong đáy bồn bể thường được bảo vệ bằng lớp phủ kim loại, lớp phủ cách ly hoăc thiết bị protectơ. Protec tơ thường dùng là Protectơ kẽm, nhôm. Nó có thể được hàn trực tiếp hoặc bắt ốc vít định vị để tiếp điện tốt. a. Ống dẫn xăng dầu: Với đường ống dẫn xăng dầu thì phía dưới của đường ống có một lượng nước, nó chứa tác nhân gây ăn mòn bên trong đường ống và gây ra ăn mòn khá nhanh. Vì vậy giải pháp bảo vệ bên trong đường ống thường gặp một số khó khăn nhất định. Để bảo vệ bên trong đường ống thép thì có thể tráng phủ kẽm hoặc protectơ. Ngày nay phần lớn đường ống được xử lý tráng phủ để bảo vệ bên trong đường ống.Bề mặt bên ngoài tiếp xúc với môi trường nước, đất, bê tông có điện trở, độ ăn mòn khác nhau. Cho nên nó thường được bảo vệ catốt kết hợp với bọc phủ cách ly tăng cường. b. Ống dẫn khí: Bề mặt bên ngoài tiếp xúc với môi trường đất nước, bê tông…Bề mặt bên trong tiếp xúc với khí nguyên liệu, khí tự nhiên, khí đồng hành. Nó là hỗn hợp của các hydro cac bon (gồm có: Metan, etan, Propan, Butan..) .Trong thành phần của khí còn có: Heli, N2, CO2, H2S. Số lượng và hàm lượng thay đổi trong từng khoảng rộng. Ngoài ra trong đó chứa một lượng ẩm, hóa chất tác nhân gây ăn mòn là phần các hợp chất lưu huỳnh, CO2; muối nước biển, hóa chất là lựa chọn GP chống ăn mòn TB…. c. Đường ống công nghệ dẫn dầu thô: Hydro cac bon là thành phần chính của dầu. Hầu như tất cả các loại hydrocacbon (trừ Olefin) đều có mặt trong dầu mỏ.Sản phẩm dầu mỏ là hỗn hợp rất phức tạp, có nhiều loại khác nhau, ăn mòn và bảo vệ trong sản phẩm dầu mỏ phức tạp à lựa chọn GP chống ăn mòn.Vận hành bảo dưỡng hệ thống điện hoá bảo vệ catốt công trình công nghiệp khi thiết lập lắp đặt xong hệ thống thì vận hành hệ thống bảo vệ điện hoá. Kiểm tra hệ thống đã lắp an toàn, đo các thông số ban đầu của hệ thống rồi đóng nguồn điện. Hiệu chỉnh hệ thống trạm đạt giá trị theo thiết kế rồi theo dõi hoạt động của hệ thống. Ghi lại nhật ký chạy thử, theo dõi, hiệu chỉnh hoạt động của trạm catốt. Đo kiểm tra các thông số bảo vệ công trình.Trạm catốt phải được cấp điện thường xuyên và đảm bảo an toàn về điện. Trong môi trường axit thường hay dùng các chất làm chậm hữu cơ sau đây: Hợp chất có chứa Nitơ, amin, gốc amin bậc cao Piridin, dẫn suất của nó Hợp chất chứa lưu huỳnh, Sunfo axit, hợp chất thio Hợp chất có chất oxy, dầu mỡ, các axit thơm, aldehyt, rượu. Trong các loại đó thì hợp chất có chứa Nitơ và lưu huỳnh có tác dụng tốt làm chậm ăn mòn sắt thép. Các chất nhóm halogel ( trừ F, Cl) kết hợp với cation hữu cơ làm dịch chuyển điện thế hấp phụ, làm giảm quá trình ăn mòn thép. Sự hấp phụ chất hữu cơ trên bề mặt kim loại làm giảm tốc độ ăn mòn kim loại.Sự hấp phụ chất hữu cơ trên bề mặt Me làm thay đổi điện thế điểm không tích điện. Nếu bề mặt kim loại tích điện dương thì sẽ ưu tiên hấp thu anion (-); nếu bề mặt kim loại tích điện âm thì sẽ hấp phụ cation (+).Nếu bề mặt KL không tích điện thì nó sẽ ưu tiên hấp phụ phần tử trung hòa là lựa chọn chất ức chế. Xét quá trình ăn mòn KL và ức chế ăn mòn cần tính đến 2 yếu tố chính: Thay đổi điện thế và phủ đầy bề mặt.Các yếu tố này phụ thuộc vào bản chất của kim loại, môi trường, nồng độ, nhiệt độ môi trường dùng chất ức chế; bản chất cấu tạo của chất ức chế.Các chất ức chế quá trình anot, chất ức chế quá trình catot đều ngăn cản quá trình hòa tan ăn mòn kim loại.Tuy nhiên cơ cấu tác dụng của chất các loại chất ức chế có khác nhau. MỤC LỤC Chương I. Ăn mòn trong công nghiệp dầu khí Khái niệm ăn mòn 1.2. Nguyên nhân ăn mòn kim loại. 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn kim loại. 1.4. Ăn mòn kim loại trong công nghiệp dầu khí. Chương II. Cơ chế ăn mòn 2.1 Ăn mòn hóa học. 2.2 Ăn mòn điện hóa. Chương III: Bảo vệ điện hóa công trình kim loại trong công nghiệp dầu khí 3.1. bảo vệ anot. 3.2. Bảo vệ catốt công trình ngầm. 3.3. Một số loại vật liệu, thiết bị dùng trong kỹ thuật bảo vệ điện hoá công trình dầu khí. 3.4. Trạm catôt. 3.5. Trạm catốt, hệ thống cáp dẫn và phụ kiện. 3.6. Thiết kế hệ thống trạm catot bảo vệ bằng công trình ngầm. 3.7. Lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng hệ thống bảo vệ catôt trong công nghiệp dầu khí. 3.8. Bảo vệ đường ống bể chứa trong công nghiệp dầu khí.