Xói mòn và xói mòn - ăn mòn trong Thiết bị và Đường ống công nghệ

Viết bài KS Nguyễn Thanh Sơn, bản quyền thuộc về www.baoduongcokhi.com

Tóm tắt:

Xói mòn (Erosion) và xói mòn - ăn mòn (Erosion-Corrosion) là những dạng hư hỏng có thể xảy ra trong thiết bị và đường ống công nghệ tiếp xúc với chất lỏng chuyển động và/hoặc chất xúc tác. Những hư hỏng này có thể gây ra sự tổn thất cục bộ về độ dày dưới dạng hố (pits), rãnh (grooves, gullies), gợn sóng (waves), lỗ tròn (rounded holes) và khe (valleys). Tỷ lệ hao hụt kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm vận tốc và nồng độ của môi trường tác động, kích thước và độ cứng của các hạt tác động, độ cứng và khả năng chống ăn mòn của vật liệu bị xói mòn và góc tác động.

Ngăn ngừa và giảm thiểu xói mòn và xói mòn-ăn mòn liên quan đến những cải tiến trong thiết kế, thay đổi hình dạng, hình học và lựa chọn vật liệu, đồng thời sử dụng các tấm va chạm và mẫu theo dõi ăn mòn chuyên dụng (corrosion coupons). Kiểm tra trực quan và các đầu dò điện trở (Electrical Resistance - ER) theo dõi ăn mòn chuyên dụng nằm trong số các kỹ thuật kiểm tra và giám sát được sử dụng để phát hiện mức độ hao hụt kim loại.

Đầu dò và thiết bị đo điện trở (ER) xác định tổn thất kim loại do ăn mòn hoặc xói mòn bằng phương pháp điện trở.

1. Mô tả hư hỏng

a) Xói mòn là sự loại bỏ cơ học nhanh chóng của vật liệu bề mặt do chuyển động tương đối với nhau hoặc tác động từ chất rắn, chất lỏng, hơi hoặc bất kỳ sự kết hợp nào của chúng.

b) Xói mòn-ăn mòn là mô tả về hư hỏng xảy ra khi ăn mòn góp phần vào làm xói mòn bằng cách loại bỏ màng hoặc lớp gỉ bảo vệ (scales), hoặc bằng cách để bề mặt kim loại tiếp tục bị ăn mòn dưới tác động kết hợp của xói mòn và ăn mòn.

2. Vật liệu bị ảnh hưởng bởi xói mòn-ăn mòn

 Tất cả các kim loại, hợp kim và vật liệu chịu lửa đều dễ bị xói mòn-ăn mòn.

3. Các yếu tố xem xét

a) Trong hầu hết các trường hợp, xói mòn-ăn mòn xảy ra do tác động kết hợp của ăn mòn cơ học và ăn mòn hóa học, hiếm khi xảy ra xói mòn thuần túy (mòn do mài mòn). Vì vậy, điều quan trọng là phải xem xét vai trò của ăn mòn trong việc góp phần gây ra thiệt hại.

b) Tốc độ hao hụt kim loại bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm vận tốc và nồng độ của môi trường tác động (chẳng hạn như hạt, chất lỏng, giọt, bùn và dòng chảy hai pha), kích thước và độ cứng của các hạt tác động, độ cứng và khả năng chống ăn mòn của vật liệu bị xói mòn và góc tác động.

c) Các hợp kim mềm hơn, chẳng hạn như đồng và nhôm, có thể dễ bị xói mòn-ăn mòn hơn trong điều kiện tốc độ cao do tính dễ bị hư hỏng cơ học.

d) Trong khi tăng độ cứng của kim loại nền, thường được coi là một biện pháp để giảm thiểu thiệt hại, nó có thể không nhất thiết cải thiện khả năng chống xói mòn, đặc biệt nếu ăn mòn đóng một vai trò quan trọng.

e) Đối với mỗi tổ hợp môi trường - vật liệu thường có một ngưỡng vận tốc mà trên đó các vật va chạm có thể gây ra tổn hao kim loại. Việc tăng vận tốc vượt quá ngưỡng này dẫn đến tỷ lệ tổn thất kim loại cao hơn, như thể hiện trong Bảng 1, điều này cho thấy tính nhạy cảm tương đối của các kim loại và hợp kim khác nhau đối với sự xói mòn-ăn mòn của nước biển ở các vận tốc khác nhau.

f) Kích thước, hình dạng, tỉ trọng và độ cứng của môi trường tác động cũng ảnh hưởng đến tốc độ hao hụt kim loại. 

g) Tăng tính ăn mòn của môi trường có thể làm giảm tính ổn định của màng bảo vệ bề mặt và tăng khả năng mất mát kim loại. Kim loại có thể được loại bỏ khỏi bề mặt dưới dạng các ion hòa tan hoặc các sản phẩm ăn mòn rắn được tách cơ học khỏi bề mặt kim loại.

h) Các yếu tố làm tăng tính ăn mòn của môi trường, chẳng hạn như nhiệt độ và pH, cũng có thể làm tăng tính dễ bị mất kim loại.

Bảng 1 - Tốc độ xói mòn-ăn mòn điển hình trong nước biển ( API 571 Mục 4.2.14 )

4. Thiết bị và linh kiện bị ảnh hưởng

a) Xói mòn và xói mòn-ăn mòn có thể ảnh hưởng đến tất cả các loại thiết bị tiếp xúc với chất lỏng và chất xúc tác chuyển động. Điều này bao gồm các hệ thống đường ống, chẳng hạn như đoạn ống cong, co cút, chữ T và ống giảm (reducer), cũng như hệ thống đường ống ở hạ lưu từ van xả và van chặn. Ngoài ra, máy bơm, máy thổi, máy khuấy, bình khuấy, ống trao đổi nhiệt, orifice của thiết bị đo, cánh tuabin, vòi phun, ống dẫn, đường hơi, máy cạo, máy cắt có thể bị ảnh hưởng.

b) Xói mòn có thể được gây ra bởi các hạt chất xúc tác sinh ra từ khí hoặc các hạt được chất lỏng mang theo, chẳng hạn như bùn. Các nhà máy lọc dầu đặc biệt dễ bị loại hư hỏng này, vì nó có thể xảy ra trong thiết bị xử lý chất xúc tác (van, Cyclone, đường ống, lò phản ứng) và đường ống bùn trong hệ thống lò phản ứng/tái sinh của FCC, thiết bị xử lý than cốc trong cả lò luyện cốc chậm và lò tầng sôi (hình 1), và mài mòn trên máy bơm (hình 2 và hình 3), máy nén và các thiết bị quay khác.

Hình 1: Sự xói mòn của ống uốn cong hồi của 1 bộ gia nhiệt cốc 9Cr ( API 571 Mục 4.2.14)

Hình 2: Cánh bơm bằng gang trong nước làm mát chưa được xử lý sau bốn năm sử dụng (API 571 Mục 4.2.14)

Hình 3: Cận cảnh Hình 2 cho thấy cả sự xói mòn-ăn mòn ở đầu cánh và vết rỗ ở phía chịu áp lực của cánh hướng ( API 571 Mục 4.2.14 ).

c) Đường ống nước thải của lò phản ứng xử lý thủy hóa có thể bị xói mòn-ăn mòn bởi amoni bisulfua, với mức độ hao hụt kim loại phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm nồng độ amoni bisulfua, tốc độ và khả năng chống ăn mòn của hợp kim.

d) Các đường ống và bình chứa dầu thô và chân không tiếp xúc với axit naphthenic trong một số loại dầu thô có thể bị xói mòn-ăn mòn kim loại nghiêm trọng tùy thuộc vào nhiệt độ, vận tốc, hàm lượng lưu huỳnh và mức TAN.

5. Hình thức hoặc Hình thái của hư hỏng

a) Xói mòn và xói mòn-ăn mòn dẫn đến mất cục bộ chiều dày, thường ở dạng hố, rãnh, sóng, lỗ tròn và khe. Những mất mát này thường thể hiện một mô hình định hướng.

b) Hỏng hóc có thể xảy ra nhanh chóng nên việc giải quyết và giám sát các loại hư hỏng này là rất quan trọng.

6. Kỹ thuật phòng ngừa và giảm thiểu xói mòn và xói mòn-ăn mòn

Xói mòn và xói mòn-ăn mòn có thể gây hư hỏng nghiêm trọng cho thiết bị và công trình, dẫn đến việc sửa chữa tốn kém và thời gian ngừng hoạt động. May mắn thay, có một số kỹ thuật phòng ngừa và giảm thiểu có thể được sử dụng để giảm thiểu tác động của các quá trình gây hại này.

a) Cải tiến thiết kế là một khía cạnh quan trọng của việc ngăn ngừa xói mòn và xói mòn-ăn mòn. Những thay đổi về hình dạng, hình học và lựa chọn vật liệu đều có thể đóng một vai trò nào đó. Ví dụ về các cải tiến thiết kế bao gồm tăng đường kính ống để giảm vận tốc, bố trí hợp lý các khúc cua để giảm va chạm, tăng độ dày thành ống và sử dụng các vách ngăn va chạm (baffles) có thể thay thế.

b) Cải thiện khả năng chống xói mòn thường đạt được bằng cách tăng độ cứng của chất nền bằng cách sử dụng các hợp kim cứng hơn, xử lý bề mặt cứng hơn hoặc làm cứng bề mặt. Vật liệu chịu lửa chống xói mòn, chẳng hạn như vật liệu được sử dụng trong cyclone và van trượt, cũng có hiệu quả.

c) Xói mòn-ăn mòn có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng các hợp kim chống ăn mòn hơn và/hoặc thay đổi môi trường để giảm khả năng ăn mòn. Các kỹ thuật như khử khí (deaeration), phun ngưng tụ (condensate injection) hoặc bổ sung chất ức chế đều có thể giúp giảm ăn mòn. Điều quan trọng cần lưu ý là chỉ tăng độ cứng của chất nền nói chung không cải thiện khả năng chống xói mòn-ăn mòn.

d) Bộ trao đổi nhiệt có thể sử dụng các tấm va chạm (impingement plates) và ống  ferrules (bịt đầu ống) để giảm thiểu các vấn đề xói mòn.

e) Trong các ứng dụng cần quan tâm đến sự ăn mòn của axit naphthenic, các hợp kim chứa molypden cao hơn có thể được sử dụng để cải thiện khả năng chống lại dạng ăn mòn cụ thể này.

Bằng cách sử dụng các kỹ thuật phòng ngừa và giảm thiểu này, tác động của xói mòn và xói mòn-ăn mòn có thể được giảm thiểu, đảm bảo tuổi thọ và độ tin cậy của thiết bị và kết cấu.

7. Kiểm tra, giám sát (inspection, monitoring)

a) Có thể phát hiện tổn thất kim loại thông qua kiểm tra trực quan các khu vực nghi ngờ hoặc có vấn đề cũng như thông qua kiểm tra siêu âm (UT) hoặc chụp ảnh phóng xạ (RT).

b) Trong một số ứng dụng, mẫu theo dõi ăn mòn chuyên dụng (coupons) và đầu dò điện trở giám sát ăn mòn trực tuyến (on-line corrosion monitoring electrical resistance probes) được sử dụng cho mục đích giám sát.

c) Quét hồng ngoại (IR) được sử dụng để phát hiện tổn thất vật liệu chịu nhiệt trong service.

8. Cơ chế liên quan

Thuật ngữ cụ thể đã được phát triển cho các dạng xói mòn và xói mòn-ăn mòn khác nhau trong các môi trường và/hoặc dịch vụ cụ thể. Các thuật ngữ này bao gồm hiện tượng xâm thực (cavitation), xói mòn (erosion) do tác động của chất lỏng, hiện tượng mòn do ma sát (fretting) và các thuật ngữ tương tự khác.

9. Kết luận

Xói mòn và xói mòn-ăn mòn có thể gây hư hỏng nghiêm trọng cho thiết bị và cơ sở vật chất trong ngành lọc hóa dầu, dẫn đến các mối nguy hiểm về an toàn, tổn thất sản xuất và tăng chi phí bảo trì. Các biện pháp phòng ngừa và giảm thiểu hiệu quả là rất quan trọng để giảm thiểu tác động của các cơ chế gây hại này. Điều này đòi hỏi sự kết hợp của việc lựa chọn vật liệu phù hợp, cải tiến thiết kế và kiểm tra, giám sát thường xuyên.

10. Phạm vi tương lai

Nghiên cứu và phát triển sâu hơn về khoa học vật liệu và kỹ thuật ăn mòn có thể dẫn đến các giải pháp hiệu quả hơn để ngăn ngừa xói mòn và xói mòn-ăn mòn trong ngành công nghiệp lọc và hóa dầu. Điều này bao gồm sự phát triển của các hợp kim và lớp phủ mới với khả năng chống xói mòn và ăn mòn được cải thiện, cũng như sự tiến bộ của các kỹ thuật kiểm tra không phá hủy để phát hiện sớm hư hỏng. Ngoài ra, việc giáo dục và đào tạo liên tục cho các chuyên gia trong ngành về tầm quan trọng của việc xói mòn và ngăn ngừa cũng như giảm thiểu xói mòn-ăn mòn có thể giúp giảm tần suất và mức độ nghiêm trọng của các sự cố do các cơ chế này gây ra.

11. Tài liệu tham khảo

1. ASM Metals Handbook, Volume 13, “Corrosion,” ASM International, Materials Park

2. ASM Metals Handbook, Volume 11, “Failure Analysis and Prevention,” ASM International, Metals Park.

12. Các nghiên cứu điển hình và ví dụ về xói mòn và xói mòn-ăn mòn trong ngành lọc hóa dầu

Dưới đây là một số ví dụ về xói mòn và xói mòn-ăn mòn trong ngành công nghiệp lọc dầu và hóa dầu:

1. Xói mòn-ăn mòn trong cột chưng cất khí quyển Xưởng dầu thô: Trong trường hợp này, sự mất mát kim loại xảy ra do sự ăn mòn của axit naphthenic trong khay trên cùng của tháp. Hư hỏng được phát hiện trong quá trình kiểm tra và khay phải được thay thế.
2. Xói mòn trong các cyclone của bộ tái sinh FCC: Các cyclone trong một bộ tái sinh của FCC đang bị xói mòn do dòng chất xúc tác có tốc độ cao. Thiệt hại đã được giải quyết bằng cách thay thế các cyclone hiện có bằng cyclone lót gốm chống xói mòn (ceramic).
3. Xói mòn-ăn mòn trong các cụm xử lý nước: Ammonium bisulfide đã gây ra xói mòn-ăn mòn trong đường ống nước thải của các cụm xử lý nước. Vấn đề đã được giảm thiểu bằng cách sử dụng nhiều hợp kim chống ăn mòn hơn và thay đổi môi trường xử lý.
4. Xói mòn ở đường ống phía sau van xả nước: Trong một nhà máy hóa dầu, đường ống phía hạ lưu của van xả nước đang bị xói mòn do dòng chất lỏng chảy với tốc độ cao. Vấn đề đã được giải quyết bằng cách lắp đặt các vách ngăn chịu tác động có thể thay thế được.
5. Xói mòn-ăn mòn trong các vòi cấp liệu của lò phản ứng FCC: Các vòi trong lò phản ứng của FCC đang bị xói mòn-ăn mòn do dòng chất xúc tác có tốc độ cao. Thiệt hại đã được giải quyết bằng cách thay đổi vật liệu của vòi thành hợp kim chống xói mòn hơn.

Các bạn có câu hỏi gì, cứ mạnh dạn trao đổi nhé, baoduongcokhi sẵn sàng giải đáp trong khả năng của mình 

-----------------

Xin chào bạn! 

Nếu bạn đang thích trang web của chúng tôi và thấy các bài viết của chúng tôi hữu ích, chúng tôi rất mong nhận được sự ủng hộ của bạn. Với sự giúp đỡ của bạn, chúng tôi có thể tiếp tục phát triển tài nguyên và cung cấp cho bạn nội dung có giá trị hơn nữa. 

Cảm ơn bạn đã ủng hộ chúng tôi. 

Nguyễn Thanh Sơn

Related Posts by Categories