طراحی حفاظت کاتدی برای خط لوله دوبلکس فولاد ضد زنگ
مقاله در مورد طراحی حفاظت کاتدی برای فولاد ضد زنگ دوبلکس است. طراحی شامل پارامترهای زیادی مانند
- چگالی جریان
- عوامل شکست پوشش
- جرم آند.
- خروجی فعلی و بسیاری دیگر.
این مقاله عمدتاً شامل طراحی حفاظت کاتدی برای خط لوله فولادی ضد زنگ دوبلکس است. طراحی حفاظت کاتدی نیز برای خط لوله فولاد کربن (قطر 48 اینچ با آند آلی) و فولاد ضد زنگ دوبلکس (قطر 24 اینچ با آند روی) انجام شده و با هدف اصلی، خط لوله فولادی ضد زنگ دوبلکس (قطر 48 اینچ) مقایسه و تجزیه و تحلیل شده است. با آند آلی). در نهایت، طرح ها تفسیر، مقایسه و تحلیل می شوند.
حفاظت کاتدی چیست؟
حفاظت کاتدی به این صورت تعریف می شود
حفاظت الکتروشیمیایی با کاهش پتانسیل خوردگی تا سطحی که در آن نرخ خوردگی فلز به میزان قابل توجهی کاهش می یابد” (ISO 8044).
تکنیکی برای کاهش خوردگی سطح فلز با تبدیل آن سطح به کاتد یک سلول الکتروشیمیایی” (NACE RP0176).
نیاز به حفاظت کاتدی
حفاظت کاتدی یکی از عوامل مهم در عملکرد خط لوله حامل نفت خام یا فرآورده های نفتی است. اگر خط لوله باید تا عمر طراحی شده خود با کمترین فعالیت های تعمیر و نگهداری کار کند، حفاظت کاتدی بهترین راه برای اتخاذ است. خط لوله با حداقل مراقبت می تواند منجر به نشت، پارگی و غیره شود که بر عرضه و سایر شرایط قرارداد تأثیر می گذارد که منجر به از دست دادن نفت خام یا محصول، تقاضا، پول، زمان و غیره می شود.
شعار پشت حفاظت کاتدی
شعار اصلی پشت حفاظت کاتدی “پیشگیری بهتر از درمان است” است. بهتر است به جای انتخاب یک برنامه تعمیر و نگهداری پیچیده و غیرقابل پیش بینی، حفاظت کاتدی کامل طراحی و نصب شود.
شکل 1 ساختار DSS
- این نام به خودی خود نشان می دهد که فولاد دارای ساختاری دو فاز است.
- شکل 1 ساختار فولاد دوبلکس را نشان می دهد.
- معمولاً فولاد ضد زنگ دوبلکس، آستنیت و منطقه A.F فریت است.
اشکال مختلف فولاد ضد زنگ دوبلکس موجود در شکل 2 نشان داده شده است. در این مقاله DSS، 22Cr 5.5 Ni 3 Mo 0.18N در نظر گرفته شده است.
شکل 2: اشکال مختلف DSS
مزایای فولاد ضد زنگ دوبلکس
مزایای اصلی فولاد ضد زنگ دوبلکس عبارتند از:
- استحکام بالا.
- یک جایگزین مقرون به صرفه برای فولاد ضد زنگ آستنیتی.
- مقاومت بالا در برابر سوراخ شدن، مقاومت در برابر خوردگی شکاف.
- مقاومت بالا در برابر ترک خوردگی تنشی، خستگی خوردگی و فرسایش،
- مقاومت در برابر خوردگی تنش سولفید خوب، به جز در بالا
- انبساط حرارتی کم و هدایت حرارتی بالاتر نسبت به فولادهای آستنیتی،
- کارایی و جوش پذیری خوب،
- جذب انرژی بالا.
- عمدتا به عنوان مواد زیر دریا استفاده می شود.
معایب DSS
با این حال، اشکالات کمی مانند وجود دارد
- عامل هزینه
- در دماهای بالاتر از کار می افتد، که ممکن است منجر به ترک خوردگی ناشی از فشار هیدروژنی (HISC) شود.
- نیاز به جوشکاری تخصصی در غیر این صورت ممکن است منجر به HISC، خوردگی شکاف و غیره شود.
طراحی حفاظت کاتدی
ورودی های اساسی برای حفاظت کاتدی –
قطر خط لوله برای Duplex با آند Al، D = 48 اینچ است.
- طول خط لوله، LP = 71.650 کیلومتر.
- طول اتصال خط لوله، Lj = 12 متر،
- عمر طراحی، T = 40 سال،
- دمای طراحی، t = 45 0 c.
- ضخامت پوشش خوردگی، tc = 5 میلی متر.
- میانگین ضریب شکست پوشش، fcm= 0.05.
- ضریب شکست پوشش نهایی، fcf = 0.11.
- فاصله بین نیم پوسته ها، G = 100mm
- فاصله آند، S = 4 مفصل.
- مقاومت الکتروشیمیایی، برای آب دریا، ξ = 20 اهم سانتی متر.
- ضریب استفاده از آند، U = 0.8.
- میانگین چگالی جریان، i cm یا CA = 80 mA/m2
- چگالی جریان نهایی، i cm یا CF = 150 mA/m2
نوع آند دستبند (شکل 3)
شکل 3: دستبند نوع آند
برای خط لوله فولادی ضد زنگ دوبلکس سایر پارامترهای در نظر گرفته شده عبارتند از:
- چگالی مواد آل آند، ρ= 2700 کیلوگرم بر متر مکعب.
- راندمان الکتروشیمیایی، ε= 1825 A-hr/kg.
- پتانسیل حفاظتی، VP = – 500 ولت.
- پتانسیل آند مدار بسته، VA = -1050 میلی ولت.
محاسبات طراحی برای حفاظت کاتدی
قطر آند:
Di=D+2tc=1219+(2*5)=1229mm.
فاصله گذاری
SL = S* Lj=48mm.
تعداد آند،
N = LP / SL = 1493.
جرم خالص هر آند
MA= ᴨ/4((D+2tc)2– Di2)-2GtA)LAρ=196.2 کیلوگرم
جرم کل آند
M=NMA= 1493*196.2=292926.6 کیلوگرم.
میانگین خروجی جریان
IMC= εUM/T= 1219.692A
میانگین جریان مورد نیاز، IMR
= CAbAᴨDLF=80* 0.05*ᴨ* 1219*71650= 1097.56A.
سطح نهایی در هر آند،
AF=ᴨ[Di+2(1-U)tA-2G]LA
=ᴨ[1229+2(1-0.8)110-2*100]150= = 0.572m2.
مقاومت هر آند،
RA=0.315ξ/√A=0.083 اهم.
خروجی جریان نهایی
IFC= N[VF – VA]/RA
= 9893.373A.
جریان نهایی مورد نیاز،
I FR = CFbFᴨ D LF
= 4527.451A.
دو پارامتر زیر می‌گویند که آیا کل محاسبه برای CP امکان‌پذیر است یا خیر.
- جرم مورد نیاز = IMC/IMR=692/1097.564==1.11>1
- جریان خروجی نهایی = IFC/IFR = 9893.373/4527.451 = 2.19>1.
محاسبات نیز برای
- خط لوله فولاد کربن با آند آلی، قطر 48 اینچی.
- خط لوله دوبلکس فولاد ضد زنگ با آند آلی، قطر 48 اینچی.
- خط لوله فولادی ضد زنگ دوبلکس با آند روی، قطر 24 اینچی.
نتایج
- از محاسبات می توان استنباط کرد که فولاد ضد زنگ دوبلکس به مقدار کمتری از مواد آندی نیاز دارد.
- یک نمودار (شکل 4) برای جرم آند (کیلوگرم) در مقابل خروجی جریان (A) نشان داده شده است.
شکل 4: جرم آند (کیلوگرم) در مقابل خروجی جریان (A)
* می توان استنباط کرد که دوبلکس با مقدار کمتر مواد آندی می تواند جریان خروجی بالایی را در مورد آند Al ارائه دهد.
* در مورد آند روی برای فولاد زنگ نزن دوبلکس، مواد آندی بیشتری برای حفظ خروجی جریان مورد نیاز است، زیرا میزان مصرف روی بیشتر است.
نرخ مصرف (شکل 5)
شکل 5: نرخ مصرف
- این نمودار میزان مصرف مواد آندی را نشان می دهد. میزان مصرف آند روی بیشتر از Al است. در نتیجه، در مقایسه با Al، مقدار بیشتری مواد برای تامین تقاضای فعلی مورد نیاز است.
- آند آلومینیوم به دلیل ظرفیت بالای آن در مقایسه با سایر مواد آندی بسیار ارجح است. نمودار زیر به بحث می پردازد
ظرفیت مواد آندی (شکل 6):
شکل 6: ظرفیت های مواد آندی
مقاومت در برابر چگالی جریان
از نمودار زیر (شکل 7) می توان استنباط کرد که جریان ممکن است همراه با افزایش مقاومت کاهش یابد.
شکل 7: مقاومت در برابر چگالی جریان
نتیجه
- تمرکز بر روی طراحی CP برای DSS و فولاد کربنی با استفاده از آندهای مختلف است. عواملی مانند جرم خروجی جریان آند و غیره برای تجزیه و تحلیل عملکرد CP با آندهای مختلف مرتبط هستند.
- ممکن است از این مقاله تفسیر شود که فولادهای ضد زنگ دوبلکس با آند Al به بهترین وجه برای کاربردهای دریایی مناسب هستند.
توصیه ها
- آندهای قربانی آلومینیوم بدون جیوه برای بهترین عملکرد CP در خطوط لوله زیر دریا توصیه می شود.
- فولادهای زنگ نزن دوبلکس برای خطوط لوله زیر دریا بهتر است توصیه شود زیرا دارای استحکام مکانیکی خوب، خوردگی حفره ای بالا و خواص مقاوم در برابر HISC در دماهای معمولی هستند.
- جوشکاری بسیار ماهر برای جلوگیری از نقص در جوش. عیوب ممکن است منجر به HISC در قسمت جوش داده شده خط لوله شود.
- Galvalum-III بهترین آندهای توصیه شده است که توسط DNV RP 401 تایید شده است. حتی می تواند از خطوط لوله نفت داغ محافظت کند که آندهای معمولی ممکن است انجام ندهند. این آندها در برابر خوردگی بین زاویه ای حساس نیستند و می توانند به جای آندهای روی استفاده شوند.