سولفید هیدروژن، بزرگ‌ترین تهدید برای خطوط لوله!

سولفید هیدروژن (Hydrogen Sulfide)، با فرمول مولکولی H_۲S، یکی از ترکیبات شیمیایی با ماهیت خورنده است و به خاطر واکنش پذیری شدید که دارد، جزو بزرگ ترین و اصلی ترین تهدیدات برای خطوط لوله محسوب می شود. این مسئله به ویژه برای صنایع، اهمیت بیشتری پیدا می کند. به همین دلیل، استراتژی های کاهش آسیب ها و پیشگیری از خوردگی ناشی از ترکیب هیدروژن سولفید، در حال توسعه است. تکنیک حفاظت کاتدی، ایزوله و عایق سازی لوله ها و سیستم کنترل از راه دور، برخی از این روش های مهندسی هستند.

خطوط لوله انتقال دهنده نفت و گاز، امن ترین و کارآمدترین روش برای هدایت هیدروکربن ها در مسیرهای مختلف هستند. متأسفانه، خرابی های سیستم لوله ها و اتصالات – البته اگرچه بسیار نادر است – اما پدیده ای اجتناب ناپذیر بوده و آسیب ها و خسارت های جدی به لوله ها وارد می کنند. نشتی از لوله های آسیب دیده در مسیر، عواقب شدیدی برای محیط زیست دارد که مهم ترین آن، آلودگی منابع آبی، آلودگی خاک، آلودگی هوا و تخریب زیستگاه ها می باشد.

به دلیل انواع خوردگی در خطوط لوله، دیواره ها می توانند آسیب ببینند؛ پارگی اتفاق می افتد، یا لوله ممکن است سوراخ شود؛ در هر صورت، خوردگی چه در دیواره داخلی یا دیواره خارجی رخ دهد، مشکلات فیزیکی می توانند خسارت های مربوط به نشتی ها، هدر رفتن سیالات، افزایش هزینه های تعمیرات و نگهداری را ایجاد کنند. این پدیده ها به علت سهل انگاری در بازرسی خطوط لوله، مشکلات عملیاتی یا در اثر حوادث طبیعی و غیرقابل پیش بینی اتفاق می افتند!

سیالات نفت و گاز در خطوط لوله معمولاً حاوی مقادیر کمی دی اکسید کربن (CO_۲) و سولفید هیدروژن (H_۲S) هستند. هر دو این ترکیبات جزو محصولات جانبی تجزیه مواد لایه های درونی زمین هستند که در اثر استخراج نفت و گاز، حاصل می شوند. هر دو به حالت گازی هستند و به راحتی در آب حل می شوند، و ترکیبات اسید کربنیک (H_۲CO_۳) و اسید سولفوریک (H_۲SO_۴) را تولید می کنند؛ این اسیدهای معدنی، ماهیت خورنده دارند زیرا PH محیط را به شدت کاهش می دهند. به خاطر حضور ترکیبات اسیدی مذکور در سیالات خطوط لوله، پدیده خوردگی یا ترک خوردگی لوله اتفاق می افتد.

مقدار استاندارد ترکیب سولفید هیدروژن در خطوط لوله، ۴ ppm است؛ با این حال، حین استخراج نفت و گاز، محتوای این ترکیب در لوله ها به طرز چشمگیری افزایش پیدا می کند و باعث خوردگی شدید می شود. به همین دلیل است که H_۲S، یکی از مهم ترین و اصلی ترین تهدیدات برای لوله های انتقال دهنده سیالات نفتی به حساب می آید.

بیشتر بخوانید: اثرات فاضلاب صنعتی بر محیط زیست

H_۲S؛ خطرات آن برای انسان ها!

اگرچه خوردگی مرتبط با H_۲S، هرگز باعث شکست لوله ها در خطوط نفت و گاز نمی شود اما شدیدترین خوردگی لوله را در اکثر موارد ایجاد می کند. بسیاری از خوردگی های لوله های انتقال دهنده سیالات نفتی، در هر یک از مسیرها، شاید کم اهمیت جلوه کنند اما گاهی تخریب ها و عواقب آنها به قدری شدید است که جان انسان ها را نیز به خطر می اندازد!

ترکیب H_۲S، مسئول تولید گاز هیدروژن، که بی رنگ و بسیار قابل اشتعال و انفجار است می باشد. بسته به سطح غلظت آن، مدت زمان تماس با گاز یا محیط انتشار گاز، اثرات این آلاینده بر روی انسان ها می تواند متفاوت باشد. متداول ترین نشانه های آلودگی با گاز هیدروژن سولفید، سوزش سیستم تنفسی، تشنج و در نهایت، مرگ است!!!

سولفید هیدروژن چه آسیب هایی به خطوط لوله وارد می کند؟

خسارت های ناشی از ترکیب H_۲S که منجر به خوردگی لوله ها و آسیب به زیرساخت ها می شوند، چندان ساده نیستند! سولفید هیدروژن عمدتاً از طریق خوردگی و ترک، تهدیدات جدی را برای یکپارچگی سیستم لوله ها ایجاد می کند! این یک فرآیند شیمیایی مخرب است و مکانیسم بخصوصی دارد.

• بررسی مکانیسم خوردگی ناشی از H_۲S

میزان و نوع خوردگی با نسبت CO_۲ به H_۲S تعریف می شود؛ به این مفهوم که:

وقتی نسبت CO_۲ به H_۲S کمتر از ۲۰ باشد، هیدروکربن به عنوان “ترش” تعریف می شود. خوردگی ترش یا Sour corrosion را از طریق تشکیل رسوب محافظ و پیوسته و نیمه رسانای ترکیب سولفید آهن (با فرمول ساختاری FexSy) می شناسند. این رسوبات در هر محل که ایجاد شوند، توسط جریان گالوانیکی بین ترک ها یا رسوبات اطراف خود، واکنش ایجاد نموده و باعث خوردگی حفره ای در آن منطقه می شوند! خوردگی موضعی نیز یک پدیده مخرب است که در همین محل، زیر رسوبات اتفاق می افتد!

اگر نسبت CO_۲ به H_۲S، بیشتر از ۵۰۰ باشد، هیدروکربن به عنوان “شیرین” – sweet – معرفی می شود. در این شرایط، خوردگی اغلب به صورت یکنواخت رخ می دهد. در حضور آب و اکسیژن، اسید کربنیک تشکیل می شود که فلز را دچار خوردگی می کند! بسته به گاز اسیدی، شیمی آب، دما و شرایط جریان، سرعت این نوع خوردگی می تواند بیش از ۱۰ میلیمتر در سال باشد!!

اگر نسبت CO_۲ به H_۲S، بین ۲۰ تا ۵۰۰ باشد، خوردگی یکنواخت اغلب اتفاق می افتد. این سرعت آهسته و پیوسته، به دلیل تشکیل همزمان رسوب کربنات آهن (FeCO3) و سایر ترکیبات سولفید آهن با فرمول کلی FexSy، کمتر از هیدروکربن های شیرین است.

سایر عوامل مرتبط با H_۲S که بر خوردگی خط لوله تأثیر می‌گذارند

۱- شرایط فرآیند یا جریان: جریان یا فرآیند می تواند بر نرخ خوردگی ناشی از H_۲S تأثیر بگذارد. به طور مثال، غلظت کلرید می تواند خورگی یکنواخت را کاهش دهد اما با تشکیل رسوب، خوردگی موضعی را تشدید می کند. حضور گوگرد عنصری می تواند نرخ خوردگی را تا حد زیادی افزایش دهد. در خطوط لوله، هر گونه کاهش دما، آب را متراکم می کند که این عامل نیز می تواند خوردگی را افزایش دهد.

۲- خوردگی فوقانی (بالای خطی): خوردگی بالای خط لوله که با نام Top-of-the-line corrosion (TLC) شناخته می شود، به شدت به عوامل محیطی بستگی دارد. با جریان گاز مرطوب یا یک جریان چند فازی لایه ای، که اختلاف دمایی قابل توجهی بین لوله و محیط ایجاد می کنند، خوردگی در لوله اتفاق می افتد. نرخ خوردگی ناشی از این پدیده می تواند بسیار بالاتر از حد تصور باشد! به دلیل اینکه مهار کننده های خوردگی تمایل دارند در فاز مایع باقی بمانند، از خوردگی جریان لایه فوقانی جلوگیری نمی کنند! خوردگی TLC در شرایط ترش، نرخ کمتری نسبت به خورگی TLC در سیستم شیرین دارد.

۳- خوردگی بیولوژیکی: microbiological corrosion، یا خوردگی میکروبیولوژیکی، یکی از پدیده های رایج در خطوط لوله انتقال نفت و گاز است. لوله ها در معرض میکروب های هوازی و بی هوازی هستند. خوردگی ناشی از فعالیت های میکروبیولوژیکی، از جمله باکتری های کاهنده سولفات است که می توانند ترکیب H_۲S را تولید کنند.

ترک خوردگی ناشی از H_۲S، یک عامل آسیب زننده مخرب!

ترک خوردگی ناشی از هیدروژن (HIC)، Hydrogen-induced cracking، در خطوط لوله های فولاد کربنی در اثر تفکیک H_۲S ایجاد می‌شود. در این فرآیند، هیدروژن اتمی تولید می گردد؛ جذب و تشکیل هیدروژن باعث تشکیل تاول روی سطح لوله و شروع ترک خوردگی خواهد شد. البته انتشار ترک ها خیلی سریع نیست!

ترک خوردگی تنشی سولفیدی یا Sulfide stress cracking، که با نماد SSC نیز نشان داده می شود، یکی دیگر از عوامل مخرب خطوط لوله های نفت و گاز است. در این پدیده، H_۲S مرطوب با لوله تماس دارد و در این شرایط، اتم های هیدروژن به شبکه فولاد نفوذ پیدا می کنند. این اتفاق باعث می شود توانایی و مقاومت فولاد در برابر تغییر شکل ناشی از تنش ها کاهش پیدا کند. خوردگی SSC می تواند بسیار سریع تر از ترک خوردگی ناشی از هیدروژن، شروع شود و در نهایت به شکستن لوله منجر خواهد شد! خوردگی تنشی سولفیدی در اکثر موارد در مناطق تحت تأثیر حرارت جوشکاری اتفاق می افتد.

بیشتر بخوانید: شیمی خاک؛ بررسی ترکیبات و فرآیندهای زیستی

استراتژی ها و تکنیک های پیشگیرانه و کنترل کننده خوردگی ناشی از سولفید هیدروژن در خطوط لوله

انتخاب روکش مناسب برای لوله ها، آلیاژ مقاوم به خوردگی برای تولید لوله های انتقال دهنده سیالات نفتی، حفاظت کاتدی برای تغییر پتانسیل الکتروشیمیایی و یا اصلاح محیط شیمیایی، از جمله اقدامات کنترل کننده و پیشگیرانه برای پدیده خوردگی هستند. آب زدایی از محیط، تغییر PH، استفاده از مهارکننده های خوردگی نیز در هر مرحله به تناسب نیاز، قابل اجرا هستند.

حفاظت کاتدی یا Cathodic Protection، یکی از متداول ترین روش ها برای جلوگیری از خوردگی خطوط لوله است. در این فرآیند، جریان مستقیم به فلز اِعمال می گردد تا جریان ناشی از خوردگی را کند نموده یا متوقف سازد. از طریق یک پوشش محافظ که به جای سطح لوله، در واکنش الکتروشیمیایی شرکت می کند، حفاظت کاتدی تکمیل می شود.

بازدارنده های خوردگی (Corrosion Inhibitors) یا ممانعت کننده های خوردگی، ترکیباتی هستند که در مقادیر معین به خطوط لوله اضافه می شوند تا پدیده خوردگی را مهار کنند. انتخاب و استفاده از هر بازدارنده، به درک صحیح و اصولی از مکانیسم خوردگی و ماهیت مواد شیمیایی نیاز دارد. در این مورد، بازدارنده های تشکیل دهنده فیلم پوششی آمین، Amine film-forming inhibitors، یک لایه محافظ سطحی ایجاد می کنند و می توانند از طریق واکنش های شیمیایی و تشکیل رسوب، از خوردگی لوله جلوگیری نمایند.

علاوه بر تکنیک های فوق، برخی شیوه های عملکردی نیز برای جلوگیری از خسارت های ناشی از خوردگی در خطوط لوله ها ناشی از ترکیبات سولفید هیدروژن ارائه شده است.

نظارت از راه دور که مبتنی بر سیستم های قوی حسگرها هستند، امکان کنترل همه جانبه خطوط لوله را فرآهم می کند و می تواند مشکلات ناشی از خوردگی های احتمالی را به حداقل برساند. همچنین بازرسی های فیزیکی و حضوری از قسمت های مختلف لوله ها که مستعد خوردگی هستند، الزامی است.

بیشتر بخوانید: کامپوزیت چیست؛ تعریف، خواص، انواع و کاربردها

تأثیر ورود خوراک جدید از هیدروکربن ها بر خوردگی لوله ها

یکی از مسائل جالب که درباره خوردگی های ناشی از سولفید هیدروژن در خطوط لوله وجود دارد این است که آیا ورود خوراک جدید به لوله ها (منظور این است که سیالات نفتی – گازی به طور مداوم به لوله وارد شوند)، می تواند بر نرخ خوردگی تأثیر بگذارد یا خیر؟!

خوراک ورودی جدید به لوله های نفت و گاز به دلیل محتوای بالای اسیدهای چرب، مقدار زیاد آلاینده های H_۲S، دمای بالا، ترکیبات اکسیژن دار، می توانند خورنده تر از سایر ورودی ها باشند. برای این بخش ها در خطوط لوله، استفاده از روش های کنترل کننده خوردگی، نظیر بازدارنده ها، پوشش های محافظ و حفاظت کاتدی، واشرهای آب بندی مقاوم، ضروری است. هر نوع خوراک ورودی جدید می تواند خوردگی را تسریع سازد.

خوراک ورودی با غلظت بالای H_۲S به لوله های انتقال دهنده، خوردگی را به شدت افزایش می دهد، زیرا جریانی از سیالات ترش را ایجاد می کند. این تهدیدها به قدری آسیب زننده هستند که حتی منجر به انفجار خط لوله خواهند شد. به همین دلیل است که مهندسان با اجرای تکنیک های معرفی شده در این مطلب، سعی در مهار این پدیده مخرب دارند.

ترجمه تخصصی: اولتراشیمی

منبع: https://www.corrosionpedia.com/hydrogen-sulfide-the-bane-of-pipelines