การกัดกร่อนในอุตสาหกรรมปิโตรเลียม (Corrosion in the Petroleum Industry)
บทคัดย่อ
การกัดกร่อนเนื่องจากไฮโดรเจนซัลไฟด์ (hydrogen sulfide) คลอไรด์ไอออน (chloride ion) และคาร์บอนไดออกไซด์ (carbon dioxide) ซึ่งปะปนมากับน้ำมันดิบและก๊าซธรรมชาติสร้างปัญหาให้กับอุตสาหกรรมปิโตรเลียม (petroleum industry) เป็นอย่างมาก กระบวนการกัดกร่อนและแนวทางป้องกันเบื้องต้นจากสารเคมีทั้งสามชนิดได้นำเสนอในบทความนี้ ไฮโดรเจนซัลไฟด์สามารถทำให้เกิดการแตกร้าวได้เนื่องจากการถ่ายโอนไฮโดรเจนเข้าไปในเนื้อโลหะ ขณะที่คลอไรด์ไอออนส่งผลให้เกิดการแตกร้าวอย่างฉับพลัน เมื่อวัสดุอยู่ในสภาพที่รับแรงเค้นร่วมด้วย ส่วนคาร์บอนไดออกไซด์เมื่อรวมตัวกับน้ำและความชื้นในระบบทำให้เกิดกรดคาร์บอนิก (carbonic acid) ซึ่งมีฤทธิ์กัดกร่อน
บทนำ
การกัดกร่อนเป็นกระบวนการทางเคมีที่มีผลกระทบต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมในเชิงลบ ความเสียหายต่อวัสดุและอุปกรณ์ในกระบวนการผลิตเนื่องจากการกัดกร่อน รวมทั้งอายุการใช้งานที่สั้นลง เป็นปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดความสูญเสียทางเศรษฐกิจ ซึ่งในบางกรณีสามารถหลีกเลี่ยงได้ถ้ามีความรู้และความเข้าใจพฤติกรรมการกัดกร่อนของวัสดุในสภาวะใช้งาน อันจะนำไปสู่ความสามารถในการเลือกใช้วัสดุหรือการดัดแปลงสภาวะแวดล้อมเพื่อให้ใช้งานวัสดุและอุปกรณ์ได้ยาวนานขึ้น ในประเทศอุตสาหกรรมที่พัฒนาแล้วมีการประเมินมูลค่าความสูญเสียอันเนื่องมาจากการกัดกร่อนอยู่ที่ประมาณร้อยละ 5 ของผลิตภัณฑ์มวลรวมของชาติ ในประเทศไทยซึ่งกำลังพัฒนาทางด้านอุตสาหกรรมอย่างรวดเร็ว แม้จะยังไม่มีการประเมินอย่างเป็นทางการ แต่คาดว่าน่าจะมีมูลค่าความสูญเสียในอัตราส่วนร้อยละที่ใกล้เคียงกับประเทศอุตสาหกรรมอื่นๆ
การกัดกร่อนสามารถแบ่งออกกว้างๆ ได้เป็นสองประเภทคือ การกัดกร่อนแบบสม่ำเสมอ (uniform corrosion) และการกัดกร่อนในบริเวณจำเพาะ (localized corrosion) การกัดกร่อนแบบสม่ำเสมอสามารถคาดเดาและประมาณอัตราการกัดกร่อนได้ เพราะอัตราการหายไปของเนื้อวัสดุมีค่าสม่ำเสมอทั่วทั้งพื้นผิว ในขณะที่การกัดกร่อนในบริเวณจำเพาะจะเกิดขึ้นเพียงบางส่วนของวัสดุ ทำให้การประมาณอัตราการกัดกร่อนนั้นไม่สามารถทำได้อย่างเที่ยงตรง
การกัดกร่อนที่พบในอุตสาหกรรมปิโตรเลียม
อุตสาหกรรมปิโตรเลียมเป็นอุตสาหกรรมที่มุ่งเน้นการใช้ประโยชน์จากก๊าซธรรมชาติและน้ำมันดิบซึ่งประกอบไปด้วยสารประกอบไฮโดรคาร์บอนและสารอินทรีย์เป็นส่วนใหญ่ สารดังกล่าวมักจะมีฤทธิ์กัดกร่อนไม่รุนแรงต่อวัสดุและอุปกรณ์ที่ผลิตจากเหล็กกล้าและเหล็กกล้าเจือโลหะผสม อย่างไรก็ตามสารประกอบชนิดอื่นที่เจืออยู่ในน้ำมันดิบและก๊าซธรรมชาติ เช่น กรดไฮโดรคลอริก (hydrochloric acid: HCl) คลอไรด์ไอออน กรดซัลฟูริก (sulfuric acid หรือ sulphuric acid: H2SO4) สารประกอบกำมะถัน และคาร์บอนไดออกไซด์ ส่งผลให้เกิดการกัดกร่อนที่รุนแรงต่ออุปกรณ์การผลิตทั้งการกัดกร่อนแบบสม่ำเสมอและการกัดกร่อนในบริเวณจำเพาะ บทความนี้นำเสนอการกัดกร่อนที่พบในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมอันเนื่องมาจากไฮโดรเจนซัลไฟด์ คลอไรด์ไอออน และคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งถือเป็นสารกัดกร่อนหลักที่พบและสร้างปัญหาอย่างมากในอุตสาหกรรมปิโตรเลียม
การกัดกร่อนเนื่องจากไฮโดรเจนซัลไฟด์
การกัดกร่อนที่พบได้บ่อยส่วนหนึ่งเกิดขึ้นในท่อหรืออุปกรณ์ส่งจ่ายน้ำมันและก๊าซ ท่อที่ทำจากเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงชนิดเจือโลหะผสมต่ำ (high strength low alloy steel) มักเกิดการกัดกร่อนในบริเวณเฉพาะและนำไปสู่รอยแตกร้าวอันเนื่องมาจากปฏิกิริยาของไฮโดรเจนซัลไฟด์ ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยานี้คืออะตอมของไฮโดรเจนที่ถูกดูดซับอยู่ที่ผิวของโลหะซึ่งสามารถแพร่เข้าไปในเนื้อโลหะ โดยเคลื่อนตัวแทรกไปตามช่องว่างระหว่างอะตอมของโลหะซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าอะตอมของไฮโดรเจนมาก แล้วรวมกันเป็นกลุ่มก๊าซไฮโดรเจนทำให้เกิดแรงดันสูงจนสร้างรอยแตกร้าวให้กับเนื้อวัสดุ และจากการทดลองในห้องปฏิบัติการ ปริมาณไฮโดรเจนที่กระจายอยู่ในผนังท่อมีค่าสูงได้ถึง 832 cm3/kg of steel ที่อุณหภูมิ 350°C และความดัน 32 MPa โดยปกติแล้วการกัดกร่อนจะรุนแรงมากยิ่งขึ้นถ้ามีอนุภาคของแข็ง เช่น เม็ดทราย เข้าร่วมในกระบวนการกัดกร่อนซึ่งช่วยกัดเซาะผิวหน้าของวัสดุ การแก้ไขโดยทั่วไปสามารถกระทำได้โดยการติดตั้งหน่วยสกัดแยกสารดังกล่าวออกก่อนป้อนน้ำมันดิบและก๊าซธรรมชาติและเข้าสู่กระบวนการผลิต เช่น หน่วยดูดซึมไฮโดรเจนซัลไฟด์ด้วยสารละลายเอมีน (amine) หรือการเลือกใช้โลหะชนิดอื่นที่มีความสามารถในการต้านทานต่อไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่มากขึ้น
การกัดกร่อนเนื่องจากคลอไรด์ไอออน
ในอุตสาหกรรมปิโตรเลียม การแตกร้าวจากแรงเค้นและการกัดกร่อนสามารถพบได้เมื่อมีสารกัดกร่อนรวมอยู่ด้วย ตัวอย่างหนึ่งคือการแตกร้าวจากแรงเค้นและการกัดกร่อนของวัสดุอุปกรณ์ที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิมชนิดออสเตนไนท์ (austenite) จะเกิดได้ง่ายขึ้น เมื่อมีคลอไรด์ไอออนรวมอยู่ด้วยในปริมาณมากพอ เช่น เมื่อความเข้มข้นของคลอไรด์ไอออนมีค่าน้อยจะพบการเกิดคอขวดหรือการยืดตัวของวัสดุก่อนการประลัย ขณะที่เมื่อความเข้มข้นของคลอไรด์ไอออนมีค่ามากขึ้น การประลัยของวัสดุจะเกิดขึ้นในลักษณะแตกหักออกจากกันอย่างฉับพลัน การทดสอบในลักษณะนี้กระทำโดยแช่วัสดุในสารละลายซึ่งจำลองมาจากกระบวนการทางปิโตรเลียมและปิโตรเคมี [สารละลายโซเดียมคลอไรด์ (sodium chloride) และโซเดียมไทโอซัลเฟต (sodium thiosulfate)] ไปพร้อมกับการให้แรงเค้นดึงกับวัสดุ ในกรณีที่ความเข้มข้นของคลอไรด์ไอออนมีค่าน้อย การกัดกร่อนไม่มีผลร่วมด้วยในการประลัยของวัสดุ เพราะการเกิดคอขวดแสดงให้เห็นถึงการยืดตัวของวัสดุซึ่งเกิดขึ้นตามปกติเช่นเดียวกับการดึงวัสดุโดยที่ไม่แช่อยู่ในสารละลาย ในขณะที่เมื่อแช่วัสดุในสารละลายที่มีความเข้มข้นของคลอไรด์ไอออนมากขึ้นจะพบว่าวัสดุเกิดการแตกร้าวขึ้นโดยที่ไม่พบการยืดตัวอย่างมีนัยสำคัญอต่อย่างใด ลักษณะการประลัยดังกล่าวนี้คือผลลัพธ์ของการแตกร้าวจากแรงเค้นและการกัดกร่อนเนื่องจากคลอไรด์ไอออน
เหล็กกล้าไร้สนิมโดยปกติจะมีชั้นป้องกัน (passive layer) ซึ่งเป็นชั้นออกไซด์ที่สามารถเกิดขึ้นได้เอง การเสียหายเริ่มต้นจากรอยที่เริ่มแตกเนื่องมาจากแรงเค้น รอยเริ่มแตกที่ชั้นป้องกันนี้ทำให้ผิวของเหล็กกล้าไร้สนิมเปิดออกสู่สารละลาย เมื่อชั้นปกป้องไม่ถูกสร้างขึ้นมาทดแทนได้ทันทีหรือกำลังถูกสร้างขึ้นนแต่ยังไม่ปกคลุมทั่วผิวที่เปิดออกสู่สารละลาย จะเกิดการกัดกร่อนลึกลงไปในเนื้อโลหะ ไอออนของโลหะที่ละลายออกมาในกรณีของเหล็กกล้าไร้สนิมซึ่งเป็นได้ทั้งเหล็ก (iron, Fe) โครเมียม (chromium, Cr) และนิกเกิล (nickel, Ni) จะเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องในบริเวณดังกล่าว และกรดที่ได้จากปฏิกิริยาจะส่งผลให้เกิดการกัดกร่อนเกิดรุนแรงต่อเนื่องมากยิ่งขึ้น
บทความวิจัยโดยสุธา สุทธิเรืองวงศ์ ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์บูรพา ปีที่ 11 ฉบับที่ 2 กรกฎาคม-ธันวาคม 2549 หน้า 89-93 อ่านบทความฉบับเต็ม Click
Beautiful Quietness: เงียบแต่ไม่เหงา! ดินแดนแห่งการอ่านและพื้นที่ทางความคิด โลกของนักอ่านและพรมแดนแห่งความรู้ การอ่านสะท้อนความคิด ความคิดสะท้อนตัวตน ตัวตนสะท้อนจิตวิญญาณ pruetsara.wixsite.com