ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------

ĐỖ THỊ MỸ HẠNH

ĐÁNH GIÁ VÀ DỰ ĐOÁN TỐC ĐỘ ĂN MÕN ĐƢỜNG
ỐNG DẪN DẦU VÀ KHÍ BẰNG PHƢƠNG PHÁP
MƠ PHỎNG
Chun ngành : Kỹ thuật Hóa dầu
Mã số

: 60 52 03 30

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, 2017


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. HUỲNH QUYỀN
Chữ ký: .................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. TRẦN VĂN MẪN
Chữ ký: .................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. NGUYỄN THÀNH DUY QUANG
Chữ ký: .................................................................................................
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp.HCM ngày 10 tháng 01 năm 2017.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch: GS.TSKH. Lƣu Cẩm Lộc
2. Phản biện 1: TS. Trần Văn Mẫn
3. Phản biện 2: TS. Nguyễn Thành Duy Quang
4. Ủy viên: TS. Lê Thị Kim Phụng
5. Ủy viên, thƣ ký: TS. Phạm Hồ Mỹ Phƣơng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trƣởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA

GS.TSKH. Lƣu Cẩm Lộc

GS.TS. Phan Thanh Sơn Nam


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Đỗ Thị Mỹ Hạnh
MSHV: 7140806
Ngày, tháng, năm sinh: 25/05/1984
Nơi sinh: Tây Ninh
Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa dầu
Mã số: 60 52 03 30

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Đánh giá và dự đoán tốc độ ăn mịn đƣờng ống dẫn dầu và khí bằng phƣơng
pháp mô phỏng.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
- Tổng quan cơ sở khoa học về cơ chế ăn mòn bên trong cho đƣờng ống dẫn
dầu khí, các mơ hình lý thuyết: Mơ hình tốn học, Mơ hình thực nghiệm và
Mơ hình bán thực nghiệm trong việc đánh giá/dự đốn tốc độ ăn mịn cho
đƣờng ống dẫn dầu khí.
- Xây dựng Hàm tốn tính tốc độ ăn mịn dựa trên mơ hình De Waard và
Milliams - Mơ hình bán thực nghiệm cho việc đánh giá độ ăn mịn do khí
carbon dioxide và các yếu tố ảnh hƣởng khác có trong lƣu chất đến tốc độ ăn
mòn;
- Giới thiệu phần mềm ECE 5.1.1, ngun lý tính tốn và ứng dụng của phần
mềm;
- So sánh phân tích tốc độ ăn mịn bằng Hàm tốn tính tốc độ ăn mịn dựa trên
mơ hình De Waard, Lotz và Milliams với phần mềm Mô phỏng ECE và kết
quả đo đạc/ kiểm tra đƣờng ống.
- Phân tích Hàm tốn đánh giá tốc độ ăn mịn nhƣ là một cơng cụ dự báo tốc
độ ăn mịn đối với ngành cơng nghiệp dầu khí;
- Khuyến nghị đối với ngành cơng nghiệp dầu khí về việc lựa chọn phƣơng
pháp hoặc cơng cụ để dự đốn tốc độ ăn mịn;
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày ký Quyết định giao đề tài): 11/01/2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/12/2016.
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS. Huỳnh Quyền
Tp.HCM, ngày 15 tháng 01 năm 2017
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS. Huỳnh Quyền


ThS. Đào Thị Kim Thoa
TRƢỞNG KHOA
GS.TS. Phan Thanh Sơn Nam


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Huỳnh Quyền, ngƣời đã hƣớng
dẫn và truyền đạt cho em những kiến thức q báu trong suốt q trình hồn thành
khóa học Thạc sĩ cũng nhƣ trong giai đoạn thực hiện luận văn.
Em cũng xin cảm ơn Quý Thầy/Cô thuộc Bộ môn Cơng nghệ Chế biến Dầu
khí, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trƣờng Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh
đã giảng dạy, truyền đạt cho chúng em nhiều kiến thức bổ ích trong suốt khóa học.
Em xin cảm ơn Phịng Đào tạo Sau đại học trƣờng Đại học Bách Khoa đã tạo
điều kiện thuận lợi để em hồn thành khóa học.
Và luôn biết ơn, ghi tâm sự đồng hành của gia đình, sự giúp đỡ, động viên
của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp giúp em vƣợt qua những khó khăn để hồn thành
khóa học này.
Trân trọng./.
Đỗ Thị Mỹ Hạnh

ii


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ăn mịn là một q trình phá hủy vật liệu đƣờng ống thép carbon trong ngành
cơng nghiệp dầu khí do vận chuyển lƣu chất có tính ăn mịn nhƣ chứa CO2, H2S,
nƣớc, hydrocarbon…. Tốc độ phá hủy vật liệu cao do cơ chế ăn mịn vơ cùng phức
tạp có thể tạo mối nguy hiểm cho nền cơng nghiệp dầu khí, các giếng khai thác dầu
khí và các đƣờng ống nơi mà vật liệu địi hỏi có tính tồn vẹn cao, u cầu sự dự
đốn tốc độ ăn mịn chính xác và hiệu quả sử dụng lâu dài là mối quan tâm chính.
Mục tiêu chính của luận văn này là thiết lập Bảng tính dự đốn tốc độ ăn mịn
CO2 (mm/năm) cho các thông số hoạt động của đƣờng ống bằng việc sử dụng Mơ
hình bán thực nghiệm để cung cấp sự đánh giá chính xác về tốc độ ăn mịn. Bảng
tính đƣợc thiết lập dựa trên Mơ hình bán thực nghiệm De Waard, Lotz và Milliams
(1995). Sau đó, nghiên cứu này tập trung vào tính tốc độ ăn mịn cho đƣờng ống
NCSP, đƣờng ống dài nhất Đông Nam Á, nằm phía Đơng nam thành phố Vũng Tàu,
với dữ liệu hoạt động và dữ liệu kiểm tra từ 2012 tới cuối 2015. Kết quả tính tốc độ
ăn mịn này sẽ đƣợc so sánh với phần mềm thƣơng mại ECE 5.1.1 và sau đó so sánh
với kết quả kiểm tra thực tế của đƣờng ống.
Q trình thiết lập Bảng tính dựa trên Mơ hình ăn mịn bán thực nghiệm bao
gồm việc thiết lập các cơ sở dữ liệu nghiên cứu, phân tích các ảnh hƣởng của các
thông số đầu vào từ nhiều nguồn khác nhau, phân tích thành phần ảnh hƣởng chính
tới tốc độ ăn mịn để thiết lập bảng tính phù hợp nhất. Bảng tính đánh giá tốc độ ăn
mịn đƣợc thiết lập dựa trên các dữ liệu nhƣ: nhiệt độ, áp suất, lớp phim bảo vệ bề
mặt, độ pH, H2S, sự ngƣng tụ và hóa phẩm chống ăn mịn.
Luận văn đã từng bƣớc xây dựng đƣợc phƣơng pháp tính tốn tốc độ ăn mịn
CO2, nhằm xây dựng phƣơng pháp tính tốn dự đốn chính xác tốc độ ăn mịn của
đƣờng ống dẫn dầu khí, tăng cƣờng hiệu quả kinh tế và đặc biệt là an tồn sử dụng
trong cơng nghệ khai thác và chế biến dầu mỏ. Kết quả tính tốn Bảng Tính thiết
lập theo Mơ hinh bán thực nghiệm De Waard, Lotz và Milliams (1995) cho kết quả
iii



Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

hồn tồn có thể chấp nhận đƣợc nếu dựa trên kết quả của Phần mềm ECE 5.1.1
nhƣ các công ty đang sử dụng hiện nay. Tuy nhiên kết quả phần mềm ECE 5.1.1 và
Bảng tính có sự sai lệch ổn định (hệ số an toàn = 4). Do vậy, kết quả của Bảng tính
chỉ có thể áp dụng cho cơng tác thiết kế và có thể tính tốn sau đó nhân với hệ số ở
trên.

iv


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

ABSTRACT
Corrosion is a destructive process which can be encountered in the oil and
gas industry when carbon steel pipelines transports fluids which contain CO2, H2S,
water and hydrocarbons are corrosive. The high degradation rates attributed to this
mechanism can create increased challenges to project economy and operation
(plalform, pipeline) where material integrity, accurate corrosion rate prediction and
long term performance are key concerns.
The main objective of this thesis was to be able to establish the Calculation
Sheet to predict the carbon dioxide corrosion rate (mm/year) given a set of unique
operating conditions and parameters using an semi-empirical corrosion model . An
semi-empirical corrosion model is De Waard, Lotz and Milliams (1995) model is
developed for the facility to provide accurate assessment of degradation rate. The

prediction tool is subsequently compared to commercially available CO2 corrosion
models - ECE 5.1.1

sofware and after compared with using inspection data.

Afterthat, this research focuses on corrosion rate calculation for NCSP pipeline, the
longest pipeline in Southeast Asia, located southeast Vung Tau city, with operating
process data and inspection data reportedly from 2012 to end of 2015.
The Calculation Sheet design process for this semi-empirical corrosion model
included the compilation of a comprehensive semi-empirical database from a range
of sources, a principal component analysis of selected input parameters, outlier
detection and an iterative approach to creating the most appropriate calculation
sheet. Corrosion rates are predicted based on the input data such as temperature, pH
value, Flow velocity effect, H2S, the formation of protective scale on the steel
surface, inhibitor effectiveness of corrosion inhibition.
The thesis has gradually built up to establish Calculation Sheet for CO2 corrosion,
to accurately predict the corrosion rate of oil and gas pipelines, enhance economic
efficiency and especially safety technology and prevent unplanned production
v


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

outages. Calculation results which set up the semi-empirical model De Waard, Lotz
and Milliams can be acceptable if this result compared with the ECE 5.1.1 software
results. However, the results of ECE 5.1.1 software and Calculation sheet have
stable deviation (the safety factor = 4). Therefore, the results of Calculation sheets
can only apply for the design stage and then calculation result is multiplied by the

safety factor above.

vi


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam kết luận văn này đƣợc hoàn thành dựa trên các kết quả nghiên
cứu của tôi và các kết quả của nghiên cứu này chƣa đƣợc dùng cho bất cứ luận văn
cùng cấp nào khác.

Tp.HCM, ngày 15 tháng 01 năm 2017.

Đỗ Thị Mỹ Hạnh

vii


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ........................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................ iii
ABSTRACT ............................................................................................................... v

LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... vii
MỤC LỤC ............................................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ xii
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ xiii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................... xv
Chƣơng 1: LỜI MỞ ĐẦU .......................................................................................... 1
Chƣơng 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĂN MÕN VÀ XÂY DỰNG
CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ VẤN ĐỀ ĂN MÕN ĐƢỜNG ỐNG DẪN DẦU KHÍ ..... 4
2.1. Cơ sở khoa học và các yếu tố ảnh hƣởng đến ăn mịn trong đƣờng ống dẫn
dầu khí - ăn mịn do CO2 có trong lƣu chất ............................................................ 4
2.1.1. Cơ chế ăn mịn đện hóa do CO2 trong đƣờng ống dẫn dầu và khí ........... 5
2.1.2. Ảnh hƣởng của áp suất riêng phần CO2 ................................................... 8
2.1.3. Ảnh hƣởng của H2S đến ăn mòn ............................................................ 10
2.1.4. Ảnh hƣởng của nƣớc tự do ..................................................................... 10
2.1.5. Ảnh hƣởng pH ........................................................................................ 12
2.1.6. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ......................................................................... 12
2.1.7. Ảnh hƣởng hợp chất hữu cơ (HAc) ........................................................ 14
viii


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

2.1.8. Ảnh hƣởng của O2 tới tốc độ ăn mòn ..................................................... 16
2.1.9. Ảnh hƣởng của tốc độ dòng chảy ........................................................... 16
2.1.10. Ảnh hƣởng cấu tạo và tính chất của hợp kim thép ............................... 19
2.3. Nghiên cứu và đánh giá các mơ hình lý thuyết để tính tốn, dự báo đánh giá
tốc độ ăn mịn CO2 ............................................................................................... 20
2.3.1.Các mơ hình lý thuyết để tính tốn tốc độ ăn mịn CO2 .......................... 20

2.3.2. Mơ hình lý thuyết tốn học (Mechanism model) ................................... 21
2.3.3. Mơ hình thực nghiệm (Empirical Model) .............................................. 22
2.3.4. Mơ hình bán thực nghiệm De Waard & Milliams (Semi - Empirical
Model) .............................................................................................................. 22
2.3.5. Đánh giá, lựa chọn mơ hình lý thuyết để tính tốn tốc độ ăn mịn......... 24
Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HÀM TỐN DỰ ĐỐN TỐC ĐỘ ĂN
MỊN ......................................................................................................................... 26
3.1. Xây dựng hàm tốn dự đốn tốc độ ăn mịn trên mơ hình De Waard-95 ..... 26
3.1.1. Ảnh hƣởng của áp suất tổng ................................................................... 27
3.1.2. Ảnh hƣởng của lớp phim bảo vệ trên bề mặt thép ................................. 28
3.1.3. Ảnh hƣởng của pH ................................................................................. 28
3.1.4. Ảnh hƣởng của H2S ................................................................................ 30
3.1.5 Ảnh hƣởng của sự ngƣng tụ .................................................................... 30
3.1.6 Ảnh hƣởng của chất ức chế chống ăn mịn (hóa phẩm chống ăn mòn) .. 31
3.1.6. Ảnh hƣởng của glycol ............................................................................ 31
3.1.7. Tính tốc độ ăn mịn ................................................................................. 31
3.2. Sơ đồ thuật tốn dự đốn tốc độ ăn mịn ....................................................... 32

ix


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

Chƣơng 4: KHẢO SÁT HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM MƠ PHỎNG ECE 5.1.1
TÍNH TỐC ĐỘ ĂN MÕN ........................................................................................ 35
4.1. Giới thiệu phần mềm ECE............................................................................. 35
4.2. Ngun lý tính tốn tốc độ ăn mịn đƣờng ống bằng phần mềm ECE 5.1.1 . 36
4.3. Ứng dụng phần mềm ECE để mô phỏng và khảo sát tốc độ ăn mòn ............ 38

4.4. Các bƣớc thực hiện tính tốc độ ăn mịn phần mềm ECE .............................. 39
Chƣơng 5: THỰC NGHIỆM TÍNH TỐC ĐỘ ĂN MÕN TRÊN CƠ SỞ DỮ LIỆU 41
5.1. Thu thập dữ liệu liên quan đến ăn mịn của đƣờng ống Nam Cơn Sơn ........ 41
5.1.1. Giới thiệu đƣờng ống NCSP................................................................... 41
5.1.2. Công nghệ giàn đƣờng ống NCSP ......................................................... 42
5.2. Xây dựng cơ sở dữ liệu mô tả ảnh hƣởng các yếu tố gây ăn mịn đến đƣờng
ống NCSP ............................................................................................................. 44
5.2.1. Thành phần khí ....................................................................................... 44
5.2.2. Hàm lƣợng nƣớc ..................................................................................... 45
5.2.3. Nhiệt độ và áp suất vận hành .................................................................. 46
5.2.4. Lƣu lƣợng khí và tốc độ dòng chảy ........................................................ 46
5.2.5. Chất ức chế chống ăn mòn ..................................................................... 49
5.2.6. Dữ liệu kiểm tra đƣờng ống ................................................................... 49
5.3. Thực hiện Hàm tốn tính tốc độ ăn mịn trên số liệu đƣờng ống NCSP ....... 50
5.4. Thực hiện chạy Mơ hình ECE 5.1.1 trên số liệu đƣờng ống NCSP .............. 51
5.5. So sánh, đánh giá, thảo luận kết quả hàm tính, phần mềm ECE với kết quả đo
đạc thực tế ............................................................................................................. 52
5.6. Đánh giá khả năng ứng dụng kết quả nghiên cứu ......................................... 58
Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 60
x


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

6.1. Kết luận ......................................................................................................... 60
6.2. Kiến nghị ....................................................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 62
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 66

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ...................................................................................... 67

xi


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ăn mòn trong môi trường lưu chất chứa
CO2 [21,22] ................................................................................................................. 7
Bảng 2.2. Tốc độ ăn mòn được chi phối bởi tỉ lệ nồng độ của CO2 và H2S ............ 10
Bảng 2.3. Các phản ứng hố học chính xảy ra đường ống có khí CO2 và H2O ...... 11
Bảng 2.4. So sánh các mơ hình dự đốn tốc độ ăn mịn CO2/H2S ........................... 25
Bảng 5.1. Thơng số kỹ thuật đường ống dẫn khí NCSP [35,36] ............................ 43
Bảng 5.2. Hàm lượng CO2, O2 và H2S ..................................................................... 45
Bảng 5.3. Nhiệt độ và áp suất vận hành đầu vào trong các năm 2012-2015 .......... 46
Bảng 5.4. Dữ liệu lưu lượng khí và condesate, tốc độ dịng chảy được thu từ năm
2012 đến năm 2015 .................................................................................................. 47
Bảng 5.5. Tóm tắt dữ liệu đo đạc lưu lượng khí và condesate, tốc độ dòng lưu chất
.................................................................................................................................. 49
Bảng 5.6. Kết quả đo đạc tốc độ ăn mòn thực tế từ năm 2012 đến năm 2015 của
đường ống NCSP (nguồn: từ PVGas) ...................................................................... 50
Bảng 5.7. Sự biến đổi tốc độ ăn mòn từ năm 2012 đến năm 2015 (mm/năm) ......... 50
Bảng 5.8. Sự biến đổi tốc độ ăn mòn theo thời gian (từ năm 2012 đến cuối năm
2015) bằng phần mềm ECE ...................................................................................... 51
Bảng 5.9. So sánh phƣơng trình tính tốc độ ăn mịn của 2 phƣơng pháp Bảng tính
và Phần mềm ECE .................................................................................................... 57


xii


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Cơ chế ăn mịn điện hóa học trên bề mặt đường ống ................................ 4
Hình 2.2. Các dạng hình thái của mẫu vật ăn mòn dưới giá trị áp suất riêng phần
(pCO2) khác nhau: (a) 0,3 MPa (trước khi tẩy rỉ sét); (b) 0.3 MPa (sau khi loại bỏ
rỉ sét); (c) 0,5 MPa (trước khi tẩy rỉ sét); (d) 0,5 MPa (sau khi loại bỏ rỉ sét) ......... 8
Hình 2.3. Ảnh hưởng của pCO2 lên tốc độ ăn mòn ................................................... 9
Hình 2.4. Ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ ăn mịn. .................................................. 13
Hình 2.5. Tốc độ ăn mịn như 1 hàm của nồng độ của HAc tại điều kiện thí nghiệm
pH=4, T=22oC, 1 bar CO2 [8].................................................................................. 14
Hình 2.6. Ảnh hưởng của nồng độ HAc đến tốc độ ăn mòn .................................... 15
Hình 2.7. Dịng chảy của chất lỏng và khí bên trong đường ống ............................ 17
Hình 2.8. Các dạng hình thái của mẫu vật bị ăn mòn ở các vận tốc khác nhau: (a) 1
m/s (trước khi tẩy rỉ sét); (b) 1m/s (sau khi loại bỏ rỉ sét); (c) 1,5 m/s (trước khi tẩy
rỉ sét); (d) 1,5 m/s (sau khi loại bỏ gỉ). ..................................................................... 18
Hình 2.9. Ảnh hưởng của vận tốc lưu chất đến tốc độ ăn mịn ............................... 18
Hình 2.10. Các kiểu dự đốn/đánh giá tốc độ ăn mịn do CO2 ............................... 21
Hình 2.11. Dự đốn tốc độ ăn mịn từ Mơ hình de Waard, Lotz và Dugstad (1995)
cho dãy nhiệt độ 20-140 °C và áp suất riêng phần của CO2: 0,1-3 bar, [20] ......... 24
Hình 3.1. Sơ đồ quy trình dự đốn tốc độ ăn mịn theo mơ hình De Waard, Lotz và
Milliams 1995 ........................................................................................................... 34
Hình 4.1. Giao diện dự đốn tốc độ ăn mịn bằng phần mềm ECE 5.1.1 ............... 35
Hình 4.2. Mơ hình đánh giá các mối nguy hiểm khi sử dụng vật liệu thép bằng phần
mềm ECE 5.1.1 ......................................................................................................... 39

Hình 4.3. Sơ đồ khối mơ hình ECE .......................................................................... 40
xiii


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

Hình 5.1. Tuyến đường ống NCSP........................................................................... 41
Hình 5.2. Sơ đồ cơng nghệ giàn NCSP .................................................................... 42
Hình 5.3. Đồ thị biểu diễn tốc độ ăn mịn so sánh bảng tính với kết quả đo đạc thực
tế ............................................................................................................................... 52
Hình 5.4. Kết quả so sánh phần mềm ECE với kết quả đo đạc thực tế ................... 53
Hình 5.5. Đồ thị tổng hợp kết quả so sánh Bảng tính, phần mềm ECE và kết quả đo
đạc thực tế ................................................................................................................ 53
Hình 5.6. Hệ ăn mịn do hình thành pin gavanic trên bề mặt kim loại ................... 55
Hình 5.7. So sánh tốc độ ăn mịn bằng bảng tính và phần mềm ECE ..................... 56

xiv


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ppm

Phần triệu (Part per million)


Vcorr

Tốc độ ăn mòn, mm/năm

D

Đƣờng kính ống, mm

CO2

Carbon dioxide

OH-

Ion hydroxit

P

Áp suất tổng hệ thống

QG

Lƣu lƣợng thể tích của khí (MSm3/d)

QL

Lƣu lƣợng thể tích của chất lỏng (Sm3/d)

pCO2


CO2 áp suất riêng phần trong MPa

d

Tỷ trọng (kg/m3)

V

Vận tốc chất lỏng (m/s)

Ti

Nhiệt độ đầu vào, ºC

TL

Nhiệt độ ở khoảng cách L dọc đƣờng ống, ºC

T

Đƣờng ống dẫn nhiệt độ xung quanh, ºC

psi

Pound per square inch (kg/cm2)

lb/mmscf

Pound trên Triệu feed khối (Pounds per million standard
cubic feet)


mmscfd

Triệu feed khối trên ngày (Million standard cubic feet of
gas per day)

API

Tỷ trong của dầu ở điểu kiện xác định (American
Petroleum Institute)

ECE

Phần mềm dự đốn tốc độ ăn mịn (Electronic Corrosion
Engineer)
xv


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

CR

Tốc độ ăn mòn (mm/năm)

HAc

Axit acetic


IFE

Tổ chức IFE (Institutt For Energiteknikk)

NCSP

Đƣờng ống Nam Côn Sơn (Nam Con Son Pipeline)

LAT

Mực nƣớc thủy triều thiên văn thấp nhất (Lowest
Astronomical Tide)

LPR

Phƣơng pháp đo bằng điện trở phân cực tuyến tính
(Linear Polarization Resistance)

GC

Phƣơng pháp sắc ký khí (Gas Chromatography)

WL

Phƣơng pháp đo trọng lƣợng (Weigh loss)

xvi


Luận văn thạc sĩ


HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

Chƣơng 1: LỜI MỞ ĐẦU
Nhƣ chúng ta biết, bảo vệ kim loại khỏi ăn mịn có ý nghĩa rất quan trong đối
với nền kinh tế quốc dân. Trong cơng nghiệp dầu khí cũng vậy, việc bảo vệ ăn mịn
ln có ý nghĩa quan trọng. Trong tất cả các khâu từ thăm dò, khai thác tới vận
chuyển xử lý, chế biến dầu khí, các thiết bị chuyên dụng thƣờng phải tiếp xúc trực
tiếp với mơi trƣờng ăn mịn. Trong khai thác và vận chuyển dầu khí từ ngồi khơi,
đƣờng ống ngầm dƣới biển đóng một vai trò quan trọng trong việc vận chuyển và
phân phối sản phẩm dầu khí tới các khu cơng nghiệp, là "huyết mạch" cho sự phát
triển của công nghiệp dầu khí. Tuy nhiên, ăn mịn bên trong đƣờng ống dẫn dầu khí
là một mối nguy hiểm lớn, tiềm ẩn, đe dọa đến sự hoạt động ở điều kiện vận hành
bình thƣờng của đƣờng ống dƣới biển. Theo ƣớc tính, chỉ riêng ở Mỹ, tổng chi phí
hàng năm của tồn ngành dầu khí cho bảo dƣỡng và chống ăn mịn là 1,4 tỷ đơ la là
do khí carbon dioxide và hydrogen sulphide trong sự hiện diện của nƣớc gây ra
phần lớn tất cả các vấn đề ăn mòn [1]. Trong thực tế, ngƣời ta đã ƣớc tính rằng 33%
trong số các hƣ hại trong ngành cơng nghiệp dầu khí là do bị ăn mòn, và trong số
này, một phần ba là do ăn mịn carbon dioxide (CO2) có trong lƣu chất [2].
Ăn mòn bên trong ống phụ thuộc trực tiếp vào thành phần lƣu chất trong ống
có tính xâm thực cao hay thấp. Vận tốc và nhiệt độ dòng lƣu chất cũng có ảnh
hƣởng trực tiếp đến tốc độ ăn mịn, ngoài ra các hợp chất lắng đọng tạo nên các hiện
tƣợng gỉ sét trong ống tạo điều kiện cho sự phát triển của q trình ăn mịn cục bộ.
Trong ngành cơng nghiệp dầu mỏ và khí đốt, thép carbon đƣợc sử dụng rộng rãi để
vận chuyển và phân phối sản phẩm dầu khí nhƣ là vật liệu mang lại hiệu quả kinh tế
cao. Tuy nhiên, vật liệu thép carbon là rất dễ bị ăn mòn bên trong ống do sự hiện
diện của lƣu chất có tính ăn mịn, đặc biệt khi hàm lƣợng CO2 và H2S cao gây ăn
mòn bên trong và làm giảm tuổi thọ thiết kế của đƣờng ống.
Cơ chế ăn mịn ống thép cacbon trong mơi trƣờng chứa CO2 và H2S đã đƣợc
nghiên cứu và tranh luận trong nhiều thập kỷ. Hàng trăm bài báo liên quan đến ăn

1


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

mịn do khí CO2 có trong lƣu chất đã đƣợc cơng bố, với tốc độ ăn mòn và bộ cơ chế
khác nhau. Sự ảnh hƣởng của pH, H2S, nhiệt độ, sự hình thành lớp phim FeCO3, áp
suất riêng phần và các axit hữu cơ…đã đƣợc xác định và ảnh hƣởng của các thông
số khác nhau đã đƣợc nghiên cứu. Do đó, ăn mịn thép carbon là một bộ cơ chế ăn
mòn phức tạp do số lƣợng lớn các thông số ảnh hƣởng đến tốc độ ăn mòn [3] và tốc
độ ăn mòn thực tế trong bất kỳ môi trƣờng nhất định đã đƣợc chứng minh khó dự
đốn.
Việc kiểm tra, kiểm sốt để ngăn chặn sự ăn mòn bên trong đƣờng ống cũng
đã đƣợc tiến hành trong nhiều thập kỷ qua nhƣ: sử dụng kỹ thuật sóng siêu âm đo
độ dày vật liệu khi phóng pig đi bên trong ống, gắn đầu dị bên trong ống kiểm tra
độ ăn mịn.... Tuy nhiên, khơng thể ngăn chặn các vụ việc nêu trên vì rất khó để xác
định và sửa chữa đƣờng ống nếu lƣu chất có tính ăn mịn cao. Ăn mịn cục bộ có thể
dẫn đến rò rỉ đƣờng ống do thiếu khả năng dự báo. Do đó, điều quan trọng là xây
dựng một mơ hình tốn học để dự đốn tốc độ ăn mòn và xác định một giới hạn độ
dầy cho vật liệu thép cacbon trong việc thiết kế/sử dụng/kiểm tra các đƣờng ống
thép.
Có rất nhiều Mơ hình lý thuyết đƣợc xây dựng thành cơng để dự đốn tốc độ
ăn mịn do sự hiện diện của khí carbon dioxide (CO2) cho ngành cơng nghiệp dầu
khí [4]. Các mơ hình này đƣợc phân loại nhƣ sau: Mơ hình tốn học (dựa trên cơ
chế ăn mịn lý thuyết), Mơ hình thực nghiệm (lấy mối quan hệ trực tiếp từ dữ liệu
thực nghiệm) và Mô hình bán thực nghiệm (kết hợp của Mơ hình tốn học và Mơ
hình thực nghiệm). Các mơ hình này giải thích cơ sở lý thuyết và bộ cơ chế phức
tạp khác nhau trong việc đánh giá ăn mòn do CO2.

Trong các loại mơ hình trên, Mơ hình lý thuyết bán thực nghiệm có thể dự
đốn tốc độ ăn mịn (mm/năm) dựa trên dữ liệu đầu vào thông tin thu đƣợc từ thiết
kế hoặc từ vận hành, mơ hình này tính tốc độ ăn mòn trong trƣờng hợp “xấu nhất”.
Cũng nhƣ trên thế giới, cơng tác dự báo, tính tốn tốc độ ăn mịn trong q
trình thiết kế các cơng trình dầu khí của Việt Nam là một vấn đề rất quan trọng.
2


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

Phần lớn các phƣơng pháp tính tốn ăn mịn trong các cơng trình tại Việt nam đều
dựa vào các phần mềm bản quyền nƣớc ngồi, chi phí cao. Do vậy để từng bƣớc
tiếp cận làm chủ đƣợc phƣơng pháp tính tốn và áp dụng cụ thể cho đặc thù từng
cơng trình mà phần mềm mơ phỏng hiện nay chƣa có thể thực hiện đƣợc, đề tài
nghiên cứu sẽ hƣớng đến mục tiêu thử nghiệm xây dựng các bƣớc tính tốn tốc độ
ăn mịn trên hệ thống đƣờng ống dầu khí, kiểm chứng bằng phần mềm và số liệu
thực tế của cơng trình từ đó rút ra những kinh nghiệm cơ bản và có thể ứng dụng
vào thực tế thiết kế các cơng trình.
Đề tài này tập trung vào các mục tiêu sau:
 Cơ chế ăn mòn bên trong và các yếu tố ảnh hƣởng đến sự ăn mịn
cho đƣờng ống dẫn dầu khí.
Tổng
Quan

 Mơ hình De Waard, Lotz và Milliams - Mơ hình bán thực nghiệm
trong việc đánh giá/dự đoán tốc độ ăn mịn cho đƣờng ống dẫn
dầu.


Thiết kế

 Xây dựng hàm tốn đánh giá tốc độ ăn mịn dựa trên mơ hình De
Waard, Lotz và Milliams (1995) - Mơ hình bán thực nghiệm.

Áp
Dụng

 Tính tốc độ ăn mịn cho Đƣờng ống NCSP bằng các phƣơng pháp
sau:
 Hàm tốn tính tốc độ ăn mịn và
 Phần mềm Mơ phỏng ECE 5.1.1.

Đánh
giá

 So sánh phân tích tốc độ ăn mịn bằng Hàm tốn đánh giá tốc độ ăn
mịn dựa trên mơ hình De Waard, Lotz và Milliams (1995) với
phần mềm Mô phỏng ECE 5.1.1 và kết quả kiểm tra đƣờng ống.
 Phân tích Hàm tốn tính tốc độ ăn mịn nhƣ là một cơng cụ dự báo
tốc độ ăn mịn đối với ngành cơng nghiệp dầu khí.


 Khuyến nghị đối với ngành cơng nghiệp dầu khí về việc lựa
3 cơng cụ để dự đốn tỷ lệ ăn mòn
chọn phƣơng pháp hoặc





Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

Chƣơng 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĂN MÕN VÀ
XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ VẤN ĐỀ ĂN MÕN
ĐƢỜNG ỐNG DẪN DẦU KHÍ
2.1. Cơ sở khoa học và các yếu tố ảnh hƣởng đến ăn mịn trong đƣờng ống dẫn
dầu khí - ăn mịn do CO2 có trong lƣu chất
Ăn mịn kim loại trong khai thác/vận chuyển dầu khí chủ yếu xảy ra theo cơ
chế điện hóa. Đây là sự phá hủy tự diễn biến của kim loại hoặc hợp kim do tƣơng
tác điện hóa với mơi trƣờng điện ly xung quanh. Ngun nhân chủ yếu gây ăn mịn
điện hóa là do sự không bền vững nhiệt động học của kim loại trong mơi trƣờng ăn
mịn. Khi bị ăn mịn, kim loại sẽ chuyển sang trạng thái oxít hoặc muối (ion) bền
vững nhiệt động hơn.
Trên bề mặt kim loại tồn tại các vùng anot và vùng catot (nhƣ Hình 2.1) là do
sự chênh lệch về thế trên bề mặt giới hạn pha. Có rất nhiều lí do để giải thích sự
chênh lệch thế này, ví dụ: do có mặt phụ gia hợp kim, do sự lệch mạng các tinh thể
kim loại, sự hiện diện của carbon dioxide (CO2), H2S v.v.

Hình 2.1. Cơ chế ăn mịn điện hóa học trên bề mặt đường ống
4


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

Cơ chế tổng quát:
Fe  2H   Fe 2   H 2


(2.1)

Trên bề mặt giới hạn pha, tại vùng catot cũng nhƣ anot bao gồm rất nhiều
giai đoạn, song giai đoạn nào chậm nhất sẽ khống chế động học của toàn bộ quá
trình. Tuỳ thuộc vào độ phân cực của điện cực sẽ quyết định giai đoạn khống chế
động học.
2.1.1. Cơ chế ăn mịn đện hóa do CO2 trong đường ống dẫn dầu và khí
Ăn mịn CO2 xảy ra rất phổ biến trong ngành cơng nghiệp dầu khí, vì thế để
giải thích q trình ăn mịn điện hố trong đƣờng ống dẫn dầu và khí, các nghiên
cứu chỉ tập trung vào cơ chế ăn mịn kim loại với sự có mặt của CO 2 có trong dịng
lƣu chất [5, 6]. Mặc dù cũng có nhiều nghiên cứu trong việc làm rõ cơ chế ăn mòn
của CO2/H2S, tuy nhiên ngƣời ta vẫn chƣa biết đƣợc cơ chế chính xác và khơng thể
dự đốn đƣợc động học về sự hình thành các sunfua sắt [12,13, 24]. Vì thế, cơ chế
động học ăn mịn do CO2 đƣợc xem xét và nghiên cứu để đƣa ra Động học phù hợp,
từ đó xem xét và làm sáng tỏ cơ chế ăn mòn CO2 trong sự hiện diện lƣợng vết H2S.
Ăn mịn thép carbon với sự có mặt của CO2 là một q trình điện hóa liên
quan đến việc giải phóng sắt ở anode và hình thành hydro ở catốt. Sự xem xét động
học tập trung vào mơ hình tốn học cơ bản do sự hiện diện chính của CO2 trong lƣu
chất khí và dầu ẩm và có xem xét đến các yếu tố khác nhƣ: vận tốc dòng chảy, chế
độ dòng chảy đa pha, nhiệt độ, áp suất, pH, hàm lƣợng acid hữu cơ, H2S vv. Phản
ứng tổng thể là:
Fe  CO 2  H 2 O  FeCO3  H 2

(2.2)

Phản ứng điện hóa trên thƣờng đi kèm với sự hình thành cặn nhƣ FeCO3 (và /
hoặc Fe3O4 đặc biệt ở nhiệt độ cao), tùy thuộc vào các điều kiện phản ứng mà theo
đó hàm lƣợng muối kết tủa trên bề mặt thép đƣợc tạo thành. Sự hình thành lƣợng
muối kết tủa có thể ngăn chặn q trình ăn mịn tiếp diễn, tuy nhiên lớp bảo vệ này

dễ bị xói mịn, nếu tốc độ xói mòn thấp, thép sẽ tạo ra lớp carbonate khác để thay
5


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

thế. Tuy nhiên khi vận tốc xói mịn cao, lớp carbonate thay thế khơng hình thành
kịp thời, q trình ăn mịn xảy ra.
Vùng anot xảy ra q trình oxi hố tức là kim loại bị hoà tan:
Fe  Fe 2  2e 

(2.3)

Các electron dƣ ở vùng anot đƣợc dịch chuyển đến vùng catot trên bề mặt
kim loại và tại đó xảy ra các phản ứng kèm theo:
2H   2e  H 2
2H 2 CO3  2e   H 2  2HCO3

(2.4)
(2.5)

Bƣớc xác định cơ chế động học tại cực âm - catốt đã đƣợc tranh luận trong
nhiều năm qua. Năm 1974, Schwenk đề xuất rằng CO2 chỉ đơn giản là hịa tan trong
nƣớc và giải phóng hydro tại vùng catốt. Nhƣng sau đó vào năm 1975, De Waard và
Milliams đề xuất rằng các ion HCO3- đã hình thành trên bề mặt thép, đó là nguồn
gốc của các phản ứng catot [5].
Mặc dù cơ chế ăn mịn điện hóa học đã đƣợc nghiên cứu hơn hai thập kỷ,
nhƣng các nhà khoa học vẫn chƣa biết đƣợc trong hai phản ứng (2.4) và (2.5), phản

ứng nào thực sự chiếm ƣu thế trên bề mặt kim loại [5, 6, 7].
Crolet et al (năm 1999) đã đƣa ra cơ chế ăn mịn điện hóa bao gồm nhiều
bƣớc nhƣ là một hàm của pH để xác định tốc độ ăn mòn [8]. Ở pH <4, sự hình
thành axit cacbonic là phản ứng mang tính rõ nét, trong khi ion HCO3- giảm ở bề
mặt thép là phản ứng đƣợc xác định ở pH> 5. Điều này cho thấy độ pH hoạt động
của tồn hệ thống có thể là một yếu tố quyết định xu hƣớng ăn mòn trong một thời
điểm xác định. Tuy nhiên, tốc độ ăn mịn vẫn chƣa tính tới sự hình thành của lớp
phim trên bề mặt (một yếu tố quan trọng trong việc tính tốn tốc độ ăn mịn và hình
thái bề mặt) và thơng số nhiệt độ.
Vì thế, sự ăn mịn cacbon dioxit là mối quan hệ phức tạp giữa nhiều yếu tố
khác nhau. Sự phức tạp của mối quan hệ này là lý do vì sao đã có nhiều nghiên cứu
đƣợc thực hiện giải thích các cơ chế liên quan, và làm thế nào để dự đoán một cách
6


Luận văn thạc sĩ

HVTH: Đỗ Thị Mỹ Hạnh

chính xác tốc độ ăn mịn trong mơi trƣờng sẵn có. Tuy nhiên, các biến số chính ảnh
hƣởng đến tốc độ ăn mịn của cacbon dioxit là các điều kiện ủng hộ hoặc ức chế sự
tạo thành, phát triển hay phá hủy của lớp phim bảo vệ sắt (II) carbonat. Các điều
kiện này có hay khơng bị ảnh hƣởng bởi sự kết hợp của pH môi trƣờng, nhiệt độ, áp
suất riêng phần của CO2 và tốc độ dòng chảy.... Các thành phần của hợp kim cũng
ảnh hƣởng đến sự bảo vệ ăn mòn của vật liệu.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến tốc độ ăn mịn do CO2 có thể đƣợc sắp xếp thành
ba loại nhƣ sau: ảnh hƣởng của môi trƣờng môi chất, ảnh hƣởng của vật liệu và ảnh
hƣởng của bề mặt phân cách [21]. Các yếu tố ảnh hƣởng đƣợc liệt kê nhƣ Bảng 2.1.
Bảng 2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ăn mịn trong mơi trường lưu chất chứa
CO2 [21,22]

Môi trƣờng môi chất

Vật liệu

Bề mặt phân cách

Áp suất riêng phần
CO2

Hàm lƣợng O2

Thành phần hợp
kim

Nhiệt độ

Giá trị pH

Nồng độ Fe2+

Cấu trúc hợp kim

Tốc độ dịng chảy

Khí chua H2S

Thành phần
muối

Chế độ dòng chảy

đa pha

Hàm lƣợng nƣớc

Hợp chất hữu cơ
(HAc)

Sự thấm ƣớt nƣớc
trên bề mặt ống

Các yếu tố liệt kê trên đều liên kết với nhau và có tác động trực tiếp hoặc
gián tiếp vào cơ chế. Ví dụ, áp suất riêng phần của CO2 trực tiếp ảnh hƣởng đến giá
trị pH của mơi trƣờng, có thể làm thay đổi cơ chế. Tại giá trị pH cao hoặc nhiệt độ
cao hơn, lớp phim sắt cacbonat có khả năng hình thành, bảo vệ bề mặt kim loại và
ảnh hƣởng gián tiếp đến tốc độ ăn mòn [23]. Ảnh hƣởng của các yếu tố quan trọng
lên sự ăn mịn CO2 trong ngành cơng nghiệp dầu khí đƣợc thảo luận ở phần sau.

7