I

Kurzfassung

Multiphasenpumpen werden vor allem in der Erdölförderung eingesetzt. Die Wellen-Naben-Verbindungen von modernen Multiphasenpumpen bestehen in der Regel aus zwei verschiedenen Chrom- Nickel- Stählen. Eine mögliche Kombination ist z.B., dass die Welle und die Spannmutter aus 1.4542 und die Schraubenspindel aus 1.4462 gefertigt werden. Bei dieser Kombination kann im Einsatz Spaltkorrosion auftreten, wodurch die Festigkeit der Welle herabgesetzt wird. Dadurch sind unerwartete Ausfälle und Zerstörungen, auch mit Personenschäden, möglich. Im Rahmen der Arbeit wird untersucht, wie sich verschiedene Erdölanteile im Formationswasser auf die Spaltkorrosion auswirken. Zur Durchführung der Versuche wurde eine Spaltkorrosionsmesszelle entwickelt, in welcher reale Bedingungen nachgestellt werden können. Während der Versuche wurde mit realem Formationswasser und Erdöl jeweils aus der Mittelplate gearbeitet. Die Versuche wurden bei einer Drehzahl von 1480 und Temperaturen von Raumtemperatur bis zu 70°C durchgeführt.

Als Ergebnis dieser Diplomarbeit wird gezeigt, wie Erdöl mit dem realen Formationswasser vermischt und wieder getrennt wird. Dabei wurden die Temperaturen und der Erdölanteil im Elektrolyt variiert. Es wurde untersucht, bei welchem Erdölanteil und bei welchen Temperaturen keine Korrosion mehr auftritt. Die Ergebnisse spiegeln den Erdöleinfluss auf die gemessenen Korrosionsströme im Vergleich zu reinem realen Formationswasser wieder. Außerdem wird gezeigt, welcher der beiden Stähle in dieser Zusammensetzung anodisch in Lösung geht.

II

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung   I

Literaturverzeichnis   III

Abbildungsverzeichnis   V

Abk  ürzungsverzeichnis  VII

1.  Einleitung  1

2.  Theoretische Grundlagen  4

2.1  Korrosion.  4

2.2  Spaltkorrosion  6

2.3  Passivierung  8

2.4  Diffusionsgrenzschichtdicke  8

2.5  Löslichkeit von Erdöl und Formationswasseremulsionen  10

3.  Versuchsdurchführung  14

3.1  Die Werkstoffe  14

3.2  Formationswasser/ Erdöl/ Elektrolyt  15

3.3  Versuchsaufbau  17

3.4  Durchführung der Messreihen  21

4.  Auswertung und Vergleich der Ergebnisse  23

4.1  Vermischung von Erdöl und RFW  23

4.2  Versuche mit 1.4462 und 1.4542 als Mischelektrode  26

4.3  Versuche im ZRA- Betrieb  34

5.  Zusammenfassung und Ausblick  38

Anhang   40

Versuchsübersicht   41

Aufgabenstellung   42

Laborprotokoll  der Wasseranalyse  44

III

Literaturverzeichnis

A. Aloui

Untersuchung des Einflusses von unterschiedlichen Ölen, bei verschiedenen Temperaturen auf den Korrosionsstrom in einem Pumpenspalt Helmut Schmidt Universität, Diplomarbeit 2006

A. Große

Untersuchungen bezüglich der Leitfähigkeit von Multiphasenflüssigkeiten verschiedener Zusammensetzungen im Pumpenspalt einer Schraubenspindelpumpe in Abhängigkeit der Drehzahl Helmut Schmidt Universität, Diplomarbeit 2006

H. Henke

Untersuchung des Spaltkorrosionsverhalten eines rotierenden Bauteils Helmut Schmidt Universität, Diplomarbeit 2009

S. Kabelac

Vorlesungsreihe „Thermodynamik der energiewandelnden Prozesse“ Helmut Schmidt Universität 2009

O. Klein

Errosionskorrosion Teil 1, Powerpointpräsentation Helmut Schmidt Universität 2009

Thomas Nassauer

Schriftliche Ausarbeitung des Experimentalvortrages zum Thema „Korrosion und Korrosionsschutz Philipps-Universität Marburg 1999

G. Pompe

Binäre Phasensysteme

Helmut Schmidt Universität, Studienarbeit 2007

IV

M. Röhnke

Untersuchung des Spaltkorrosionsverhaltenszwischen den Werkstoffen 1.4462 und 1.3974 beim Einsatz in rotierenden Bauteilen Helmut Schmidt Universität, Studienarbeit 2009

J. Sigmund

Löslichkeitsuntersuchungen von Erdöl/ Formationswasseremulsionen Helmut Schmidt Universität, Studienarbeit 2008

DIN EN ISO 8044 (ehemals DIN 50900 Teil 1 )

Korrosion von Metallen und Legierungen - Grundbegriffe und Definitionen Ausgabe: 1999-11

Stahlschlüssel 2006

http://www.artikelpedia.com/artikel/chemie/1/erdl--frderung-vorkommen-60.php März 2010

http://www.bornemann.com/ 23

Februar 2010

http://www.flowserve.com/files/Files/Images/Products/Pumps/fpd-3a_main.jpg Februar 2010

http://www.quiminet.com/archivos_empresa/8d3e927a15ba068a4d79a8e8121df 297.pdf Februar 2010

http://www.schweizer-fn.de/stoff/v2_start_stoff.htm

Stand 08.07.2009

http://www.uni-kiel.de/anorg/bensch/lehre/Dokumente/versuch_k3_emulsionen.pdf Stand 1997

V

Abbildungsverzeichnis

Seite

Abbildung 1-1: ^{MPP im Teilschnitt 1} Abbildung 1-2: ^{Vollschnitt einer zweispindeligen Schraubenpumpe 2} Abbildung 2-1: ^{Funktionsweise elektrochemische Korrosion 4} Abbildung 2-2: ^{Tabelle Korrosionsarten 6} Abbildung 2-3: Belüftungselement 7

Spaltkorrosion an passiven Werkstoffen durch Ausbildung von Kon-8

Abbildung 2-4:

^{zentrationselementen} Abbildung 2-5: ^{Ausbildung der Diffusionsgrenzschicht 9} Abbildung 2-6: ^{Destabilisierungsprozess einer Emulsion 11} Abbildung 2-7: ^{empirisch ermittelter Viskositätsverlauf 12} Abbildung 2-8: ^{Löslichkeitsversuch mit Roherdöl und RFW bei 80°C 13} Abbildung 2-9: Löslichkeitsversuch mit Roherdöl und RFW bei 45°C 13

Gefüge des 1.4542 bei 200 facher Vergrößerung unter einem LM 14

Abbildung 3-1:

(100% Martensit)

Gefüge des 1.4462 bei 500 facher Vergrößerung unter einem LM (50% 14

Abbildung 3-2:

^{Ferrit, 50% Austenit)} Abbildung 3-3: ^{RFW 16} Abbildung 3-4: ^{Utensilien für den Versuchsaufbau 17} Abbildung 3-5: ^{Wasserbrücke 18} Abbildung 3-6: ^{Rotor in zerlegter und zusammen gesetzter Form 20} Abbildung 3-7: ^{Stromabnahme zwischen Rotor und Potentiostaten 20} Abbildung 3-8: Versuchsaufbau 21

70% Ölanteil- RT: von links nach rechts: 0sec, 5 sec, 15 sec, 30 sec, 23

Abbildung 4-1:

45 sec

70% Ölanteil- 40°C: von links nach rechts: 0sec, 5 sec, 15 sec, 30 sec, 23

Abbildung 4-2:

45 sec

70% Ölanteil- 55°C: von links nach rechts: 0sec, 5 sec, 15 sec, 30 sec, 24

Abbildung 4-3:

45 sec

70% Ölanteil- 70°C: von links nach rechts: 0sec, 5 sec, 15 sec, 30 sec, 24

Abbildung 4-4:

45 sec

25% Ölanteil- RT: von links nach rechts: 0sec, 5 sec, 15 sec, 30 sec, 25

Abbildung 4-5:

45 sec

25% Ölanteil- 40°C: von links nach rechts: 0sec, 5 sec, 15 sec, 30 sec, 25

Abbildung 4-6:

45 sec

25% Ölanteil- 55°C: von links nach rechts: 0sec, 5 sec, 15 sec, 30 sec, 25

Abbildung 4-7:

^{45 sec} Abbildung 4-8: 25% Ölanteil- 70°C: von links nach rechts: 0sec, 5 sec, 15 sec, 30 sec, 25

VI

45 sec

Abbildung 4-14: ^{Versuch bei 60% Erdölanteil, 1.4462- Spaltfläche, Vergrößerung: 22,8x 30} Abbildung 4-15: Versuch bei 45% Erdölanteil, 1.4542- Spaltfläche, Vergrößerung: 15,2x 30

Abbildung 4-18: ^{Versuch bei 35% Erdölanteil, 1.4542- Außenfläche, Vergrößerung: 12x 31} Abbildung 4-19: ^{Versuch bei 40% Erdölanteil, 1.4542- Spaltfläche, Vergrößerung: 22,8x 31} Abbildung 4-20: ^{Versuch bei 40% Erdölanteil, 1.4542- Spaltfläche, Vergrößerung: 22,8x 31} Abbildung 4-21: ^{Versuch bei 65% Erdölanteil, 1.4542- Spaltfläche, Vergrößerung: 15,2 32} Abbildung 4-22: ^{Versuch bei 70% Erdölanteil, 1.4542- Spaltfläche, Vergrößerung: 15,2 32} Abbildung 4-23: Stromdichte über Erdölanteil und Temperatur 32

Proben 1.4462 und 1.4542 fotografiert nach Versuch bei 65% Erdölan-33

Abbildung 4-24:

^teil Abbildung 4-25: 1.4542 und 1.4462 im ZRA- Betrieb bei 0% Erdölanteil 35

Versuch bei 0% Erdölanteil im ZRA- Betrieb, 1.4542- Spaltfläche, 35

Abbildung 4-26:

Vergrößerung: 4,8x

Versuch bei 0% Erdölanteil im ZRA- Betrieb, 1.4542- Spaltfläche, 36

Abbildung 4-27:

Vergrößerung: 12x

Versuch bei 0% Erdölanteil im ZRA- Betrieb, 1.4542- Spaltfläche, 36

Abbildung 4-28:

^{Vergrößerung: 22,8x} Abbildung 4-29: 1.4542 und 1.4462 im ZRA- Betrieb bei 70% Erdölanteil 36

Versuch bei 70% Erdölanteil im ZRA- Betrieb, 1.4542- Spaltfläche, 37

Abbildung 4-30:

Vergrößerung: 22,8x

Versuch bei 70% Erdölanteil im ZRA- Betrieb, 1.4542- Spaltfläche, 37

Abbildung 4-31:

Vergrößerung: 22,8x

VII

Abkürzungsverzeichnis

Abkürzung Bedeutung Ag/AgCl- Elektrode Silber/ Silberchlorid- Elektrode

D

F

i

ISSV e.V.

tung LM Lichtmikroskop MPP Multiphasenpumpe POM Polyoxymethylen Ref.- Elektrode Referenzselektrode RFW Reales Formationswasser RT Raumtemperatur O/W- Emulsion Öl- in Wasser- Emulsionen/ engl. oil- in water- emulsion SKMZ Spaltkorrosionsmesszelle W/O- Emulsion Wasser- in Öl- Emulsionen/ engl. water- in oil- emulsion ZRA engl. Zero Resistance Ammeter/ dt. 0 Ohm- Ampere- meter

1

1. Einleitung

Erdöl ist der wichtigste Energieträger im Primärenergieverbrauch in der Bundesrepublik Deutschland. Mit einem Anteil von circa 35% an der Gesamtprimärenergienutzung ist es zurzeit und in mittelbarer Zukunft unersetzbar. ¹ Da die Erdölvorkommen weltweit begrenzt sind und die Anzahl von leichtzugänglichen Quellen immer kleiner wird, ist es wichtig neue Fördermethoden zu entwickeln, um neue schwerer zugängliche Quellen, z.B. in der Tiefsee oder in der Antarktis, zu erschließen. Bei den herkömmlichen Fördermethoden wird das Multiphasengemisch aus Öl, Gas und andern Bestandteilen unter Ausnutzung des vorhandenen Lagerstättendrucks gefördert. Wenn der Druck nicht mehr ausreicht, muss die Quelle geschlossen werden, obwohl sie noch lange nicht erschöpft ist. Deshalb werden nun Multiphasenpumpen (MPP) eingesetzt. Mit Hilfe des Einsatzes von MPP ist es möglich, den vorhanden Lagerstättendruck zu erhöhen, Druckschwankungen auszugleichen, eine gleichbleibende Fördermenge zu garantieren und eine bessere Ausbeute der Hydrokarbonreserven zu erzielen. ² In der Abbildung 1-1 ist eine MPP im Teilschnitt abgebildet.

Da MPP immer häufiger in schwer zugänglichen Regionen, unter klimatisch schwierigen Umweltbedingungen oder in besonders geschützten Regionen eingesetzt wer-

¹ S.Kabelac, Vorlesungsreihe „Thermodynamik der energiewandelnden Prozesse“, Hamburg 2009

² http://www.bornemann.com/ 23. Februar 2010

³ http://www.flowserve.com/files/Files/Images/Products/Pumps/fpd-3a_main.jpg