الفولاذ المقاوم للصدأ لتقنيات احتجاز ثاني أكسيد الكربون واستخدامه وتخزينه: اختيار المواد لالتقاط ثاني أكسيد الكربون ونقله

يتعلق اختيار المواد لتقنيات احتجاز ثاني أكسيد الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS) بحقيقةٍ واحدة: إنَّ ثاني أكسيد الكربون وحده ليس المشكلة، بل الماء والأحماض والشوائب العالقة التي ترافقه هي ما يُشكِّل الخطر. ولعمليات الاحتجاز القائمة على الأمين وخدمات ثاني أكسيد الكربون الرطبة، يُعدُّ الفولاذ المقاوم للصدأ من الدرجة 316L المادة الأساسية المستخدمة. أما في خطوط أنابيب ثاني أكسيد الكربون الكثيفة أو فوق الحرجة التي تنقل شوائب مثل الماء وكبريتيد الهيدروجين والأكسجين، فيتم الاعتماد على الفولاذ المقاوم للصدأ ثنائي الطور من الدرجة 2205، وفي الحالات الأشد صعوبة يُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ ثنائي الطور عالي الأداء من الدرجة 2507 نظراً لقدرته الفائقة على التحمُّل ومقاومته لتأثير الكلوريدات. وتوفِّر شركة تشجيانغ ونكيانغ للفولاذ المقاوم للصدأ المحدودة الأنابيب والأنابيب الملحومة والتجهيزات اللازمة ضمن هذا النطاق الكامل، مع ضمان إمكانية تتبع جميع المواد بشكل كامل.

كيمياء التآكل في أنظمة ثاني أكسيد الكربون
ثاني أكسيد الكربون الجاف النقي يكاد لا يلامس الفولاذ المقاوم للصدأ. أما عند إضافة الماء، فتتغيّر الصورة تمامًا: إذ يذوب ثاني أكسيد الكربون مُشكِّلًا حمض الكربونيك، فينخفض الرقم الهيدروجيني (pH)، وتلي ذلك أنواع التآكل العامة والمحلية معًا. وفي محطات الالتقاط، تمتص المذيبات الأمينية الساخنة — مثلMEA وMDEA — غاز ثاني أكسيد الكربون، ثم تصبح مسببة للتآكل عبر عدة مسارات في آنٍ واحد: امتلاء المذيب بالغاز الحمضي، واختراق الأكسجين، وتراكم الأملاح المستقرة حراريًّا ومنتجات التحلل. وأسوأ المناطق عرضة للتآكل هي غلاية إعادة التسخين (reboiler)، ومبدِّل الحرارة بين المحلول الغني والفقير (rich-lean heat exchanger)، وقسم الجزء العلوي من برج الاستخلاص (stripper overhead)، ودوائر إعادة التكرير (reclaimer circuits)، حيث تبلغ درجات الحرارة وتركيز الغاز الحمضي أقصى مستوياتها.
النقل يختلف تمامًا. فالأنابيب تدفع ثاني أكسيد الكربون في حالته الكثيفة أو فوق الحرجة لنقل كميات أكبر منه. وإذا بقي التدفق جافًّا فعلاً، يمكن أن يكون الفولاذ الكربوني اقتصاديًّا للخط الرئيسي، لكن الشوائب تُعيد حساب هذه المعادلة. فالماء الذي يتجاوز حد الذوبان قد يتكثَّف على شكل طور مائي حر، وعندما يختلط مع كبريتيد الهيدروجين أو الأكسجين أو أكاسيد النيتروجين أو أكاسيد الكبريت، يشكِّل أحماض الكربونيك أو الكبريتيك أو النيتريك التي تآكل الفولاذ بسرعة كبيرة. ولذلك تُستخدم مكونات من الفولاذ المقاوم للصدأ عند المداخل والصمامات وخطوط الأجهزة وفي أي مكان قد يظهر فيه الماء الحر بسبب سلوك الطور أو بسبب اضطراب ما.
طريقة تفاعل الشوائب مع بعضها تهمّ بقدر أهمية كمية كل منها. فالأكسجين وأكاسيد النيتروجين قد يتفاعلان مع المركبات الكبريتية ليُنتجا كبريتًا عنصريًّا وأحماضًا قوية لا يمكن أن تنتجها أي شائبة واحدة بمفردها. ولذلك فإن المواصفات تتجه الآن أكثر فأكثر إلى تحديد حدٍّ أعلى لمجموع الشوائب بدلًا من تنظيم كل شائبة على حدة. ولهذا السبب، يصمِّم المشروع المعقول تركيبات المعادن الملامسة للتدفق وفق أسوأ حالة محتملة ومعقولة، وليس وفق متوسط التغذية.

اختيار الدرجة: 316L مقابل الدوبلكس
تتميز درجة 316L بوجود الموليبدينوم الذي يمنحها مقاومة عالية للثقوب التآكلية، وهي مناسبة لبيئات غاز ثاني أكسيد الكربون الرطبة ودوائر الأمين والكلوريدات متوسطة التركيز. وتتميّز هذه الدرجة بسهولة تشكيلها وبسجلٍّ طويلٍ في الخدمة ضمن وحدات معالجة الغاز. أما حدودها فتظهر عندما ترتفع مستويات الكلوريد أو الحرارة أو الإجهادات إلى درجة تهدّد بحدوث تآكل ثقوبي أو تآكل شقي أو تشقق تآكلي ناتج عن إجهاد الكلوريد.
وتُعوّض درجة الدوبلكس 2205 هذه الحدود. فبنية طورَيها الأوستنيتي والفرّيتي تمنحها مقاومة خضوع تساوي تقريباً ضعف مقاومة خضوع درجة 316L، ما يسمح بتقليل سماكة الجدران وتخفييف وزن خطوط الأنابيب، كما أن مقاومتها للتآكل الثقوبي الناتج عن الكلوريد والتآكل التشققي الناتج عن إجهاد الكلوريد تكون أعلى بكثير. وعندما تصبح الشوائب والكلوريدات شديدة للغاية، فإن درجة السوبر دوبلكس 2507 ترفع قيمة رقم مقاومة التآكل الثقوبي المكافئ أكثر فأكثر لتلائم أشد ظروف حقن ونقل الغاز تطلباً.

اعتبارات خطوط الأنابيب الكثيفة وخطوط أنابيب ثاني أكسيد الكربون فوق الحرجة
فوق درجة حرارة تبلغ نحو ٣١ درجة مئوية وضغط يبلغ ٧٤ بار، يصبح ثاني أكسيد الكربون فوق حرجة، فيكتسب كثافةً شبيهةً بالسوائل وسيولةً شبيهةً بالغازات. وبذلك يصبح ضخُّه فعّالًا، لكنه لا يتسامح مع الشوائب. ولذلك يشدد المصمِّمون على خفض محتوى الماء، غالبًا إلى أقل من ٥٠ جزءًا في المليون، وذلك بدقةٍ لمنع تكوُّن الماء الحر الذي يؤدي إلى التآكل. ومع ذلك، فقد تؤدي الظواهر العابرة مثل التشغيل الأولي وإفراغ الضغط والإخلاء الكامل إلى تبريد جول-تومسون وتَكَوُّن تكثُّف محلي، لذا يجب أن يتحمّل المعدن هذه التقلبات، وليس فقط الظروف المستقرة.
تكتسب الفولاذات المقاومة للصدأ مكانتها في هذه المواقع المعرَّضة للاضطرابات، وكذلك في خطوط الأنابيب ذات القطر الصغير، حيث تكون التكلفة الإضافية ضئيلةً بينما يكون الرصيد المكتسب من الموثوقية كبيرًا. كما تكتسب قوة التحمل عند درجات الحرارة المنخفضة أهميةً أيضًا، لأن الإخلاء السريع قد يخفض درجة حرارة المعدن إلى ما دون درجة الحرارة المحيطة بشكلٍ ملحوظ؛ إذ تحافظ الدرجات الأوستنيتيّة ٣٠٤إل و٣١٦إل على قوة تحملها حتى درجات الحرارة الكريوجينية، بينما تتطلب الدرجات الثنائية (دوبلكس) دراسةً أدق لحدودها الدنيا من درجات الحرارة.
التآكل الناتج عن التدفق هو البند الآخر الذي يتطلب المراقبة. فالتيارات التي تحمل المواد الصلبة من وحدات الالتقاط في المنبع، أو التي تمر بسرعة عبر الصمامات والفتحات، تتسبب في تآكل المعدن، كما أن التآكل الناتج عن التآكل الميكانيكي يتسارع في أي مكانٍ تُزال فيه الطبقة الواقية بشكل متكرر. وتُسهم درجة الصلادة والمتانة الأعلى في الفولاذ غير القابل للصدأ ثنائي الطور في التخفيف من هذه المشكلة، كما أن التصميم الهندسي — مثل الانحناءات اللطيفة والطول الكافي لمقاطع الأنابيب المستقيمة — يقلل من الاضطرابات المحلية عند الوصلات الأكثر عرضةً لهذا النوع من التآكل.

التصنيع واللحام والاختبار
تتطلب درجات الفولاذ غير القابل للصدأ ثنائي الطور اتباع إجراءات لحام دقيقة للحفاظ على التوازن بين الطورين. فاستخدام كمية حرارة زائدة أثناء اللحام أو التبريد البطيء يؤدي إلى تغير نسبة الأوستنيت إلى الفريت، وقد يُنتج طورًا بينمعديًّا يُضعف المتانة ومقاومة التآكل؛ ولذلك يخضع مقدار الحرارة المُدخل، ودرجة الحرارة بين المرات، ونوع سلك اللحام للرقابة والفحص الدقيقين. أما بالنسبة للفولاذ 316L، فإن محتواه المنخفض من الكربون يقلل من ظاهرة التحسس عند لحام المقاطع السميكة التي تُستخدم عادةً في محطات الالتقاط.
التحقق هو ما يحمي النظام. ويُجري مختبرنا الداخلي تحديدًا إيجابيًّا للمواد لتفادي الخلط بين الدرجات، واختبارات كيميائية وميكانيكية، واختبارات هيدروستاتيكية للتأكد من سلامة التحمل للضغط، وفحصًا غير تدميريًّا لسلامة اللحامات. كما تدعم قياسات الفريت ضبط جودة الصلب المزدوج.

المعايير والتوثيق الخاصان بتقنية احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه
تتقاطع تقنية احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه مع معايير خطوط الأنابيب وأوعية الضغط والعمليات، ولذلك يجب أن تكون المستندات دقيقة جدًّا. وتُصنِّع شركة ون تشيانغ الأنابيب حسب المواصفات القياسية ASTM A312 وA790 لأنابيب الأوستنيتي والمزدوجة، وA213 وA269 للأنابيب الرفيعة، وA928 لأنابيب الصلب المزدوج الملحومة، وذلك وفق مراجع ASME ونظام ISO 9001. ويمكن أن تتضمَّن كل شحنة شهادات اختبار المواد وفق المعيار EN 10204 (النوع 3.1 أو 3.2)، التي تربط كل طولٍ برقم دفعة الصهر وتركيبه الكيميائي ونتائج الاختبارات الميكانيكية.
تتوسع تقنية احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS) بسرعة، وتُخضع سلامة التخزين على المدى الطويل لفحص دقيق، لذا فإن إمكانية التتبع ليست مجرد إجراءات ورقية من أجلها فقط، بل تتيح للمشغلين إثبات صلاحية التشغيل طوال عقود من العمليات الدورية. استخدم الفولاذ المقاوم للصدأ 316L في التطبيقات الرطبة وفي مهام الأمين، واستخدم الصلب المزدوج أو الصلب المزدوج فائق التحمل في نقل الغاز عالي القوة وعالي الكلوريد والمحتوي على شوائب، وادعم ذلك بإصدار شهادات معتمدة ومُوثَّقة، وبذلك يمتلك نظام احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه الهامش المطلوب لمقاومة التآكل. واجعل اختيار الدرجة المعدنية متناسقًا مع التركيب الكيميائي الفعلي لكل تيار بدلًا من الاعتماد على مادة واحدة بشكل افتراضي، وهكذا تكون قد أنجزت العمل الحقيقي المتعلق باختيار المواد لأنظمة احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه.

الأسئلة الشائعة
س: هل يمكن استخدام الفولاذ الكربوني في خطوط أنابيب ثاني أكسيد الكربون؟
ج: نعم، ويمكن أن يكون اقتصاديًّا في خطوط النقل الرئيسية لثاني أكسيد الكربون ذي الطور الكثيف الجاف حقًّا وعالي النقاء، لكن يُشترط استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ في الأماكن التي قد يتسبب فيها وجود الماء والشوائب مثل كبريتيد الهيدروجين (H2S) أو الأكسجين (O2) في تكوّن أحماض تآكلية، وكذلك عند الصمامات وخطوط الأجهزة والنقاط المعرّضة للاضطرابات.
س: لماذا يُفضَّل الصلب المزدوج 2205 على الفولاذ المقاوم للصدأ 316L في عمليات النقل؟
أ: تُوفِّر سبيكة الدوبلكس 2205 مقاومةً انبعاجيةً تبلغ ضعفَ تلك المقدَّمة من الأنابيب الأقل سماكةً والأخف وزنًا، بالإضافة إلى مقاومةٍ فائقةٍ لتشقُّق التآكل الناتج عن الكلوريدات والإجهاد، وهي ميزةٌ بالغة الأهمية عند نقل السوائل التي تحتوي على كلوريدات وشوائب.

ناقشوا الفولاذ المقاوم للصدأ الخاص بمشاريع احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه مع شركة تشجيانغ ونكيانغ: +86 577 8922 2595 \ https://www.chinawqsteel.com/