Nerezová ocel pro CCUS: výběr materiálů pro zachycování a dopravu CO2

Výběr materiálů pro zachycování, využití a ukládání uhlíku (CCUS) závisí na jedné skutečnosti: samotný CO2 není problémem – problém představují voda, kyseliny a stopové nečistoty, které se s ním pohybují. Pro zachycování na bázi aminů a provoz za vlhkých podmínek s CO2 je nerezová ocel 316L základním materiálem. Pro potrubí pro hustý nebo nadkritický CO2, které přepravují nečistoty jako voda, H2S a kyslík, se osvědčuje duplexní ocel 2205; v nejnáročnějších případech poskytuje superduplexní ocel 2507 požadovanou pevnost a odolnost vůči chloridům. Společnost Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. dodává potrubí, trubky a armatury v celém tomto rozsahu s plnou sledovatelností materiálů.

Korozní chemie systémů s CO2
Suchý, čistý CO2 téměř nesouvisí s nerezovou ocelí. Přidáte-li vodu, situace se změní. Rozpuštěný CO2 tvoří uhličitou kyselinu, pH klesne a následuje jak obecná, tak lokální koroze. V zařízeních pro zachycování CO2 horké aminové rozpouštědla, jako jsou MEA a MDEA, absorbuje CO2 a stává se korozivní několika způsoby současně: zatížením kyselým plynem, proniknutím kyslíku a hromaděním teplotně stabilních solí a degradačních produktů. Nejhoršími místy jsou reboiler, výměník tepla mezi bohatým a chudým proudem, vrchol destilační kolony a okruh regenerátoru, kde dosahují maximální hodnoty jak teplota, tak koncentrace kyselého plynu.
Doprava je jiná záležitost. Potrubí tlačí CO2 v husté nebo nadkritické fázi, aby se přepravilo více tohoto plynu. Pokud je proud skutečně suchý, může být u hlavního potrubí ekonomicky výhodná uhlíková ocel, avšak nečistoty tento výpočet změní. Voda nad mezí rozpustnosti se může oddělit jako volná vodní fáze a ve směsi s H2S, O2, NOx nebo SOx vytváří uhličitou, sírovou nebo dusičnou kyselinu, které rychle poškozují ocel. Proto se do vstupů, uzavíracích armatur, měřicích potrubí a všude tam, kde se díky chování fází nebo poruše může objevit volná voda, instalují součásti z nerezové oceli.
Je stejně důležité, jak nečistoty spolu interagují, jako jejich množství. Kyslík a NOx mohou reagovat se sírovými sloučeninami a vytvářet elementární síru a silné kyseliny, které by žádná jednotlivá nečistota sama o sobě nevytvořila. Proto se specifikace stále častěji zaměřují na celkový povolený rozsah nečistot namísto omezení každé nečistoty zvlášť. Praktický projekt proto navrhuje materiál mokrých částí pro nejpravděpodobnější nejhorší případ, nikoli pro průměrné složení vstupního proudu.

Výběr třídy materiálu: 316L versus duplex
316L, obsahující molybden pro odolnost proti bodové korozi, je vhodný pro prostředí s vlhkým CO₂, amínovými okruhy a středně koncentrovanými chloridy. Dobře se zpracovává a má dlouhou provozní historii v zařízeních pro úpravu plynu. Jeho omezení se projeví, pokud hladina chloridů, teplota nebo napětí stoupnou natolik, že hrozí bodová koroze, koroze v štěrbinách nebo chloridová napěťová koroze.
Duplex 2205 tyto limity překonává. Jeho dvoufázová austenitno-ferritová struktura má přibližně dvojnásobnou mez kluzu než 316L, čímž lze snížit tloušťku stěn a zlehčit potrubní systémy; navíc vykazuje výrazně vyšší odolnost proti bodové korozi způsobené chloridy a proti chloridové napěťové korozi. V případě extrémního znečištění a vysokých koncentrací chloridů dosahuje superduplex 2507 ještě vyšší hodnoty ekvivalentního čísla odolnosti proti bodové korozi, což jej činí vhodným pro nejnáročnější aplikace injekce a dopravy.

Zvážení hustých a nadkritických CO2 potrubí
Při teplotách nad přibližně 31 °C a tlacích nad 74 bar se CO2 stává nadkritickým – má hustotu podobnou kapalině a proudění podobné plynu. Je efektivní čerpat, ale nepodléhá přítomnosti nečistot. Konstruktéři proto přísně omezují obsah vody, často na méně než 50 ppm, aby se zabránilo vzniku volné vody, jež způsobuje korozi. I tak však mohou dojít k přechodným jevům, jako je uvedení do provozu, depreseurizace nebo vyfukování, které způsobují chlazení podle Joule-Thomsonova jevu a místní kondenzaci; kov tedy musí odolat i těmto krátkodobým zátěžím, nikoli jen ustálenému stavu.
Nerezová ocel si zde zaslouží uplatnění právě v těchto místech náchylných k poruchám a na potrubích malého průměru, kde je cenový náskok malý, avšak zisk zvyšované spolehlivosti významný. Důležitá je také rázová houževnatost při nízkých teplotách, neboť rychlé vyfukování může ochladit kov výrazně pod okolní teplotu; austenitické oceli 304L a 316L si zachovávají svou houževnatost až do kryogenních teplot, zatímco duplexní třídy vyžadují podrobnější posouzení jejich dolních teplotních limitů.
Opotřebení způsobené prouděním je dalším sledovaným parametrem. Proudění, která přenášejí pevné částice z horního toku zachycovacího zařízení nebo která prudce protékají ventily a otvory, erozivně napadají kov; erozní koroze probíhá rychle všude tam, kde se ochranná vrstva opakovaně odstraňuje. Vyšší tvrdost a pevnost duplexních ocelí pomáhají, stejně jako vhodná geometrie – mírné oblouky a dostatečná délka rovného úseku –, která snižuje místní turbulenci v přípojkách, jež jsou nejvíce ohrožené.

Výroba, svařování a zkoušení
Duplexní třídy vyžadují přesné a disciplinované svařování, aby byla udržena rovnováha fází. Příliš vysoký tepelný vstup nebo pomalé ochlazování mění poměr austenitu a feritu a mohou způsobit vznik intermetalických fází, které snižují houževnatost i odolnost vůči korozi; proto jsou pečlivě kontrolovány a regulovány tepelný vstup, teplota mezi jednotlivými svary a použitý přídavný materiál. U oceli 316L nízký obsah uhlíku potlačuje citlivost na mezikrystalovou korozí při svařování tlustších částí, které jsou běžné v zachycovacích zařízeních.
Ověření je to, co systém chrání. Naše vlastní laboratoř provádí identifikaci materiálu metodou PMI (positive material identification), aby se předešlo záměně tříd materiálů, chemické a mechanické zkoušky, hydrostatické zkoušky k potvrzení tlakové integrity a nedestruktivní zkoušky pro posouzení kvality svarů. Měření obsahu feritu doplňuje kontrolu kvality duplexních materiálů.

Normy a dokumentace pro CCUS
CCUS se nachází v oblasti, kde se protínají normy pro potrubí, tlakové nádoby a procesní zařízení, proto musí být dokumentace naprosto bezchybná. Wenqiang vyrábí podle norem ASTM A312 a A790 pro austenitní a duplexní potrubí, A213 a A269 pro trubky a A928 pro svařované duplexní potrubí, a to v souladu s odkazy na normy ASME a systémem ISO 9001. Každá dodávka může obsahovat certifikáty zkušebních výsledků materiálů EN 10204 typu 3.1 nebo 3.2, které každý kus spojují s číslem tavby, chemickým složením a výsledky mechanických zkoušek.
CCUS se rychle rozšiřuje a integrita dlouhodobého ukládání je pod mikroskopem, takže sledovatelnost není pouze papírovou formalitou, ale umožňuje provozovatelům prokázat vhodnost pro provoz po desítky let cyklického chodu. Použijte 316L pro vlhká prostředí a aplikace s aminy, duplexní nebo superduplexní ocel pro přepravu vysokopevnostních, vysoce chloridových proudů obsahujících nečistoty, doplňte to ověřenou certifikací – a CCUS systém získá potřebnou korozi odolnou rezervu. Namísto výchozího použití jediného materiálu přizpůsobte třídu materiálu skutečné chemické složení každého proudu a tím provedete skutečnou práci při výběru materiálů pro CCUS.

Nejčastější dotazy
Otázka: Lze uhlíkovou ocel použít pro CO2 potrubí?
Odpověď: Ano, pro skutečně suché, vysoké čistoty husté fáze CO2 hlavní potrubí může být ekonomická, avšak nerezová ocel je specifikována tam, kde voda a nečistoty jako H2S nebo O2 mohou tvořit koroze vyvolávající kyseliny, a také u uzavíracích armatur, měřicích potrubí a míst náchylných k poruchám.
Otázka: Proč zvolit duplexní ocel 2205 místo 316L pro přepravu?
A: Duplex 2205 nabízí přibližně dvojnásobnou mez kluzu pro tenčí a lehčí potrubí, navíc vyniká odolností proti pittingové korozi způsobené chloridy a proti napěťově koroznímu praskání – což je důležité, pokud proud obsahuje chloridy a nečistoty.

Pro diskuzi o nerezové oceli pro CCUS se obraťte na společnost Zhejiang Wenqiang: +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/