Acciaio inossidabile per CCUS: Selezione dei materiali per la cattura e il trasporto di CO2

La scelta dei materiali per la cattura, l’utilizzo e lo stoccaggio del carbonio (CCUS) si basa su un fatto fondamentale: il CO2 in sé non è il problema; lo sono invece l’acqua, gli acidi e le impurità in traccia che lo accompagnano. Per la cattura basata su ammine e per servizi con CO2 umido, l’acciaio inossidabile 316L è il materiale più utilizzato. Per le condotte di CO2 denso o supercritico che trasportano impurità come acqua, H2S e ossigeno, l’acciaio duplex 2205 garantisce prestazioni affidabili; nei casi più gravosi, l’acciaio super duplex 2507 fornisce la resistenza meccanica e la resistenza alla corrosione da cloruri richieste dall’applicazione. Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. fornisce tubi, tubazioni e raccordi per l’intera gamma, con piena tracciabilità dei materiali.

La chimica della corrosione nei sistemi a CO2
L’anidride carbonica secca e pura tocca appena l’acciaio inossidabile. Aggiungendo acqua, la situazione cambia: l’anidride carbonica disciolta forma acido carbonico, il pH diminuisce e ne conseguono sia corrosione generale sia corrosione localizzata. Negli impianti di cattura, solventi amminici caldi come MEA e MDEA assorbono CO₂ e diventano corrosivi attraverso diversi meccanismi contemporaneamente: carico di gas acidi, ingresso di ossigeno e accumulo di sali termicamente stabili e prodotti di degradazione. Le zone più critiche sono il ribollitore, lo scambiatore di calore tra soluzione ricca e soluzione povera, la testa della colonna di stripping e i circuiti del rigeneratore, dove sia la temperatura sia la concentrazione di gas acidi raggiungono i valori massimi.
Il trasporto è una questione diversa. Le condotte spingono la CO2 nella fase densa o supercritica per trasportarne una maggiore quantità. Mantenere il flusso effettivamente asciutto consente di utilizzare acciaio al carbonio in modo economico per la linea principale, ma le impurezze modificano radicalmente questo calcolo. L’acqua oltre il limite di solubilità può separarsi come fase acquosa libera e, mescolata a H2S, O2, NOx o SOx, forma acidi carbonico, solforico o nitrico che corrodono rapidamente l’acciaio. Pertanto, si impiegano componenti in acciaio inossidabile negli ingressi, nelle valvole, nelle tubazioni degli strumenti e in tutti i punti in cui il comportamento di fase o un’anomalia possano far comparire acqua libera.
L’interazione tra le impurezze conta quanto la loro concentrazione individuale. Ossigeno e NOx possono reagire con specie contenenti zolfo generando zolfo elementare e acidi forti che nessun singolo contaminante produrrebbe da solo; perciò le specifiche tendono sempre più a fissare un limite complessivo per l’insieme delle impurezze, anziché regolamentare ciascuna specie separatamente. È quindi ragionevole progettare la metallurgia a contatto con il fluido per il caso peggiore plausibile, non per la composizione media del feed.

Selezione del grado: 316L rispetto al duplex
il 316L, con molibdeno per resistere alla corrosione da pitting, gestisce CO2 umido, circuiti amina e cloruri moderati. Si presta bene alla lavorazione e vanta un lungo record di servizio nel trattamento dei gas. I suoi limiti emergono quando i livelli di cloruri, la temperatura o lo sforzo aumentano fino a minacciare il pitting, l’attacco da fessurazione o la corrosione sotto sforzo da cloruri.
Il duplex 2205 supera tali limiti. La sua struttura bifasica austenitica-ferritica offre una resistenza allo snervamento circa doppia rispetto al 316L, consentendo pareti più sottili e condotte più leggere; inoltre resiste molto meglio al pitting da cloruri e alla corrosione sotto sforzo da cloruri. Quando le impurezze e i cloruri diventano particolarmente severi, il super duplex 2507 spinge ulteriormente verso l’alto il numero equivalente di resistenza al pitting, garantendo prestazioni ottimali nei servizi più gravosi di iniezione e trasporto.

Considerazioni per tubazioni dense e per CO2 supercritico
Al di sopra di circa 31 °C e 74 bar, il CO2 diventa supercritico, con densità simile a quella di un liquido e comportamento di flusso simile a quello di un gas. Risulta quindi efficiente da pompare, ma estremamente sensibile alle impurità. I progettisti limitano rigorosamente il contenuto di acqua, spesso al di sotto di 50 ppm, proprio per evitare la formazione di acqua libera che potrebbe innescare fenomeni corrosivi. Tuttavia, anche in tali condizioni, transitori come l’avviamento, la depressurizzazione e lo scarico (blowdown) possono causare raffreddamento Joule-Thomson e condensazione locale; pertanto, il materiale metallico deve tollerare tali escursioni termiche, non solo le condizioni stazionarie.
L’acciaio inossidabile trova la sua collocazione ideale in queste zone particolarmente soggette a transitori e nelle tubazioni di piccolo diametro, dove il sovrapprezzo è contenuto ma il guadagno in termini di affidabilità è notevole. Anche la tenacità all’impatto a basse temperature riveste un ruolo fondamentale, poiché uno scarico rapido può raffreddare il metallo ben al di sotto della temperatura ambiente; gli acciai austenitici 304L e 316L mantengono la loro tenacità fino a temperature criogeniche, mentre per le grade duplex occorre valutare con attenzione i rispettivi limiti inferiori di temperatura.
L'usura causata dal flusso è l'altro aspetto da monitorare. I flussi che trasportano solidi provenienti dalle zone a monte di captazione, o che attraversano rapidamente valvole e orifizi, erodono il metallo; inoltre, l'erosione-corrosione procede rapidamente ovunque il film protettivo venga continuamente rimosso. La maggiore durezza e resistenza delle leghe duplex aiutano, così come la geometria dell'impianto: curve dolci e una sufficiente lunghezza di tratto rettilineo riducono la turbolenza locale nelle giunzioni più a rischio.

Fabbricazione, saldatura e collaudo
Le leghe duplex richiedono una saldatura rigorosa per mantenere l'equilibrio tra le fasi. Un apporto termico eccessivo o un raffreddamento troppo lento alterano il rapporto austenite-ferrite e possono generare fasi intermetalliche che compromettono la tenacità e la resistenza alla corrosione; pertanto, apporto termico, temperatura tra i passaggi e materiale d'apporto sono tutti controllati e verificati. Per l'acciaio 316L, il basso contenuto di carbonio limita la sensibilizzazione durante la saldatura delle sezioni più spesse, comuni negli impianti di captazione.
La verifica è ciò che protegge il sistema. Il nostro laboratorio interno esegue l’identificazione positiva del materiale per prevenire errori di grado, prove chimiche e meccaniche, prove idrostatiche per confermare l’integrità sotto pressione ed esami non distruttivi per valutare la qualità delle saldature. La misurazione della ferrite supporta il controllo qualità dei materiali duplex.

Norme e documentazione per CCUS
CCUS si colloca nel punto di intersezione tra norme per condotte, recipienti a pressione e impianti di processo, quindi la documentazione deve essere impeccabile. Wenqiang produce tubi austenitici e duplex secondo le norme ASTM A312 e A790, tubi secondo le norme ASTM A213 e A269, e tubi duplex saldati secondo la norma ASTM A928, nel rispetto dei riferimenti ASME e di un sistema ISO 9001. Ogni spedizione può includere certificati di prova materiale EN 10204 3.1 o 3.2, che collegano ogni lunghezza al relativo numero di colata, alla composizione chimica e ai risultati meccanici.
Il CCUS sta crescendo rapidamente e l’integrità dello stoccaggio a lungo termine è sotto stretto esame, quindi la tracciabilità non è semplice burocrazia fine a se stessa: consente agli operatori di dimostrare l’idoneità al servizio per decenni di funzionamento ciclico. Utilizzare l’acciaio inossidabile 316L per servizi umidi e a base di ammine, e acciai duplex o super duplex per il trasporto ad alta resistenza, ad alto contenuto di cloruri e con impurità, supportati da certificazioni verificate: così un sistema CCUS ottiene il margine anticorrosivo di cui ha bisogno. Abbinare la qualità dell’acciaio alla reale composizione chimica di ogni flusso, invece di ricorrere automaticamente a un unico materiale, equivale a svolgere il vero lavoro di selezione dei materiali per il CCUS.

Domande frequenti
D: L’acciaio al carbonio può essere utilizzato per le condotte di CO2?
R: Sì, per linee principali di CO2 in fase densa, effettivamente secche e ad alta purezza, può risultare economico; tuttavia, si specifica l’acciaio inossidabile là dove acqua e impurità come H2S o O2 possono generare acidi corrosivi, nonché in corrispondenza di valvole, tubazioni strumentali e punti soggetti a disturbi operativi.
D: Perché scegliere il duplex 2205 invece del 316L per il trasporto?
A: Il duplex 2205 offre circa il doppio della resistenza a snervamento rispetto a tubi più sottili e leggeri, oltre a una superiore resistenza alla corrosione da pitting da cloruri e alla corrosione sotto tensione, caratteristica fondamentale quando il fluido trasportato contiene cloruri e impurità.

Discutere gli acciai inossidabili di grado CCUS con Zhejiang Wenqiang: +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/