CCUS용 스테인리스강: 이산화탄소 포집 및 수송을 위한 재료 선택

탄소 포집, 활용 및 저장(CCUS)을 위한 재료 선정은 하나의 사실에 귀결된다. 즉, 이산화탄소(CO2) 자체는 문제되지 않으며, 이와 함께 존재하는 수분, 산성 물질, 미량 불순물이 진정한 문제라는 점이다. 아민 기반 포집 공정 및 습식 CO2 환경에서는 316L 스테인리스강이 주로 사용된다. 수분, 황화수소(H2S), 산소 등 불순물을 함유한 고밀도 또는 초임계 상태 CO2 파이프라인의 경우, 듀플렉스 2205 스테인리스강이 충분한 성능을 발휘하며, 특히 최악의 조건에서는 초드플렉스 2507이 요구되는 강도와 염화물 내식성을 제공한다. 저장장치 웬창 스테인리스강 유한공사(Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd.)는 이 전체 범위의 파이프, 튜브 및 피팅을 공급하며, 완전한 재료 추적성을 보장한다.

CO2 시스템의 부식 화학
건조하고 순수한 이산화탄소는 스테인리스강을 거의 침식하지 않지만, 물이 첨가되면 상황이 달라진다. 이산화탄소가 용해되면서 탄산이 생성되고, pH가 낮아지며 일반 부식과 국부 부식이 모두 발생한다. 탄소 포집 시설에서는 MEA 및 MDEA와 같은 고온 아민 용매가 이산화탄소를 흡수하는데, 산성 가스 흡수량 증가, 산소 유입, 열 안정 염류 및 분해 생성물의 축적 등 여러 경로를 통해 동시에 부식성을 띠게 된다. 가장 심각한 부식 부위는 리보일러, 리치-린 열교환기, 스트리퍼 상부, 그리고 리클레이머 회로로, 이곳에서 온도와 산성 가스 농도가 모두 최고조에 달한다.
운송은 완전히 다른 문제다. 파이프라인은 이산화탄소를 고밀도 또는 초임계 상태로 밀어 넣어 더 많은 양을 이동시킨다. 유체를 진정으로 건조하게 유지하면 주간선(main line)에 탄소강을 경제적으로 사용할 수 있지만, 불순물은 이 계산을 완전히 뒤바꾼다. 용해도 한계를 넘는 수분은 자유 수상(free aqueous phase)으로 분리될 수 있으며, H2S, O2, NOx, SOx와 혼합되면 탄산, 황산, 질산 등 강한 산을 형성해 강재를 급속히 부식시킨다. 따라서 스테인리스 부품은 유입구, 밸브, 계측 배관 및 상 변화나 공정 이상으로 인해 자유 수분이 발생할 수 있는 모든 위치에 적용된다.
불순물 간의 상호작용 방식은 각 불순물의 함량만큼 중요하다. 산소와 NOx는 황 화합물과 반응해 단일 오염물질만으로는 생성되지 않는 원소 황과 강한 산을 생성할 수 있으므로, 규격서는 이제 개별 오염물질을 따로 규제하기보다는 전체 불순물 조합의 총량을 제한하는 방향으로 점차 전환되고 있다. 그래서 합리적인 프로젝트는 평균 공급 조건이 아니라 신뢰할 수 있는 최악의 경우를 기준으로 접촉 유체와 접촉되는 재료(wetted metallurgy)를 설계한다.

등급 선택: 316L 대비 이중상 스테인리스강
몰리브덴을 첨가한 316L은 점식 부식 저항성이 뛰어나 습한 CO₂, 아민 회로, 중간 수준의 염화물 환경에서 사용 가능하다. 가공성이 우수하고 가스 정제 분야에서 오랜 실적을 보유하고 있다. 다만 염화물 농도, 온도 또는 응력이 일정 수준 이상 상승하면 점식 부식, 틈새 부식, 염화물 응력부식균열 위험이 커지며, 이때 316L의 한계가 드러난다.
이러한 한계를 해결하기 위해 이중상 강종 2205가 사용된다. 오스테나이트와 페라이트가 혼재된 이중상 구조는 316L보다 약 두 배 높은 항복 강도를 제공하므로 벽 두께를 줄이고 파이프라인 무게를 경량화할 수 있으며, 염화물 점식 부식 및 응력부식균열에 대한 저항성도 훨씬 뛰어나다. 불순물과 염화물 농도가 극심해질 경우, 초이중상 강종 2507이 더 높은 점식 부식 저항성 등가 수(PREN)를 제공하여 가장 까다로운 주입 및 수송 용도에 적합하다.

고밀도 및 초임계 CO2 파이프라인 고려 사항
약 31도 섭씨 이상, 74바 이상에서 CO2는 초임계 상태가 되며, 이때 액체와 유사한 밀도와 기체와 유사한 흐름 특성을 가진다. 이 상태에서는 펌프 작동 효율이 높지만 불순물에 대해 매우 민감하다. 설계자는 부식을 유발할 수 있는 자유수의 생성을 막기 위해 수분 함량을 종종 50ppm 이하로 엄격히 제한한다. 그러나 시운전, 감압, 배출과 같은 일시적 상황에서는 줄-톰슨 냉각 및 국부 응결이 발생할 수 있으므로, 금속 재료는 정상 상태뿐 아니라 이러한 일시적 변동에도 견뎌야 한다.
스테인리스강은 이러한 변동이 잦은 구간과 소경 배관에 특히 적합하다. 비용 프리미엄이 작음에도 불구하고 신뢰성 향상 효과는 크기 때문이다. 또한 저온 충격 인성도 중요하다. 급격한 배출 시 금속 온도가 주변 온도보다 훨씬 낮아질 수 있기 때문이다. 오스테나이트 계 304L 및 316L은 극저온까지 인성을 유지하지만, 듀플렉스 계 등급은 하한 온도 한계를 보다 면밀히 검토해야 한다.
유동에 의한 마모가 또 다른 주의 사항이다. 상류 캡처 장치에서 고체를 운반해 내려오는 유체 흐름, 또는 밸브와 오리피스를 지나 빠르게 흐르는 유체는 금속을 침식시키며, 보호막이 계속해서 제거되는 곳에서는 침식-부식이 급격히 진행된다. 이중상 스테인리스강의 높은 경도와 강도가 이를 완화하는 데 도움이 되며, 설계 시 부드러운 굴곡과 충분한 직선 구간을 확보하면 특히 위험한 배관 부위에서 국부적인 난류를 줄일 수 있다.

제작, 용접 및 시험
이중상 강등급은 상 평형을 유지하기 위해 엄격한 용접 관리가 필요하다. 과도한 열 입력이나 느린 냉각 속도는 오스테나이트-페라이트 비율을 변화시켜 인터메탈릭 상을 생성할 수 있으며, 이는 인성과 내식성을 저하시킨다. 따라서 열 입력량, 패스 간 온도, 그리고 용접재료 모두를 정밀하게 제어하고 검사해야 한다. 316L의 경우, 낮은 탄소 함량 덕분에 캡처 플랜트에서 흔히 사용되는 두꺼운 판재를 용접할 때 민감화 현상을 억제할 수 있다.
검증은 시스템을 보호하는 수단이다. 당사 내부 실험실에서는 금속 재질의 정확한 식별을 통해 등급 혼입을 사전에 방지하고, 화학적·기계적 시험, 압력 밀봉성 확인을 위한 수압 시험, 용접 부위의 결함 여부를 검사하는 비파괴 검사를 실시한다. 이중상 스테인리스강 품질 관리를 뒷받침하기 위해 페라이트 함량 측정도 병행한다.

CCUS 관련 표준 및 문서
CCUS는 파이프라인, 압력용기, 공정 설비 관련 규격이 교차하는 분야이므로 서류 작업은 철저해야 한다. 웬창(Wenqiang)은 오스테나이트계 및 이중상 스테인리스강 파이프 제조에 ASTM A312 및 A790, 튜브 제조에 A213 및 A269, 용접 이중상 파이프 제조에 A928 규격을 준수하며, ASME 기준과 ISO 9001 품질 관리 시스템 하에 생산한다. 모든 출하 제품에는 EN 10204 3.1 또는 3.2 형식의 재료 시험 인증서가 동봉되며, 이 인증서는 각 파이프 길이를 해당 열처리 번호, 화학 조성, 기계적 시험 결과와 정확히 연결해 준다.
CCUS는 급속도로 확장되고 있으며, 장기 저장의 무결성은 철저한 검토 대상이다. 따라서 추적 가능성은 단순한 서류 작업이 아니라, 수십 년에 걸친 주기적 운전 동안 운영자가 서비스 적합성을 입증할 수 있도록 해준다. 습한 환경 및 아민 용도에는 316L을, 고강도·고염소·불순물이 많은 수송 용도에는 이중상 또는 초이중상 스테인리스강을 사용하고, 검증된 인증서를 뒷받침하면 CCUS 시스템은 필요한 부식 여유를 확보하게 된다. 각 유체 흐름의 실제 화학 조성에 맞춰 재질 등급을 선택하고, 단일 재질로 일괄 적용하지 않으면, CCUS 재료 선정의 핵심 과제를 완수한 셈이다.

자주 묻는 질문
Q: 이산화탄소 파이프라인에 탄소강을 사용할 수 있나요?
A: 진정으로 건조하고 고순도인 밀도가 높은 상의 CO2 주간선 파이프라인의 경우 경제적일 수는 있으나, 수분 및 H2S나 O2 같은 불순물이 부식성 산을 생성할 수 있는 경우, 그리고 밸브·계측 배관·운전 이상이 자주 발생하는 지점에서는 스테인리스강을 규정한다.
Q: 수송용으로 316L 대신 이중상 2205를 선택해야 하는 이유는 무엇인가요?
A: 더플렉스 2205는 두 배 정도 가늘고 가벼운 파이프의 강도를 제공합니다. 그리고 염화물 구멍과 스트레스 경식 균열에 대한 뛰어난 저항력을 제공합니다.

CCUS 등급 스테인리스에 대해 제주 웬치앙과 이야기하세요: +86 577 8922 2595 / https://www.chinawqsteel.com/