Stal nierdzewna do zastosowań CCUS: dobór materiałów do przechwytywania i transportu CO2

Dobór materiałów do przechwytywania, wykorzystania i składowania dwutlenku węgla (CCUS) sprowadza się do jednego faktu: sam CO2 nie stanowi problemu – problemem są woda, kwasy oraz śladowe zanieczyszczenia towarzyszące mu. W przypadku przechwytywania opartego na aminach oraz usług związanych z wilgotnym CO2 standardowym materiałem jest stal nierdzewna 316L. Dla rurociągów przewozowych gęstego lub nadkrytycznego CO2 zawierających zanieczyszczenia takie jak woda, H2S i tlen stosuje się stal duplex 2205; w najbardziej wymagających przypadkach niezbędna jest wyższa wytrzymałość i odporność na chlorki zapewniana przez stal superduplex 2507. Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. dostarcza rur, przewodów i kształtek obejmujących cały ten zakres materiałów z pełną śledzilnością materiałową.

Chemia korozji w układach CO2
Suchy, czysty CO2 niemal w ogóle nie oddziałuje na stal nierdzewną. Dodanie wody zmienia obraz. Rozpuszczony CO2 tworzy kwas węglowy, pH spada, a w konsekwencji pojawia się zarówno korozja ogólna, jak i lokalna. W instalacjach do wychwytywania CO2 gorące roztwory aminowe, takie jak MEA i MDEA, pochłaniają CO2 i stają się korozyjne przez kilka równocześnie działających mechanizmów: załadunek gazu kwasowego, przedostawanie się tlenu oraz gromadzenie się soli odpornych na ciepło i produktów degradacji. Najbardziej narażone obszary to rekuperator, wymiennik ciepła między strumieniem bogatym a ubogim, część nadgłowowa destylatora oraz obwody oczyszczania, gdzie jednocześnie osiągane są maksymalne wartości temperatury i stężenia gazu kwasowego.
Transport to zupełnie inna sprawa. Rurociągi przepychają CO2 w fazie gęstej lub nadkrytycznej, aby przesłać więcej tego gazu. Zachowanie strumienia rzeczywiście suchego pozwala na zastosowanie stali węglowej w sposób opłacalny dla głównego odcinka rurociągu, ale obecność zanieczyszczeń zmienia tę kalkulację. Woda powyżej granicy rozpuszczalności może wydzielić się jako wolna faza wodna, a w połączeniu z H2S, O2, NOx lub SOx tworzy kwasy węglowe, siarkowe lub azotowe, które szybko niszczą stal. Dlatego elementy ze stali nierdzewnej stosuje się na wlotach, zaworach, liniach pomiarowych oraz wszędzie tam, gdzie zachowanie fazowe lub zakłócenie procesu może doprowadzić do wystąpienia wolnej wody.
Sposób, w jaki zanieczyszczenia oddziałują ze sobą, ma takie samo znaczenie jak ich ilość. Tlen i NOx mogą reagować ze związkami siarki, powodując wydzielanie się siarki elementarnej oraz silnych kwasów, których żadne pojedyncze zanieczyszczenie nie wytworzyłoby samoistnie. Dlatego specyfikacje coraz częściej ograniczają łączny zakres zanieczyszczeń zamiast kontrolować każdą substancję osobno. Dlatego rozsądny projekt zakłada dobór materiałów mokrych (czyli stykających się ze strumieniem) pod kątem najbardziej prawdopodobnego najgorszego przypadku, a nie średniego składu dopływu.

Wybór gatunku stali: 316L kontra duplex
316L, zawierająca molibden zapewniający odporność na korozję punktową, nadaje się do zastosowań w wilgotnej atmosferze CO₂, obwodach aminowych oraz przy umiarkowanych stężeniach chlorków. Łatwo się przetwarza i ma długą historię bezawaryjnej eksploatacji w instalacjach oczyszczania gazu. Jej ograniczenia ujawniają się, gdy stężenie chlorków, temperatura lub naprężenia wzrastają na tyle, że pojawia się zagrożenie korozją punktową, szczelinową lub napięciową spowodowaną chlorkami.
Duplex 2205 eliminuje te ograniczenia. Jego dwufazowa struktura ferrytowo-austenityczna zapewnia wytrzymałość na rozciąganie mniej więcej dwukrotnie większą niż 316L, dzięki czemu ścianki elementów mogą być cieńsze, a rurociągi lżejsze; ponadto znacznie lepiej odpiera korozję punktową i napięciową spowodowaną chlorkami. W przypadku bardzo wysokich stężeń zanieczyszczeń i chlorków superduplex 2507 daje jeszcze wyższą wartość równoważnego numeru odporności na korozję punktową, co czyni go odpowiednim dla najbardziej wymagających zastosowań w systemach dozowania i transportu.

Uwagi dotyczące gęstych rurociągów do CO2 nadkrytycznego
Powyżej około 31 °C i 74 bar CO2 staje się nadkrytyczne, przyjmując gęstość podobną do cieczy i przepływ charakterystyczny dla gazu. Jest wydajne w pompowaniu, ale nie toleruje zanieczyszczeń. Projektanci surowo ograniczają zawartość wody, często poniżej 50 ppm, aby zapobiec powstawaniu wolnej wody, która może wywołać korozję. Nawet w takich warunkach przebiegi przejściowe – np. uruchamianie, dekompresja i odpowietrzanie – mogą powodować ochłodzenie Joule’a-Thomsona oraz lokalną kondensację, dlatego materiał metalowy musi wytrzymać krótkotrwałe odchylenia, a nie tylko stan ustalony.
Stale nierdzewne uzasadniają swoje zastosowanie w miejscach narażonych na zakłócenia oraz w rurociągach małego średnicy, gdzie dodatkowy koszt jest niewielki, ale zysk w postaci niezawodności bardzo duży. Istotna jest również odporność na uderzenia w niskich temperaturach, ponieważ szybkie odpowietrzanie może obniżyć temperaturę metalu znacznie poniżej temperatury otoczenia; austenityczne stopy 304L i 316L zachowują swoje właściwości udarnościowe nawet w temperaturach kriogenicznych, podczas gdy stopy duplex wymagają dokładniejszej analizy ich granic stosowalności w niższych temperaturach.
Zużycie spowodowane przepływem to inny ważny aspekt do monitorowania. Strumienie zawierające cząstki stałe pochodzące z urządzeń wstępnych lub przepływające z dużą prędkością przez zawory i otwory powodują erozję metalu, a korozja erozyjna przebiega szczególnie intensywnie tam, gdzie ochronna warstwa jest ciągle usuwana.

Wytwarzanie, spawanie i badania
Stale duplex wymagają kontrolowanego spawania w celu zachowania równowagi faz. Zbyt duże doprowadzenie ciepła lub zbyt wolne chłodzenie zmienia stosunek ferrytu do austenitu i może prowadzić do wydzielania się faz międzymetalicznych, co obniża odporność na uderzenia oraz odporność korozyjną; dlatego doprowadzenie ciepła, temperatura między przebiegami oraz materiał dodatkowy są ściśle kontrolowane i sprawdzane. W przypadku stali 316L niski udział węgla ogranicza zjawisko uzbojenia podczas spawania grubszych elementów, które są typowe dla instalacji zbiorczych.
Weryfikacja to to, co chroni system. Nasze własne laboratorium przeprowadza identyfikację materiału metodą PMI (positive material identification), aby zapobiec pomyłkom w klasie materiału, badania chemiczne i mechaniczne, próby hydrauliczne w celu potwierdzenia szczelności pod ciśnieniem oraz nieniszczące badania jakości spawów. Pomiar zawartości ferrytu wspiera kontrolę jakości stali dwufazowych.

Normy i dokumentacja dla technologii CCUS
Technologia CCUS znajduje się na styku norm dotyczących rurociągów, zbiorników ciśnieniowych oraz urządzeń procesowych, dlatego dokumentacja musi być bezbłędna. Wenqiang produkuje rury austenityczne i dwufazowe zgodnie z normami ASTM A312 i A790, rury rurowe zgodnie z normami ASTM A213 i A269 oraz spawane rury dwufazowe zgodnie z normą ASTM A928, stosując odniesienia ASME oraz system ISO 9001. Każda dostawa może zawierać certyfikaty badań materiałowych typu EN 10204 3.1 lub 3.2, które powiązują każdą długość rury z jej numerem partii, składem chemicznym oraz wynikami badań mechanicznych.
CCUS szybko się rozwija, a trwałość długoterminowego przechowywania jest pod mikroskopem – dlatego śledzalność nie jest tylko formalnością dokumentacyjną, lecz umożliwia operatorom wykazanie przydatności do eksploatacji przez dziesięciolecia cyklicznej pracy. Stosuj stal 316L w wilgotnych warunkach i przy zastosowaniach z aminami, a stal duplex lub superduplex tam, gdzie wymagana jest duża wytrzymałość, wysoka zawartość chlorków oraz transport zanieczyszczonej fazy; wspieraj to zweryfikowanymi certyfikatami – wówczas system CCUS uzyskuje niezbędną odporność na korozję. Dobierz gatunek stali do rzeczywistej chemii każdego strumienia zamiast domyślnie stosować jeden materiał – wtedy wykonasz rzeczywistą pracę doboru materiałów dla CCUS.

Często zadawane pytania
P: Czy stal węglowa może być używana w rurociągach CO2?
O: Tak, w przypadku naprawdę suchych, wysokiej czystości, gęstofazowych magistral CO2 może być opłacalna, ale stal nierdzewna jest wymagana tam, gdzie obecność wody i zanieczyszczeń takich jak H2S lub O2 może prowadzić do powstawania kwasów korodujących, a także w zaworach, liniach pomiarowych i miejscach narażonych na zakłócenia.
P: Dlaczego wybrać stal duplex 2205 zamiast 316L do transportu?
A: Stal nierdzewna duplex 2205 zapewnia około dwukrotnie wyższą wytrzymałość na rozciąganie, co pozwala na zastosowanie cieńszych i lżejszych rur oraz oferuje lepszą odporność na korozję punktową wywoływaną chlorkami i pękanie naporowe spowodowane korozją – cechy istotne, gdy strumień zawiera chlorki i zanieczyszczenia.

Omów stal nierdzewną klasy CCUS z Zhejiang Wenqiang: +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/