สแตนเลสสตีลสำหรับระบบจับ ใช้ประโยชน์ และกักเก็บคาร์บอนไดออกไซด์: การเลือกวัสดุสำหรับการจับและขนส่ง CO2

การเลือกวัสดุสำหรับระบบจับ ใช้ประโยชน์ และกักเก็บคาร์บอนไดออกไซด์ (CCUS) ขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงหนึ่งประการคือ CO2 บริสุทธิ์โดยตัวมันเองไม่ใช่ปัญหา แต่สิ่งที่มากับมัน เช่น น้ำ กรด และสิ่งเจือปนในปริมาณน้อยต่างหากที่เป็นต้นเหตุของปัญหา สำหรับกระบวนการจับแบบใช้แอมีนและการให้บริการ CO2 แบบเปียก สแตนเลสสตีลเกรด 316L คือวัสดุหลักที่ใช้งานได้ดี ในกรณีที่ท่อส่ง CO2 ความหนาแน่นสูงหรือสถานะซูเปอร์คริติคอลซึ่งมีสิ่งเจือปน เช่น น้ำ H2S และออกซิเจน สแตนเลสสตีลแบบดูเพล็กซ์เกรด 2205 สามารถรับภาระงานได้ ส่วนในกรณีที่รุนแรงที่สุด สแตนเลสสตีลแบบซูเปอร์ดูเพล็กซ์เกรด 2507 จะให้ทั้งความแข็งแรงและความต้านทานต่อคลอไรด์ตามที่งานนั้นต้องการ ห้างหุ้นส่วนจำกัดเจ้อเจียงเหวินเฉียง สแตนเลสสตีล จัดจำหน่ายท่อ ท่อแบบบาง และข้อต่อทุกชนิดตามช่วงเกรดที่กล่าวมาทั้งหมด โดยมีระบบติดตามแหล่งที่มาของวัสดุอย่างครบถ้วน

ปฏิกิริยาเคมีของการกัดกร่อนในระบบที่มี CO2
ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์แห้งและบริสุทธิ์สัมผัสผิวสแตนเลสสตีลเพียงเล็กน้อย แต่เมื่อเติมน้ำเข้าไป ภาพรวมจะเปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ละลายในน้ำจะเกิดกรดคาร์บอนิก ทำให้ค่าพีเอชลดลง และตามมาด้วยการกัดกร่อนแบบทั่วไปและแบบเฉพาะจุด ในโรงงานจับคาร์บอน ตัวทำละลายอะมีนร้อน เช่น MEA และ MDEA จะดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ แล้วกลายเป็นสารกัดกร่อนได้ผ่านหลายกลไกพร้อมกัน ได้แก่ การโหลดก๊าซกรด ออกซิเจนแทรกซึมเข้ามา และการสะสมของเกลือที่ทนความร้อนได้ดี (heat-stable salts) รวมถึงผลิตภัณฑ์ที่เสื่อมสภาพ บริเวณที่มีปัญหามากที่สุด ได้แก่ ส่วนรีโบ일เลอร์ ส่วนแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างสารละลายเข้มข้นกับสารละลายเจือจาง ส่วนยอดของสตริปเปอร์ และวงจรรีแคลเมอร์ ซึ่งเป็นจุดที่อุณหภูมิและความเข้มข้นของก๊าซกรดสูงสุด
การขนส่งเป็นเรื่องที่ต่างออกไปอย่างสิ้นเชิง ท่อส่งจะดันก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในสถานะหนาแน่นหรือสถานะซูเปอร์คริติคัล เพื่อให้สามารถเคลื่อนย้ายปริมาณมากขึ้นได้ หากเก็บรักษากระแสให้แห้งสนิทจริง ๆ แล้วเหล็กกล้าคาร์บอนอาจใช้ได้อย่างคุ้มค่าสำหรับท่อหลัก แต่สิ่งเจือปนจะเปลี่ยนสมการนี้ทั้งหมด น้ำที่มีปริมาณเกินขีดจำกัดความสามารถในการละลายอาจแยกตัวออกมาเป็นเฟสของน้ำแบบอิสระ และเมื่อผสมกับ H₂S, O₂, NOₓ หรือ SOₓ จะก่อให้เกิดกรดคาร์บอนิก กรดซัลฟูริก หรือกรดไนตริก ซึ่งกัดกร่อนเหล็กได้อย่างรวดเร็ว ดังนั้นจึงต้องใช้ชิ้นส่วนจากสแตนเลสที่บริเวณทางเข้า วาล์ว ท่อสำหรับเครื่องมือวัด และตำแหน่งใด ๆ ที่พฤติกรรมของเฟสหรือเหตุผิดปกติอาจทำให้น้ำแบบอิสระปรากฏขึ้น
ปฏิกิริยาระหว่างสิ่งเจือปนนั้นมีความสำคัญไม่แพ้ปริมาณของแต่ละชนิดที่มีอยู่ ออกซิเจนและ NOₓ อาจทำปฏิกิริยากับสารประกอบกำมะถันจนเกิดกำมะถันธาตุและกรดที่มีฤทธิ์รุนแรง ซึ่งสารเจือปนเพียงชนิดเดียวไม่สามารถสร้างขึ้นได้เอง ดังนั้นข้อกำหนดจึงเริ่มกำหนดขีดจำกัดรวมของสิ่งเจือปนทั้งหมดมากกว่าการควบคุมแต่ละชนิดแยกต่างหาก นี่คือเหตุผลที่โครงการที่รอบคอบควรออกแบบวัสดุโลหะที่สัมผัสกับของไหลตามกรณีที่แย่ที่สุดที่อาจเกิดขึ้นได้จริง ไม่ใช่ตามองค์ประกอบเฉลี่ยของวัตถุดิบที่ป้อนเข้า

การเลือกระดับวัสดุ: 316L เทียบกับดูเพล็กซ์
316L ซึ่งมีโมลิบดีนัมเพื่อต้านทานการเกิดรูพรุน สามารถใช้งานได้ดีในสภาวะที่มี CO2 แบบเปียก วงจรอะมีน และคลอไรด์ระดับปานกลาง วัสดุนี้ขึ้นรูปได้ง่ายและมีประวัติการใช้งานมายาวนานในระบบบำบัดก๊าซ อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดของมันจะปรากฏชัดเมื่อระดับคลอไรด์ อุณหภูมิ หรือแรงเครียดสูงขึ้นจนอาจก่อให้เกิดการกัดกร่อนแบบรูพรุน การกัดกร่อนแบบรอยต่อ หรือการแตกหักจากความเค้นร่วมกับคลอไรด์
ดูเพล็กซ์ 2205 ถูกออกแบบมาเพื่อแก้ไขข้อจำกัดเหล่านั้น โครงสร้างสองเฟสของมัน คือ ออสเทนไนต์และเฟอร์ไรต์ มีความแข็งแรงขณะยืดตัว (yield strength) สูงกว่า 316L ประมาณสองเท่า จึงทำให้ผนังสามารถบางลงและท่อส่งน้ำหนักเบาลงได้ ทั้งยังมีความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนแบบรูพรุนจากคลอไรด์และการแตกหักจากความเค้นร่วมกับคลอไรด์ได้ดีกว่ามาก เมื่อสิ่งสกปรกและคลอไรด์มีความรุนแรงยิ่งขึ้น ดูเพล็กซ์ระดับสูงพิเศษ 2507 จะเพิ่มค่าหมายเลขสมมูลความต้านทานการเกิดรูพรุน (PREN) ให้สูงยิ่งขึ้น เพื่อรองรับการใช้งานที่เข้มงวดที่สุดในการฉีดและการลำเลียง

ข้อพิจารณาสำหรับท่อส่ง CO2 แบบหนาแน่นและซุปเปอร์คริติคัล
เมื่ออุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 31 องศาเซลเซียส และความดันสูงกว่า 74 บาร์ CO2 จะเข้าสู่สถานะซุปเปอร์คริติคัล ซึ่งมีความหนาแน่นเทียบเท่าน้ำของเหลว แต่ไหลได้เหมือนก๊าซ การสูบส่งในสถานะนี้มีประสิทธิภาพสูง แต่ไม่สามารถทนต่อสิ่งเจือปนได้แม้แต่น้อย ผู้ออกแบบจึงควบคุมปริมาณน้ำให้ต่ำมาก โดยมักไม่เกิน 50 ppm เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำอยู่ในรูปอิสระซึ่งจะก่อให้เกิดการกัดกร่อน อย่างไรก็ตาม ปรากฏการณ์ชั่วคราว เช่น ขณะเริ่มเดินเครื่อง ลดความดัน หรือปล่อยก๊าซออกอย่างรวดเร็ว (blowdown) อาจทำให้เกิดการเย็นตัวแบบโจล-ธอมสัน (Joule-Thomson cooling) และการควบแน่นท้องถิ่น ดังนั้นวัสดุโลหะจึงต้องสามารถทนต่อภาวะแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงรุนแรงเหล่านี้ได้ ไม่ใช่เพียงแค่สภาวะคงที่เท่านั้น
สแตนเลสจึงมีบทบาทสำคัญในบริเวณที่มีแนวโน้มเกิดความผันผวนดังกล่าว รวมทั้งในท่อขนาดเล็ก ซึ่งแม้ต้นทุนจะสูงกว่าเล็กน้อย แต่ผลตอบแทนด้านความน่าเชื่อถือกลับสูงมาก ความเหนียวต่อการกระแทกที่อุณหภูมิต่ำก็มีความสำคัญเช่นกัน เพราะการปล่อยก๊าซออกอย่างรวดเร็วอาจทำให้อุณหภูมิของโลหะลดลงต่ำกว่าอุณหภูมิแวดล้อมอย่างมาก สเตนเลสเกรดออสเทนนิติก 304L และ 316L ยังคงรักษาความเหนียวไว้ได้แม้ที่อุณหภูมิระดับไครโอเจนิก ในขณะที่เกรดดูเพล็กซ์จำเป็นต้องประเมินขีดจำกัดอุณหภูมิต่ำสุดของตนอย่างรอบคอบ
การสึกหรอจากกระแสไหลเป็นอีกประเด็นที่ต้องจับตาดู กระแสที่พัดพาของแข็งออกมาจากบริเวณดักจับด้านต้นน้ำ หรือกระแสที่พุ่งผ่านวาล์วและรูเปิดต่าง ๆ จะกัดเซาะโลหะ และปรากฏการณ์การกัดกร่อนร่วมกับการสึกหรอก็จะดำเนินไปอย่างรวดเร็วทุกที่ที่ฟิล์มป้องกันถูกชะล้างออกไปซ้ำแล้วซ้ำเล่า ความแข็งและความแข็งแรงที่สูงกว่าของเหล็กกล้าแบบดูเพล็กซ์ช่วยได้ รวมทั้งการออกแบบรูปร่างเรขาคณิต เช่น การใช้มุมโค้งที่นุ่มนวลและการเว้นระยะตรงให้เพียงพอ ก็ช่วยลดการเกิดการไหลปั่นป่วนในท้องที่เฉพาะที่ข้อต่อต่าง ๆ เสี่ยงต่อการสึกหรอมากที่สุด

การผลิต การเชื่อม และการทดสอบ
เกรดเหล็กกล้าแบบดูเพล็กซ์จำเป็นต้องใช้เทคนิคการเชื่อมอย่างเคร่งครัด เพื่อรักษาสมดุลระหว่างเฟส ถ้าป้อนความร้อนมากเกินไป หรือปล่อยให้เย็นตัวช้าเกินไป จะทำให้อัตราส่วนของออสเทนไนต์ต่อเฟอร์ไรต์เปลี่ยนแปลง และอาจก่อให้เกิดเฟสอินเตอร์เมทัลลิกซึ่งลดทั้งความเหนียวและความต้านทานการกัดกร่อน ดังนั้น จึงต้องควบคุมและตรวจสอบทั้งปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้า ความร้อนระหว่างรอบการเชื่อมแต่ละรอบ และวัสดุเชื่อมอย่างเข้มงวด ส่วนเกรด 316L นั้นมีคาร์บอนต่ำ จึงช่วยลดการเกิดภาวะไวต่อการกัดกร่อนขณะเชื่อมชิ้นส่วนที่หนา ซึ่งพบได้บ่อยในโรงงานดักจับ
การตรวจสอบคือสิ่งที่ปกป้องระบบของเรา ห้องปฏิบัติการภายในบริษัทดำเนินการระบุวัสดุเชิงบวก (PMI) เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความสับสนระหว่างเกรด รวมถึงการทดสอบทางเคมีและเชิงกล การทดสอบแรงดันน้ำ (hydrostatic testing) เพื่อยืนยันความสมบูรณ์ภายใต้แรงดัน และการตรวจสอบแบบไม่ทำลาย (NDE) เพื่อประเมินคุณภาพของการเชื่อม พร้อมทั้งวัดปริมาณเฟอร์ไรต์เพื่อสนับสนุนการควบคุมคุณภาพของท่อแบบดูเพล็กซ์

มาตรฐานและเอกสารสำหรับ CCUS
CCUS อยู่ในจุดที่รหัสข้อกำหนดสำหรับท่อ ภาชนะรับแรงดัน และกระบวนการมาบรรจบกัน ดังนั้นเอกสารจึงต้องมีความสมบูรณ์อย่างยิ่ง เหวินเฉียงผลิตท่อสแตนเลสแบบออสเทนนิติกและดูเพล็กซ์ตามมาตรฐาน ASTM A312 และ A790 ท่อแบบออสเทนนิติกและดูเพล็กซ์ตามมาตรฐาน ASTM A213 และ A269 รวมถึงท่อแบบดูเพล็กซ์ที่ผ่านการเชื่อมตามมาตรฐาน ASTM A928 ภายใต้การอ้างอิงของ ASME และระบบ ISO 9001 ทุกการจัดส่งสามารถแนบใบรับรองการทดสอบวัสดุตามมาตรฐาน EN 10204 แบบ 3.1 หรือ 3.2 ซึ่งระบุเลขที่ฮีต (heat number) เคมีวิเคราะห์ และผลการทดสอบเชิงกลของแต่ละท่อนอย่างชัดเจน
ระบบ CCUS กำลังขยายตัวอย่างรวดเร็ว และความสมบูรณ์ของระบบเก็บกักระยะยาวกำลังถูกตรวจสอบอย่างเข้มงวด ดังนั้น การติดตามย้อนกลับจึงไม่ใช่เพียงการจัดทำเอกสารตามรูปแบบ แต่เป็นเครื่องมือที่ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถแสดงหลักฐานว่าอุปกรณ์ยังเหมาะสมสำหรับการใช้งานได้ตลอดหลายสิบปีของการทำงานแบบวงจรซ้ำๆ ให้ใช้เหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 316L สำหรับงานที่สัมผัสกับสภาพแวดล้อมเปียกหรือสารอะมีน ส่วนงานที่ต้องการความแข็งแรงสูง ความเข้มข้นของคลอไรด์สูง และมีสิ่งเจือปนมากในการขนส่ง ควรเลือกใช้เหล็กกล้าไร้สนิมแบบดูเพล็กซ์หรือซูเปอร์ดูเพล็กซ์ พร้อมรับรองคุณภาพที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว ระบบ CCUS จึงจะมีขอบเขตความทนทานต่อการกัดกร่อนตามที่ต้องการ ทั้งนี้ ควรเลือกเกรดวัสดุให้สอดคล้องกับองค์ประกอบทางเคมีที่แท้จริงของแต่ละกระแสของไหล แทนที่จะใช้วัสดุเพียงชนิดเดียวโดยทั่วไป ซึ่งนั่นคืองานหลักที่แท้จริงของการเลือกวัสดุสำหรับระบบ CCUS

คำถามที่พบบ่อย
คำถาม: สามารถใช้เหล็กคาร์บอนสำหรับท่อส่ง CO2 ได้หรือไม่
คำตอบ: ได้ สำหรับท่อสายหลักส่ง CO2 แบบ dense-phase ที่แห้งสนิทและมีความบริสุทธิ์สูงอย่างแท้จริง การใช้เหล็กคาร์บอนอาจคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องระบุให้ใช้เหล็กกล้าไร้สนิมในกรณีที่มีน้ำและสิ่งเจือปน เช่น H2S หรือ O2 ซึ่งอาจก่อให้เกิดกรดที่กัดกร่อน และยังรวมถึงบริเวณวาล์ว ท่อสำหรับติดตั้งอุปกรณ์วัด และจุดที่มีแนวโน้มเกิดความผิดปกติ
คำถาม: ทำไมจึงควรเลือกใช้ดูเพล็กซ์เกรด 2205 แทนเกรด 316L สำหรับการขนส่ง
ก: เหล็กกล้าไร้สนิมแบบดูเพล็กซ์ 2205 มีความต้านทานแรงดึงสูงกว่าประมาณสองเท่าเมื่อใช้ท่อที่บางและเบากว่า พร้อมทั้งมีความต้านทานการกัดกร่อนแบบพิตติ้งจากคลอไรด์และการแตกร้าวจากความเครียด-การกัดกร่อนที่เหนือกว่า ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อของไหลมีสารคลอไรด์และสิ่งเจือปน

ปรึกษาเรื่องเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด CCUS กับเจ้อเจียง เหวินเชียง: +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/