Нержавіюча сталь для систем захоплення, використання та зберігання вуглекислого газу (CCUS): вибір матеріалів для захоплення й транспортування CO₂

Вибір матеріалів для систем захоплення, використання та зберігання вуглекислого газу (CCUS) зводиться до одного факту: сам по собі CO₂ не є проблемою — проблему становлять вода, кислоти та слідові домішки, що супроводжують його. Для захоплення на основі амінів та роботи у вологому середовищі CO₂ основним матеріалом є нержавіюча сталь марки 316L. Для трубопроводів щільного чи надкритичного CO₂, що транспортують домішки, такі як вода, H₂S та кисень, застосовують двофазну сталь 2205; у найскладніших випадках використовують наддвофазну сталь 2507, яка забезпечує необхідну міцність і стійкість до хлоридів. Компанія Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. постачає труби, трубки та фітінги всього цього діапазону з повною прослідковістю матеріалів.

Хімія корозії у системах з CO₂
Сухий, чистий CO₂ ледь торкається нержавіючої сталі. Додайте воду — і картина змінюється. Розчинений CO₂ утворює вугільну кислоту, pH знижується, і починається як загальна, так і локалізована корозія. На установках захоплення гарячі амінові розчинники, такі як MEA та MDEA, поглинають CO₂ й стають корозійними через кілька механізмів одночасно: завантаження кислими газами, проникнення кисню та накопичення термостійких солей і продуктів деградації. Найгірші зони — рекуператор, теплообмінник багатого й бідного розчинів, верхня частина дестилляційної колони та контури регенерації, де одночасно досягають максимуму температура й концентрація кислих газів.
Транспортування — це зовсім інша справа. Трубопроводи перекачують CO₂ у щільній або надкритичній фазі, щоб перемістити більше його. Якщо потік справді сухий, то вуглецева сталь може бути економічним варіантом для магістрального трубопроводу, але домішки змінюють цю розрахункову модель. Вода понад межу розчинності може виділитися як вільна водна фаза, а в поєднанні з H₂S, O₂, NOₓ або SOₓ утворює вуглекислу, сірчану або азотну кислоти, які швидко руйнують сталь. Тому компоненти з нержавіючої сталі встановлюють на вхідних ділянках, у клапанах, інструментальних лініях та будь-де, де поведінка фаз або аварійна ситуація може призвести до появи вільної води.
Взаємодія домішок має таке саме значення, як і їхня кількість. Кисень і NOₓ можуть реагувати з сірковмісними сполуками, утворюючи елементарну сірку та сильні кислоти, яких не виникло б від жодного окремого забруднювача. Тому специфікації все частіше встановлюють загальну верхню межу для сумарного обсягу домішок замість того, щоб окремо регулювати кожну домішку. Саме тому розумний проект передбачає використання металевих матеріалів, стійких до вологи, для найгіршого правдоподібного випадку, а не для середнього складу вхідного потоку.

Вибір марки сталі: 316L проти дуплексної
316L, що містить молібден для стійкості до точкової корозії, застосовується у середовищах з вологим CO₂, амінових контурах та помірним вмістом хлоридів. Вона добре піддається обробці й має тривалий історичний досвід експлуатації в газоочисних установках. Її обмеження проявляються, коли рівень хлоридів, температура чи механічні напруження зростають настільки, що виникає загроза точкової корозії, корозії в щілинах або хлоридно-напруженої корозії.
Дуплексна сталь 2205 усуває ці обмеження. Її двофазна аустенітно-феритна структура забезпечує приблизно подвоєну межу текучості порівняно з 316L, завдяки чому стінки можуть бути тоншими, а трубопроводи — легшими; крім того, вона значно краще стійка до точкової корозії та хлоридно-напруженої корозії. У випадку надзвичайно високого вмісту домішок та хлоридів супердуплексна сталь 2507 ще більше підвищує еквівалентне число стійкості до точкової корозії, що робить її придатною для найбільш вимогливих систем закачування та транспортування.

Особливості проектування щільних трубопроводів для надкритичного CO₂
При температурі понад приблизно 31 °C та тиску понад 74 бар CO₂ переходить у надкритичний стан, маючи щільність, подібну до рідини, і властивості потоку, подібні до газу. Його ефективно перекачувати, але він дуже чутливий до домішок. Тому проектанти суворо обмежують вміст води — часто нижче 50 ppm — саме для того, щоб запобігти утворенню вільної води, яка викликає корозію. Навіть за таких умов тимчасові режими, такі як пуск, депресурізація та продувка, можуть спричиняти охолодження за Джоулем–Томсоном і локальну конденсацію; отже, метал повинен витримувати такі кратковчасові навантаження, а не лише сталі режими.
Нержавіюча сталь заслуговує свого місця в цих схильних до аварійних ситуацій ділянках і на малих трубопроводах, де надбавка до вартості незначна, а виграш у надійності — великий. Також важлива ударна в’язкість при низьких температурах, оскільки швидка продувка може охолодити метал значно нижче температури навколишнього середовища; аустенітні марки 304L і 316L зберігають свою в’язкість навіть при кріогенних температурах, тоді як дуплексні марки вимагають детальнішого аналізу їхніх меж застосування при низьких температурах.
Знос, спричинений потоком, — інший важливий аспект для контролю. Потоки, що транспортують тверді частинки з вищерозташованих зон захоплення, або потоки, що проходять з великою швидкістю через клапани й отвори, викликають ерозію металу; крім того, ерозійна корозія розвивається особливо швидко там, де захисна плівка постійно знищується. Вища твердість і міцність дуплексних сталей сприяють зменшенню цього явища, а також допомагають оптимальна геометрія — плавні вигини й достатня довжина прямих ділянок труб — що зменшує локальну турбулентність у фітингах, найбільш схильних до пошкодження.

Виготовлення, зварювання та випробування
Дуплексні марки сталі вимагають дотримання суворих правил зварювання задля збереження балансу фаз. Надмірне тепловкладення або повільне охолодження змінюють співвідношення аустеніту й фериту й можуть призвести до утворення інтерметалічних фаз, що знижують ударну в’язкість і стійкість до корозії; тому тепловкладення, температура між проходами та зварювальний матеріал строго контролюються й перевіряються. У сталі 316L низький вміст вуглецю зменшує схильність до сенсибілізації під час зварювання порівняно товстих перерізів, які типові для установок захоплення.
Перевірка — це те, що захищає систему. Наша власна лабораторія проводить ідентифікацію матеріалу методом PMI, щоб запобігти помилковому змішуванню марок, а також хімічні й механічні випробування, гідравлічні випробування для підтвердження герметичності під тиском та неруйнівний контроль якості зварних швів. Вимірювання вмісту фериту підтверджує якість дуплексних матеріалів.

Стандарти та документація для CCUS
CCUS розташований на перетині стандартів для трубопроводів, посудин під тиском та технологічних процесів, тому документація має бути бездоганною. Wenqiang виробляє продукцію відповідно до стандартів ASTM A312 та A790 для аустенітних і дуплексних труб, A213 та A269 для трубок і A928 для зварних дуплексних труб у рамках посилань ASME та системи ISO 9001. Кожна партія може супроводжуватися сертифікатами випробування матеріалів EN 10204 типу 3.1 або 3.2, що пов’язують кожну довжину з номером плавки, хімічним складом і результатами механічних випробувань.
CCUS швидко розгортається, а цілісність тривалого зберігання перебуває під уважним контролем, тож відстежуваність — це не просто паперова робота задля паперової роботи: вона дозволяє експлуатантам продемонструвати придатність до експлуатації протягом десятиліть циклічної роботи. Використовуйте сталь 316L для вологих середовищ та амінових завдань, двофазну або супердвофазну сталь — для транспортування за умов високої міцності, високого вмісту хлоридів та домішок; забезпечте це підтвердженими сертифікатами — і система CCUS матиме необхідний запас стійкості до корозії. Підбирайте марку сталі відповідно до реальної хімічної природи кожного потоку замість того, щоб за замовчуванням використовувати один матеріал, — і ви виконаєте справжню роботу з вибору матеріалів для CCUS.

Поширені запитання
Питання: Чи можна використовувати вуглецеву сталь для трубопроводів CO2?
Відповідь: Так, для справді сухих, високочистих трубопроводів CO2 у щільній фазі це може бути економічно вигідно, але нержавіючу сталь вимагають там, де вода й домішки, такі як H2S або O2, можуть утворювати корозійні кислоти, а також на клапанах, інструментальних лініях та ділянках, схильних до аварійних ситуацій.
Питання: Чому варто обрати двофазну сталь 2205 замість 316L для транспортування?
A: Дуплексна сталь 2205 забезпечує приблизно вдвічі більшу межу плинності, що дозволяє використовувати тонші й легші труби, а також має вищу стійкість до хлоридної точкової корозії та корозійного тріщинування під напруженням — це важливо, коли потік містить хлориди й домішки.

Обговоріть нержавіючу сталь класу CCUS із компанією Zhejiang Wenqiang: +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/