Thép không gỉ cho CCUS: Lựa chọn vật liệu để thu giữ và vận chuyển CO2

Việc lựa chọn vật liệu cho thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS) phụ thuộc vào một thực tế: chính CO2 không phải là vấn đề, mà nước, các axit và các tạp chất vi lượng đi kèm mới gây ra vấn đề. Đối với quy trình thu giữ dựa trên amin và dịch vụ CO2 ẩm, thép không gỉ 316L là loại vật liệu được sử dụng phổ biến nhất. Đối với đường ống dẫn CO2 ở trạng thái đậm đặc hoặc siêu tới hạn có chứa các tạp chất như nước, H2S và oxy, thép duplex 2205 đáp ứng được yêu cầu; trong những trường hợp khắc nghiệt nhất, thép super duplex 2507 cung cấp độ bền và khả năng chống ăn mòn bởi ion clorua cần thiết cho ứng dụng. Công ty TNHH Thép không gỉ Chiết Giang Văn Cường cung cấp ống, ống dẫn và phụ kiện trong toàn bộ dải vật liệu này, kèm theo khả năng truy xuất nguồn gốc vật liệu đầy đủ.

Hóa học ăn mòn trong hệ thống CO2
Khí CO2 khô và tinh khiết gần như không tác động đến thép không gỉ. Khi thêm nước vào, tình hình thay đổi. CO2 hòa tan tạo thành axit cacbonic, độ pH giảm xuống và cả ăn mòn tổng quát lẫn ăn mòn cục bộ đều xảy ra. Trong các nhà máy thu giữ, các dung môi amin nóng như MEA và MDEA hấp thụ CO2 và trở nên ăn mòn thông qua nhiều cơ chế đồng thời: tải khí axit, xâm nhập oxy, cũng như sự tích tụ muối bền nhiệt và các sản phẩm phân hủy. Những vị trí nguy hiểm nhất là bộ tái sinh (reboiler), bộ trao đổi nhiệt giữa dòng giàu và dòng nghèo (rich-lean heat exchanger), phần đỉnh của tháp chưng cất (stripper overhead) và các mạch tái chế (reclaimer circuits), nơi cả nhiệt độ lẫn nồng độ khí axit đều đạt cực đại.
Vận chuyển là một vấn đề hoàn toàn khác. Các đường ống dẫn đẩy CO2 ở pha đậm đặc hoặc pha siêu tới hạn để vận chuyển được nhiều hơn. Giữ dòng khí thực sự khô ráo thì thép carbon có thể là lựa chọn kinh tế cho tuyến ống chính, nhưng các tạp chất sẽ làm thay đổi hoàn toàn phương trình này. Nước vượt ngưỡng hòa tan có thể tách ra dưới dạng pha nước tự do, và khi kết hợp với H2S, O2, NOx hoặc SOx sẽ tạo thành các axit cacbonic, sunfuric hoặc nitric – những chất ăn mòn thép rất nhanh. Do đó, các bộ phận làm bằng thép không gỉ được lắp đặt tại các đầu vào, van, đường ống đo lường và mọi vị trí mà hành vi pha hoặc sự cố vận hành có thể khiến nước tự do xuất hiện.
Cách các tạp chất tương tác với nhau quan trọng không kém so với lượng tồn tại của từng loại. Oxy và NOx có thể phản ứng với các hợp chất chứa lưu huỳnh để sinh ra lưu huỳnh nguyên tố và các axit mạnh – những sản phẩm không thể hình thành nếu chỉ có một loại tạp chất duy nhất. Vì vậy, các thông số kỹ thuật ngày càng quy định giới hạn chung cho tổng hàm lượng tạp chất thay vì kiểm soát riêng lẻ từng loại. Đó là lý do vì sao một dự án hợp lý cần thiết kế vật liệu tiếp xúc trực tiếp với dòng khí theo kịch bản xấu nhất có khả năng xảy ra, chứ không phải theo thành phần trung bình của dòng đầu vào.

Lựa chọn cấp vật liệu: 316L so với duplex
316L, có molypden để chống ăn mòn điểm, chịu được CO2 ẩm, mạch amin và clorua ở mức độ vừa phải. Vật liệu này dễ gia công và có lịch sử phục vụ lâu dài trong xử lý khí. Tuy nhiên, giới hạn của nó xuất hiện khi nồng độ clorua, nhiệt độ hoặc ứng suất tăng cao đến mức gây nguy cơ ăn mòn điểm, ăn mòn khe hở hoặc nứt do ăn mòn ứng suất clorua.
Duplex 2205 khắc phục những giới hạn đó. Cấu trúc hai pha austenit–ferrit của nó có độ bền chảy gần gấp đôi so với 316L, nhờ đó thành ống có thể mỏng hơn và đường ống nhẹ hơn; đồng thời khả năng chống ăn mòn điểm clorua và nứt do ăn mòn ứng suất clorua cũng vượt trội hơn nhiều. Khi tạp chất và clorua đạt mức nghiêm trọng, siêu duplex 2507 còn nâng cao hơn nữa chỉ số tương đương kháng ăn mòn điểm (PREN), phù hợp nhất cho các dịch vụ bơm tiêm và vận chuyển đòi hỏi khắt khe nhất.

Các yếu tố cần xem xét đối với đường ống CO2 đậm đặc và siêu tới hạn
Ở trên khoảng 31 độ C và 74 bar, CO2 chuyển sang trạng thái siêu tới hạn, có mật độ tương tự chất lỏng và khả năng chảy tương tự khí. Việc bơm CO2 ở trạng thái này rất hiệu quả nhưng lại cực kỳ nhạy cảm với tạp chất. Các kỹ sư thiết kế kiểm soát nghiêm ngặt hàm lượng nước, thường dưới 50 ppm, nhằm ngăn ngừa sự hình thành nước tự do gây ăn mòn. Tuy nhiên, ngay cả khi đã làm như vậy, các tình huống vận hành biến đổi (transients) như khởi động, giảm áp và xả áp vẫn có thể gây làm mát Joule-Thomson và ngưng tụ cục bộ, do đó vật liệu kim loại phải chịu được các điều kiện vận hành bất thường này, chứ không chỉ các điều kiện ổn định.
Thép không gỉ khẳng định vị thế của mình tại những vị trí dễ xảy ra biến động như vậy cũng như trên các đường ống có đường kính nhỏ, nơi chi phí cao hơn là khá khiêm tốn nhưng lợi ích về độ tin cậy lại rất lớn. Độ dai va đập ở nhiệt độ thấp cũng rất quan trọng, bởi vì việc xả áp nhanh có thể làm giảm nhiệt độ kim loại xuống thấp hơn nhiều so với nhiệt độ môi trường; các mác thép austenit 304L và 316L duy trì độ dai va đập tốt ngay cả ở nhiệt độ cryogenic, trong khi các mác thép duplex đòi hỏi phải xem xét kỹ lưỡng hơn giới hạn nhiệt độ thấp nhất của chúng.
Mài mòn do dòng chảy là yếu tố cần theo dõi khác. Các dòng chất lỏng mang theo chất rắn từ vùng thu giữ phía thượng lưu, hoặc phun qua van và lỗ tiết lưu, làm xói mòn kim loại; đồng thời, hiện tượng ăn mòn kết hợp với xói mòn diễn ra nhanh chóng ở bất kỳ vị trí nào mà lớp màng bảo vệ liên tục bị bong tróc. Độ cứng và độ bền cao hơn của thép duplex giúp cải thiện tình hình; đồng thời, thiết kế hình học — như các đoạn cong nhẹ và chiều dài đoạn ống thẳng đủ lớn — giúp giảm nhiễu loạn cục bộ tại các mối nối dễ bị tổn thương nhất.

Chế tạo, Hàn và Kiểm tra
Các mác thép duplex yêu cầu quy trình hàn nghiêm ngặt nhằm duy trì cân bằng pha. Việc đưa quá nhiều nhiệt vào hoặc làm nguội quá chậm sẽ làm thay đổi tỷ lệ austenit–ferrit và có thể sinh ra các pha kim loại giữa gây giảm độ dẻo dai cũng như khả năng chống ăn mòn; do đó, lượng nhiệt đưa vào, nhiệt độ giữa các lượt hàn và que hàn đều được kiểm soát và kiểm tra chặt chẽ. Với mác 316L, hàm lượng carbon thấp giúp hạn chế hiện tượng sensitization khi hàn các chi tiết có độ dày lớn – điều phổ biến trong các nhà máy thu giữ.
Việc xác minh là yếu tố bảo vệ hệ thống. Phòng thí nghiệm nội bộ của chúng tôi thực hiện nhận dạng vật liệu tích cực nhằm ngăn chặn việc nhầm lẫn cấp độ, kiểm tra hóa học và cơ học, thử nghiệm thủy tĩnh để xác nhận tính toàn vẹn về áp lực, cũng như kiểm tra không phá hủy để đánh giá độ chắc chắn của mối hàn. Đo lường pha ferit hỗ trợ kiểm soát chất lượng thép duplex.

Tiêu chuẩn và tài liệu kỹ thuật cho CCUS
CCUS nằm tại giao điểm của các mã quy định dành cho đường ống, bình chịu áp lực và quy trình công nghệ, do đó hồ sơ giấy tờ phải tuyệt đối chính xác. Wenqiang sản xuất theo các tiêu chuẩn ASTM A312 và A790 cho ống austenit và ống duplex, A213 và A269 cho ống nhỏ, và A928 cho ống duplex hàn, dựa trên các tham chiếu ASME và hệ thống ISO 9001. Mỗi lô hàng có thể đi kèm chứng chỉ kiểm tra vật liệu EN 10204 loại 3.1 hoặc 3.2, liên kết từng đoạn ống với số lò luyện, thành phần hóa học và kết quả kiểm tra cơ tính tương ứng.
CCUS đang được mở rộng nhanh chóng và độ bền vững của việc lưu trữ dài hạn đang chịu sự giám sát chặt chẽ, do đó khả năng truy xuất nguồn gốc không chỉ là thủ tục giấy tờ mang tính hình thức, mà còn giúp các nhà vận hành chứng minh tính phù hợp để vận hành trong nhiều thập kỷ hoạt động theo chu kỳ. Dùng thép không gỉ 316L cho các ứng dụng ẩm ướt và amine, dùng thép duplex hoặc super duplex cho việc vận chuyển có yêu cầu độ bền cao, hàm lượng clorua cao và lẫn tạp chất; kết hợp với chứng nhận đã được kiểm định, một hệ thống CCUS sẽ đạt được biên độ chống ăn mòn cần thiết. Hãy lựa chọn cấp vật liệu phù hợp với thành phần hóa học thực tế của từng dòng môi chất thay vì mặc định áp dụng một loại vật liệu duy nhất — như vậy bạn mới thực sự hoàn tất công việc lựa chọn vật liệu cho hệ thống CCUS.

Các câu hỏi thường gặp
Câu hỏi: Có thể sử dụng thép carbon cho đường ống CO2 không?
Trả lời: Có thể, đối với các đường ống chính CO2 pha đậm đặc thực sự khô và độ tinh khiết cao thì việc dùng thép carbon có thể tiết kiệm chi phí; tuy nhiên, thép không gỉ được quy định bắt buộc khi có mặt nước và các tạp chất như H2S hoặc O2 — những chất có thể tạo thành các axit ăn mòn, cũng như tại các vị trí van, đường ống đo lường và các điểm dễ xảy ra sự cố vận hành.
Câu hỏi: Vì sao nên chọn thép duplex 2205 thay vì 316L cho việc vận chuyển?
A: Thép không gỉ duplex 2205 cung cấp độ bền chảy khoảng gấp đôi so với các loại ống mỏng và nhẹ hơn, đồng thời có khả năng chống lại hiện tượng ăn mòn điểm do clorua và nứt ăn mòn ứng suất vượt trội — điều này đặc biệt quan trọng khi dòng chất lỏng vận chuyển chứa clorua và tạp chất.

Thảo luận về thép không gỉ cấp CCUS với Zhejiang Wenqiang: +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/