اختيار الأنابيب لأنظمة التقاط الكربون (CCUS): التعامل مع ثاني أكسيد الكربون، والأمينات، والشوائب

اختيار الأنابيب لأنظمة التقاط الكربون (CCUS): التعامل مع ثاني أكسيد الكربون، والأمينات، والشوائب

يؤدي التوجه نحو التقاط الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS) إلى إنشاء جيل جديد من البنية التحتية الصناعية. ويمثل تصميم هذه الأنظمة تحديًا فريدًا من نوعه بالنسبة للمواد أمام المهندسين ومديري المشاريع. ويجب أن تكون المواسير قادرة على التعامل ليس فقط مع ثاني أكسيد الكربون المضغوط، بل أيضًا مع مذيبات الأمين المسببة للتآكل، ومنتجات تحللها، والشوائب العملية غير المتوقعة. إن فشل المادة هنا ليس مجرد مشكلة صيانة؛ بل يعرّض النظام لخطر التوقف، وفقدان المذيب، وضعف كفاءة عملية الالتقاط.

إن اختيار مادة الأنبوب المناسبة هو قرار اقتصادي وتقني بالغ الأهمية. ويُفصّل هذا الدليل العوامل البيئية وخيارات المواد لضمان السلامة الهيكلية على المدى الطويل.

المشهد التآكلي: أكثر من مجرد CO₂

يمثل نظام مواسير التقاط الكربون مصنعًا كيميائيًا مصغّرًا، يحتوي على مناطق مختلفة من التآكل:

1. هجوم حمض الكربونيك: يشكل ثاني أكسيد الكربون الرطب حمض الكربونيك (H₂CO₃). وعلى الرغم من أنه ضعيف، إلا أنه قد يتسبب في تآكل موحد للصلب الكربوني، خاصةً في المناطق ذات السرعة العالية مثل خطوط خروج المضخات والمرفقات الأنابيب.

2. تآكل الأمين: إن المذيبات الرئيسية مثل MEA أو MDEA أو الخلطات الخاصة تكون قلوية ولكنها تصبح مسببة للتآكل:

   • منتجات التحلل: مع مرور الوقت، تتحلل الأمينات مشكلة أملاح مستقرة حرارياً (HSS) مثل الأوكسالات والفورمات والأسيتات. وهذه الأملاح أكثر حمضية وتآكلاً بشكل ملحوظ.

   • التدهور التأكسدي: إن دخول الأكسجين (من غاز المداخن أو الهواء) يسرّع من تحلل الأمين وقد يؤدي إلى تآكل نقطي موضعي شديد.

3. "الثلاثي القاتل": CO2، والأمينات، والحرارة: تُسجل أعلى مقاطع النظام حرارةً — مثل غلاية الأمين، ومبدلات الأمين الغني/الفقير، والأنابيب المرتبطة — أعلى معدلات للتآكل. حيث تؤدي درجة الحرارة إلى تسريع هائل لجميع التفاعلات الكيميائية.

4. مُلوثات غاز المداخن: على الرغم من المعالجة المسبقة، يمكن أن تتسرب ملوثات ضئيلة مثل أكاسيد الكبريت (SOx)، وأكاسيد النيتروجين (NOx)، وحمض الكلوريدريك (HCl)، وحمض الهيدروفلوريك (HF). وتُكوّن هذه المواد أحماضًا قوية عند ذوبانها في محلول الأمين/الماء، مما يخلق بيئات عدوانية للغاية ومحلية.

5. الشقوق الناتجة عن تآكل الإجهاد (SCC): يمكن أن يؤدي تآزر الإجهاد الشديدي (الناجم عن الضغط أو اللحام أو الانحناء) مع درجة الحرارة وبيئة الأمين إلى تشققات كارثية ومفاجئة في المواد القابلة للتأثر.

استراتيجية اختيار المادة: مواءمة المنطقة

لا توجد مادة واحدة هي الأفضل لجميع أجزاء نظام التقاط الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS). بل يعتمد الاختيار على كل منطقة على حدة بناءً على درجة الحرارة وتركيب السوائل والضغط.

المنطقة 1: مدخل الغاز المدخني الخام والمعالجة المسبقة

• الشروط: غاز رطب وحمضي يحتوي على شوائب (أكاسيد الكبريت، والجسيمات العالقة)، ودرجات حرارة منخفضة.

• الخيار الشائع: الفولاذ الكربوني (CS) مع هامش للتآكل.

  • المنطق: فعّال من حيث التكلفة للأنابيب والقنوات ذات القطر الكبير. ويُضاف هامش تآكل كبير (مثلاً 3-6 مم) إلى سماكة الجدار. ويمكن استخدام بطانات داخلية (مطاطية، أو FRP) أو طلاءات في الحالات الشديدة.

• بديل: بالنسبة للأحمال العالية من الشوائب أو لتقليل الصيانة إلى الحد الأدنى، 304/316L الفولاذ المقاوم للصدأ قد يتم تحديدها للأقسام الحرجة.

المنطقة 2: الامتصاص الأميني والدوران عند درجات حرارة منخفضة

• الشروط: محاليل أمين رقيقة وغنية عند درجات حرارة معتدلة (عادةً 40-70°م).

• الخيار الأساسي: فولاذ كربوني.

  • ملاحظة: يمكن التحكم في التآكل من خلال التحكم الكيميائي المناسب (ترشيح الأمين، واسترجاعه لإزالة المركبات الكبريتية)، واستخدام مثبطات التآكل. يُعد الرصد المستمر لسماكة الجدران ممارسة تشغيلية قياسية.

• الترقية للحالات الحرجة: فولاذ مقاوم للصدأ 304/316L.

  • المنطق: يُستخدم للمكونات التي لا يمكن التسامح مع نواتج التآكل فيها (مثل منع انسداد مبادلات الحرارة) أو في حلقات المضخات عالية السرعة. ويُوفر مقاومة ممتازة للتآكل الناتج عن الأمين وحمض الكربونيك في هذا المدى.

المنطقة 3: القسم الساخن (الم stripper، المرجل المعاد، أغلفة المبادل)

• الشروط: أمين غني بدرجات حرارة تتجاوز 90°م، وتصل إلى 120-130°م عند المرجل المعاد. هذه هي البيئة الأكثر قسوة من حيث التآكل العام وتآكل الشقوق الناتج عن الإجهاد.

• المعيار بالنسبة للشدة: فولاذ مقاوم للصدأ صلب 316/316L.

  • الحقيقة: رغم أن الأداء أفضل من CS، إلا أن الفولاذ المقاوم للصدأ القياسي 316L لا يزال عرضة للتآكل الموضعي والتشقق الإجهادي الناتج عن الكلوريدات إذا تركزت الكلوريدات أو نتجت من منتجات تحلل الأمين.

• الدرجة عالية الأداء: فولاذ مقاوم للصدأ ثنائي الطور 2205/2507.

  • المنطق: يوفر الهيكل المختلط (الفيريتي-الأوستنيتي) قوة خضوع تبلغ ضعف تقريبًا مقارنة بـ 316L ومقاومة متفوقة للتشقق الإجهادي الناتج عن الكلوريدات والتآكل النقطي. ويسمح ذلك باستخدام جدران أرق (موفرًا الوزن/التكلفة) وهوامش سلامة معززة. غالبًا ما يُعتبر 2205 التوازن الأمثل بين التكلفة والأداء في تطبيقات الأمين الساخن.

• للأداء الأقصى: سبائك النيكل (سبيكة 825، سبيكة 625).

  • المنطق: في الأنظمة التي تعاني من ضعف التحكم في الشوائب أو ارتفاع معدل التحلل، أو حيث تتطلب أعلى درجات الموثوقية (مثل منصات النفط البحرية)، يتم تحديد هذه السبائك. سبيكة 825 يوفر مقاومة ممتازة للتشقق الإجهادي الناتج عن الكلوريدات والنواتج الثانوية الحمضية. سبائك 625 (إنكونيل) هو الخيار المتميز لأكثر النقاط الحرجة عدوانية، مثل أنابيب المعيدّات والأنابيب المرتبطة بها.

ما وراء درجة المادة: عوامل التصنيع والتشغيل الحرجة

1. اللحام ومعالجة ما بعد اللحام: يجب أن تكون إجراءات اللحام للصلب المقاوم للصدأ والصلب المزدوج مؤهلة للحفاظ على مقاومة التآكل. بالنسبة للصلب الكربوني، قد يُشترط إزالة الإجهادات بعد اللحام للأقسام الساخنة لتقليل الإجهادات المتبقية والتقليل من خطر تآكل الشقوق الناتج عن الإجهاد (SCC).

2. الأقسام التي تتطلب غسلًا بالماء: يمكن أن تكون المناطق التي يتلامس فيها الماء المشبع مع CO₂ أكثر تآكلاً من أقسام الأمين. وغالبًا ما يُطلب استخدام 316L أو الصلب المزدوج هنا، حتى لو كانت الأنابيب في الأقسام السابقة مصنوعة من الصلب الكربوني.

3. أنابيب نقل وحقن CO₂: بالنسبة لثاني أكسيد الكربون فائق الحدة المجفف والمضغوط، يكون الصلب الكربوني هو القياسي. ومع ذلك، فإن التحكم الدقيق في محتوى الماء (<500 جزء في المليون، وغالبًا <50 جزء في المليون) أمر إلزامي لمنع تكوّن حمض الكربونيك المسبب للتآكل. وفي حالات CO₂ الرطب أو عند تراخي مواصفات الشوائب، تصبح الأنابيب المغلفة (CS مع بطانة 316L أو 625) أو السبائك المقاومة للتآكل الصلبة ضرورية.

4. المراقبة والصيانة: اختيار المواد ليس قرارًا يمكن اتخاذه بأسلوب "عيّن وانسَ". إن وجود برنامج متكامل لاختبار السُمك بالموجات فوق الصوتية، وأرفف العينات المعدنية للتآكل، ومراقبة كيمياء السوائل أمر ضروري لجميع المواد، وخاصة الصلب الكربوني.

قائمة التحقق لاختيار مشروعك

• رسم خريطة العملية: قسّم مخطط الأنابيب والتجهيزات (P&ID) إلى مناطق تآكل متميزة بناءً على درجة الحرارة، وطور السائل، والتركيب الكيميائي.

• تحديد حدود الشوائب: حدّد وضمن أقصى تركيزات مسموح بها للأكسجين (O₂)، وأكاسيد الكبريت (SOx)، والكلوريدات في غاز العادم المُدخل.

• تحليل تكلفة دورة الحياة: قارن تكاليف المواد الأولية مقابل العمر المتوقع للخدمة، وتكاليف الصيانة (الفحص، وتقلص السُمك)، ومخاطر التوقف غير المخطط له. غالبًا ما تكون مواد الدوبلكس أفضل من 316L في الأقسام الساخنة بناءً على هذا التحليل.

• تحديد جودة التصنيع: اشترط اتباع إجراءات لحام صحيحة، وعملية التمرير للصلب المقاوم للصدأ/السبائك، وبروتوكولات الفحص غير الإتلافي (NDT).

• خطة المراقبة: قم بتصميم نقاط فحص الوصول، وحوامل العينات، ومنافذ أخذ العينات منذ البداية.

الخلاصة

إن أنابيب أنظمة التقاط وتخزين واستخدام الكربون تُعتبر معركة ضد بيئة كيميائية معقدة ومتغيرة باستمرار. ومع بقاء الفولاذ الكربوني الخيار الاقتصادي الأساسي للأجزاء غير الشديدة التحمل، فإن المعيار الصناعي يتجه تدريجيًا نحو السبائك المقاومة للتآكل (CRA) لجميع خدمات الأمين الساخن والغني، والخدمات الحرجة .

غالبًا ما يكون 316L هو الحد الأدنى، ويُعد 2205 دوبلكس الخيار الافتراضي القوي، بينما تُعد سبائك النيكل مثل 625 حلاً عالي الثقة للظروف الأكثر قسوة. يعتمد الاختيار الصحيح على فهم واضح للتركيب الكيميائي الكامل للعملية، وتقييم واقعي لضوابط التشغيل، ومنظور شامل لتكلفة امتلاك النظام يُعلي من قيمة السلامة الطويلة الأمد على أقل استثمار أولي. في السباق نحو إزالة الكربون، سوف تعتمد موثوقية محطة التقاط الكربون نفسها على هذه القرارات المتعلقة بالمواد.