انتخاب مواد در واحدهای پالایشگاههای نفت و گاز و پتروشیمی:
خوردگی در عملیات نفت و پتروشیمی :
انتخاب مواد:
انتخاب مواد در ساخت تاثیر به سزایی بر روی قابلیت عملکرد ، اقتصادی بودن و وابستگی به واحدهای پالایش و پتروشیمی دارد. به همین علت ، انتخاب مواد می بایست یک تشریک مساعی بین مواد ، مهندس و واحد اجرایی و اهداف شخصی باشد.این ارتباط اغلب می تواند شرایط وسیعی را تحت تاثیر قرار دهد.
به طور ایده آل یک ماده می بایست هشدارهایی را قبل از از کار افتادگی به ما نشان دهد.موادی که ناگهانی و بدون باد کردن در نتیجه شکست ترد یا SCC می شکنند می بایست اجتناب شوند.
خوردگی عمومی تجهیزات می تواند به سهولت با تکنیک های بازرسی مختلفی تشخیص داده شود.در حقیقت حفره دار شدن منفرد پتانسیل جدی تری دارد.زیرا نشتی در نواحی بالای مشخص شده می تواند رخ دهد و به سختی قابل تشخیص می باشد.
تاثیر محیط روی خواص مکانیکی مواد همچنین می بایست در نظر گرفته شود.مطمئنا شرایط در معرض قرار گرفتن می تواند یک ماده ی در حالت معمول داکتیل را به یک ماده ی خیلی ترد که می تواند بدون هیچ هشداری از کار بیافتد تبدیل کند.
ماده نباید فقط برای شرایط نرمال مناسب باشد.چون همچنین بیشتر آنها باید شرایط ناپایدار را متحمل شوند. نظیر در حین روشن شدن ، خاموش شدن ، شرایط اضطراری و یا Stand by طولانی.اغلب در خلال پدیده های زمانی است که تجهیزات اعوجاج های جدی را متحمل می شوند و یا از کار افتاده می گردند.
ملاحظات خاص آنهایی است که وقتی تجهیزات در معرض آتش قرار می گیرند انجام شود.درمعرض قرار گرفتن ناخواسته که منجر به بالا رفتن درجه حرارت می شوند تنها خواص مکانیکی را تحت تاثیر قرار نمی دهد، بلکه همچنین اثرات زیان آوری نیز می گذارند.گرچه همه پیش بینی های ممکن می بایست برای به حداقل رساندن وقوع آتش انجام گیرد ، مهندس مسئول انتخاب مواد می بایست تشخیص دهد که آتش امکان دارد به وقوع پیوندد و تجهیزات می بایست کمال سلامت خود را به منظور نسوختن در آتش حفظ کنند.
این امر سبب محدود شدن کاربرد مواد با نقطه ذوب پایین یا آنهایی که در معرض شوکهای حرارتی هنگامیکه اطفای حریق با آب انجام می شود حساس هستند ، می شود. به خصوص در موارد لوله های پالایش و تجهیزات نگهدارنده بخارهای قابل اشتعال هیدروکربن ها ، از سوی دیگر مقاومت در برابر آتش برای سیستمهای آبگرد و یا ابزارهای سیستمهای هوایی نباید در نظر گرفته شوند.اگرچه واحدهای پتروشیمی ممکن است پروسه هایی را شامل شود که بخارهای غیر قابل اشتعال و بی خطر تشکیل دهد ، بیشتر تجهیزات می بایست در برابر آتش مقاوم باشند.
کمبود مقاومت در برابر آتش استفاده از اجزای پلاستیکی را در پالایشگاه ها و پتروشیمی ها با وجود مقاومت عالیشان در برابر بسیاری از انواع خوردگی محدود می کند. به علاوه اجزای پلاستیکی در معرض آسیب دیدگی بوسیله خروج بخار در خلال خاموش شدن می باشد.این نیازمند اجزای آزاد از باقیمانده های هیدروکربن و بخار قبل از اجرای بازرسی و عملیات می باشد.
مرحله نهایی در انتخاب مواد یک بازنگری از مواد و تکنیک های کنترل خوردگی که انتخاب شده اند می باشد. می بایست اطمینان نهایی از اینکه واحد ، سرویس مورد نظر را در همه شرایط فراهم می کند بدست بیاید. شامل آنچه در روشن شدن ، خاموش شدن ، شمارش معکوس ، Stand by و شرایط اضطراری رخ می دهد .
مواد اساسی :
فولادهای کربنی و کم آلیاژ :
فولادهای کربنی تقریبا در حداقل ۸۰% از کل اجزای پالایشگاه و واحد های پتروشیمی به علت ارزان بودن ، موجود بودن زیاد و ساخت آسان استفاده می شوند. همه تلاشها برای فراهم کردن شرایط استفاده از فولاد کربنی انجام می شود حتی اگر لازم باشد برای خوب کار کردن فولاد کربنی تغییراتی در پروسه انجام شود.
بخارهای هیدروکربنی خشک می شوند و یا افزودنی هایی برای کاهش پتانسیل مشکلات خوردگی فولاد کربنی تزریق می شوند. برجهای تقطیر ، درامهای جداکننده ها ، پوسته های مبادله حرارت ، تانکهای ذخیره ، اغلب لوله کشی ها و همه ساختارها عوما از فولاد کربنی ساخته می شوند.
فولاد کربنی مولیبیدنی گرید C-0.5Mo پایدارتر از فولاد کربنی ساده در دمای بین ۴۲۵ تا ۵۴۰ درجه سانتیگراد می باشند.زیرا این فولادها مقاومت بیشتری در برابر درجه حرارت بالا و حمله هیدروژن نسبت به فولاد کربنی دارد . در ظروف راکتور ، پوسته های مبادله ی حرارت ، درامهای جدا کننده و لوله کشی های برای پروسه های شامل هیدروژن در درجه حرارت بالای ۲۶۰C از این ماده به طور گسترده استفاده می شود.
اخیرا سوالاتی در رابطه با اثر بلند مدت در معرض هیدروژن قرار گرفتن در فولادهای C-0.5Mo به وجود آمده است ؛ در نتیجه فولادهای کم آلیاژ برای ساختارهای جدید ترجیح داده می شوند. فولادهای کم آلیاژ برای سرویسهای پالایش فولادهای کروم – مولی شامل کمتر از ۱۰% کرم میباشد.این فولادها دارای مقاومت عالی در برابر انواع مشخص خوردگی سولفیده شدن در درجه حرارت بالا و فشار بالا نسبت به حمله هیدروژنی در درجه حرارت بالا هستند.
برای بهبود مقاومت در برابر ترکهای خوردگی هیدروژنی ، فولادهای کم آلیاژ معمولا نیازمند عملیات PWHT (عملیات حرارتی پسگرم ) هستند. برای ظروف راکتور پالایش که در درجه حرارت بالا و فشار بالا کار می کنند. فولاد ۲٫۲۵Cr-1Mo بسیار استفاده می شود .اغلب با فولاد ضد زنگ پوشش داده می شوند.کاربردهای دیگر برای فولاد کم آلیاژ تیوبهای کوره ، پوسته های مبادله حرارت و لوله کشی و درامهای جدا کننده می باشد.
فولادهای ضدزنگ :
به طور گسترده ای به علت مقاومت بالا در برابر خوردگی کاتالیست ها و حلالها در واحدهای پتروشیمی استفاده می شوند.در پالایشگاهها ، استفاده از فولاد ضد زنگ به کاربردهای شامل درجه حرارت بالا خوردگی سولفیدی و اشکال دیگر حملات درجه حرارت بالا محدود می شود.اکثر فولادهای ضد زنگ در حضور کلرایدها حفره دار می شوند.
فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی نظیر نوع ۴۱۰(S41000) می بایست جهت اجتناب از مشکلات ترک خوردگی تنشی ناشی از هیدروژن که در نتیجه محیط شامل سولفید هیدروژن رخ می دهد ، بر رویشان عملیات PWHT صورت گیرد. کاربردهای عمومی شامل اجزای پمپ ، شتاب دهنده ها ، شیرها (valves) ، پره های توربین و شیرهای سینی و سایر سینی های گوناگون از نوع فولاد ضد زنگ ۴۱۰(S41008) برای تیوبهای کوره و لوله کشی ترجیح داده می شوند.
فولادهای ضد زنگ فریتی نظیر نوع ۴۰۵(S40500) در معرض ترک خوردگی هیدروژنی نیستند و بنابراین انتخاب بهتری نسبت به نوع ۴۱۰(S41000) فولادهای ضد زنگ که برای خطوط ظروف که بوسیله جوشکاری به یکدیگر وصل شده اند، می باشند.
فولادهای ضد زنگ آستنیتی نظیر نوع ۳۰۴(S30400) یا نوع ۳۱۶(S31600) ، مقاومت خوردگی عالی دارند. ولی توسط کلرایدها در معرض SCC هستند.اگر حساس شوند همچنین در معرض SCC بوسیله اسید پلی تیونیک هستند.
کاربردهای عمومی شامل خط کشی و اجزای سینی در برجهای تقطیر ، لوله کشی ، تیوبهای تبادل حرارت ، روکشهای راکتور ، تیوبها و نگهدارنده های تیوب در کوره ها ، اجزای مختلف کمپرسور ، توربین ها ، پمپ ها و شیرها و تیوبهای بویلر.
چدنها :
به علت تردی بالا و استحکام کم معمولا برای نگهداری هیدروکربنهای قابل اشتعال استفاده نمی شوند.هدف اصلی برای اجزای پمپ و شیرها ، خارج کننده ها ، جت ها و صافی ها می باشد . سختی زیاد چدن سرعت تاثیر خوردگی راکاهش می دهد . نظیر حفره دار شدن و سایش . چدنهای Si بالا (با ۱۴درصد سیلیسیم) به شدت مقاوم به خوردگی هستند. به علت اینکه لایه پسیو سطحی اکسید سیلیسم در حین در معرض محیط های شیمیایی ( به جز اسید سولفوریک ) قرار گرفتن تشکیل می شود.کاربردهای عمومی در واحدهای پالایشگاهها و پتروشیمی ، شامل اجزای شیر و پمپ برای سرویسهای خورنده می باشد.
چدنهای نیکل بالا ( با ۱۳ تا ۳۷ در صد Ni و تا ۶ درصد Cr ) مقاومت به خوردگی عالی دارند. همچنین در برابر سایش و درجه حرارت بالا مقاوم هستند؛زیرا دارای مقدار آلیاژ نسبتا بالایی هستند.کاربردهای عمومی در اجزای شیر ، قسمتهای کمپرسور ، دمپرها ، اجزای ذوب کننده و قطعات پمپ می باشد.
آلیاژهای مس و آلومینیوم :
اغلب به کاربردهای زیر ۲۶۰C محدود می شوند.زیرا محدودیت استحکام دارند. فلزات دریایی (C44300) تیوبها به طور گسترده ای در کندانسورهای آبگرد و کولرها در بسیاری از پالایشگاهها استفاده می شوند؛ولی اغلب به خوبی در کندانسورها عمل نمی کنند.در کولرها بیشترین علت ازکارافتادگی حفره دار شدن و SCC توسط آلومینا و روی زدایی می باشد.
آلیاژهای Al زمانی در پالایشگاه به عنوان جایگزین برای فولاد کربنی و فلزات دریایی تیوبهای مبادله حرارت در سرویسهای آبگرد استفاده می شدند.تیوبهای آلومینیومی دارای مقاومت بالای در برابر خوردگی سولفیدی آبی در کندانسورهای بالاسری می باشند.
متاسفانه رسوب گذاری و حفره دار شدن در قسمت قرار گرفته در آب همواره یک مسئله بوده است و به استثنای بعضی کاربردهای محدود اغلب پالایشگاهها از تیوبهای آلومینیومی استفاده نمی کنند.تنها استفاده ی اصلی در پالایشگاهها از تیوبهای Al در برجهای مکنده است که آلومینیوم مقاومت در برابر خوردگی توسط اسید نفتیک در اجزای سینی ایجاد می کند. Al همچنین در تشکیل پوششهای آلومینیومی برای محافظت فولادهای کم آلیاژ مقابل خوردگی سولفیدی در درجه حرارت بالا استفاده می شود.
آلیاژهای نیکل :
مخصوصا در مقابل اسید سولفوریک ، اسید هیدروکلریک ، اسید هیدروفلوریک و محلولهای بازی که همه آنها می توانند سبب ایجاد مشکلات خوردگی در عملیات شیمیایی پالایشگاه و پتروشیمی شوند مقاوم می باشند. به محض افزایش درصد Ni به بالاتر از ۳۰% ، آلیاژهای آستنیتی برای اهداف عملی در برابر SCC ناشی از کلرایدها مصون می شوند.
Ni همچنین پایه بسیاری از آلیاژهای درجه حرارت بالا می باشد ولی آلیاژهای نیکل می توانند توسط گازهای گوگردزا در درجه حرارتهای بالا مورد حمله قرار گیرد وترد شود.
آلیاژهای سری ۰۴۰ N04000)) بسیار وسیع به عنوان خطوط برای تجهیزات فولاد کربنی ساده برای جلوگیری از خوردگی توسط اسید هیدروکلریک و نمکهای کلرایدی استفاده می شوند. به همین دلیل تیوبهای آلیاژ ۴۰۰ (N04000) در کندانسورهای بالاسری استفاده می شوند.آلیاژ ۴۰۰ همچنین در برابر خوردگی توسط اسید هیدروفلوریک استفاده می شود.
آلیاژ های نیکل بالا شامل آلیاژ۶۲۵ (N06625) و آلیاژ ۸۲۵ (N08825) برای کاهش خوردگی اسید پلی تیونیک در نوک دودکشها استفاده می شوند.
آلیاژ B-2 (N10665) مخصوصا برای نگهداری اسید هیدروکلریک در همه شرایط و دماها ( شامل نقطه جوش) انتخاب می شود ولی اگر نمکهای اکسیدی وجود داشته باشد تحت حمله قرار می گیرد. آلیاژ B-2 ، آلیاژ C-4 (N10002) و آلیاژ C-276 (N10276) ، مقاومت عالی در برابر همه شرایط اسید سولفوریک تا حداقل ۹۵C دارند.اگرچه گران هستند.این آلیاژها در کاربردهای خاص ناشی از مشکلات خوردگی شدید غیر عادی استفاده می شوند.
تیتانیوم :
جدیدترین ماده برای استفاده در صنعت پالایشگاه می باشد.اما در گذشته در صنایع پتروشیمی استفاده می شده است.
تیتانیوم فلز دمای بالاست.جوشکاری و برشکاری می بایست تحت اتمسفر گاز خنثی به منظور جلوگیری از تردی انجام گیرد. از دیدگاه عملی استفاده از Ti در واحدهای پالایشگاه و پتروشیمی به درجه حرارتهای زیر ۲۶۰C محدود می شود. اگر هیدروژن وجود داشته باشد به منظور جلوگیری از تردی ناشی از شکل گیری هیدرید درجه حرارت نباید بیشتر از ۱۷۵C شود.
Ti کاملا در برابر پروسه های پالایش مقاوم است.تیوبهای ساخته شده از تیتانیوم با گرید ۲ (R50400) به طور گسترده ای در کولرهای بالاسری و کندانسورها در تعدادی از واحدهای پالایشگاه به منظور جلوگیری از خوردگی توسط کلریدهای آبی ، سولفیدها و دی اکسید های سولفور استفاده می شوند.
تیوبها می توانند خورده شوند اگرچه روی آنها اسید رسوب کی کند.تیوبهای Ti اغلب هنگامیکه آب دریا یا آب شور برای خنک کردن استفاده می شود مورد نیاز هستند.جاییکه خوردگی رسوب گذاری تیتانیوم یک مشکل است ، تیتانیوم با گرید ۱۲ (R53400) که با نیکل و مولیبیدن آلیاژ شده است می بایست استفاده شود.آندایزینگ و اکسید شدن در درجه حرارت بالای Ti با گرید ۲ به عنوان یک مزیت خوردگی به حساب می آید.
کدها و استانداردها :
قوانین طراحی ، ساخت ، بازرسی ظروف تحت فشار ، لوله کشی و تانک ها توسط کدها که بویسله آژانس صنعت در کشورهای مختلف توسعه داده شده است فراهم می شود که در جدول ۱ نشان داده شده اند.
• در ایالات متحده ASME/ANST برای بویلرها و ظرف تحت فشار می باشد.
در بسیاری از ایالات مرسوم است که کد دنبال شود و بیشترین ملاحظه روی ایمنی صنعتی صورت گیرد.شماره ایالت که مطابق کد است افزایش می یابد.بنلبراین پله اول در انتخاب مواد برای ساخت دانستن این است که کدام کد پوشش داده شده و کدام نشده است.
کد ASME/ANSI بویلرها و ظروف تحت فشار نیز فولادهای قابل قبول و مقادیر تنشهای مجاز لیست می کند.جزییات خاص برای این فولادها در قسمت AII و BII که بر پایه استاندارد ASTM فراهم شده است.(جدول ۲) کدها همچنین روش محاسبه min ضخامت اجزای مختلف بر پایه دما و فشار را می دهد.نیاز به عملیات حرارتی در حین ساخت و بازرسی همچنین بر پایه آلیاژ انتخاب شده و ضخامت دیواره تحت فشار می باشد.برای ظروف تحت فشار جوشکاری شده قسمت IX از کدهای مشخصه برای کنترل کیفیت پروسه جوشکاری استفاده می شود.
کد اثر محیط را بر روی ماده انتخاب شده در نظر نمی گیرد.کد تشخیص می دهد که خوردگی می تواند رخ دهد و قوانین برای خوردگی مجاز در محاسبه ضخامت دیواره تحت فشار را فراهم می کند.اما مقادیر مناسب برای خوردگی مجاز می بایست بوسیله طراح مشخص شود.همچنین مسئولیت طراح است که هرگونه عملیات حرارتی خاص را تشخیص دهد و تجویز کند و یا محدودیتهای سختی یا جزییات دیگری را به عنوان نتیجه اثر محیط وجود دارد را تجویز کند.
به طور مشابه طراح می بایست صحت تمام رنج شرایط مطلوب عملیات شامل upset که ممکن است مواجه شود را تعیین کند و بنابراین مقیاس طراحی مشخص شود.
منابع و مراجع :
۱- Amine Water Cooler In Hydrogen Planet(Article)-Author : Mr.Khajavi Rad
2- Specific Industries and Environments-corrosion in petroleum refining and petrochemicals operations
3- ASTM handbooks
4- API handbooks
گازهای سوختی – گازهای مایع – انواع بنزین – سوختهای توربین گازی (جت) – نفت سفید – فراورده های میان تقطیر (سوخت دیزل و نفت کوره های سبک) – نفت کوره باقیمانده ای – روغنهای روانساز – روغنهای سفید – فراورده های میان روغنهای ترانسفورماتور و کابل- گریس- مومها (واکس) – آسفالتها – ککها – دوده‌ها – مواد شیمیایی ، حلالها ، متفرقه.
