آلیاژهای پرکاربرد در ابزاردقیق و استاندارد NACE؛ راهنمای انتخاب متریال برای محیطهای خورنده
آشنایی با آلیاژهای پرکاربرد در تجهیزات ابزاردقیق مانند 316L، Duplex، Hastelloy، Inconel و Monel و بررسی ارتباط انتخاب متریال با استانداردهای NACE MR0175 / ISO 15156 و NACE MR0103 در محیطهای خورنده و Sour.
در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، پالایشگاهها و واحدهای فرایندی، تجهیزات ابزاردقیق در بسیاری از موارد مستقیماً یا بهصورت غیرمستقیم با سیالات فرایندی، فشار، دما و محیطهای خورنده در تماس هستند. به همین دلیل انتخاب صحیح متریال یا آلیاژ مورد استفاده در ساخت تجهیزات، یکی از عوامل مهم در افزایش ایمنی، قابلیت اطمینان و طول عمر تجهیزات محسوب میشود.
در تجهیزات مختلفی مانند ترانسمیترهای فشار و اختلاف فشار، فلومترها، تجهیزات اندازهگیری سطح، ترموولها، گیجهای فشار، ولوها و سایر تجهیزات فرایندی، انتخاب متریال مناسب میتواند از مشکلاتی مانند خوردگی، ترکخوردگی، نشتی و خرابی زودهنگام جلوگیری کند.
در این مقاله با مهمترین آلیاژهای مورد استفاده در تجهیزات ابزاردقیق آشنا میشویم و سپس به مفهوم NACE، محیطهای حاوی سولفید هیدروژن و استانداردهای مرتبط با انتخاب متریال در سرویسهای خورنده میپردازیم.
آلیاژ چیست و چرا در ابزاردقیق اهمیت دارد؟
آلیاژ مادهای است که از ترکیب یک فلز با یک یا چند عنصر دیگر به وجود میآید تا خواص مشخصی مانند مقاومت مکانیکی، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت حرارتی یا قابلیت ساخت آن بهبود پیدا کند.
در صنایع فرایندی، شرایط کاری تجهیزات میتواند بسیار متفاوت باشد. یک تجهیز ممکن است در معرض فشار بالا، دمای زیاد، رطوبت، مواد شیمیایی خورنده، کلریدها یا گازهای حاوی H₂S قرار داشته باشد.
بنابراین نمیتوان برای تمام تجهیزات از یک متریال یکسان استفاده کرد و انتخاب آلیاژ باید با توجه به شرایط واقعی سرویس انجام شود.
مهمترین آلیاژهای پرکاربرد در ابزاردقیق
فولاد زنگنزن 304 و 304L
استنلس استیل 304 یکی از فولادهای زنگنزن پرکاربرد است و به دلیل مقاومت مناسب در برابر خوردگی و قابلیت ساخت خوب، در بسیاری از تجهیزات صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد.
گرید 304L دارای مقدار کربن پایینتری نسبت به 304 است و در برخی کاربردهایی که جوشکاری اهمیت دارد، مورد استفاده قرار میگیرد.
با وجود کاربرد گسترده، 304 در تمام محیطهای فرایندی مناسب نیست و در محیطهای دارای کلرید یا برخی شرایط خورنده، ممکن است متریال مقاومتری مورد نیاز باشد.
فولاد زنگنزن 316 و 316L
316 و 316L از متریالهای بسیار رایج در تجهیزات ابزاردقیق هستند.
وجود مولیبدن در ترکیب این آلیاژ باعث میشود مقاومت آن در برابر برخی محیطهای خورنده، بهخصوص محیطهای حاوی کلرید، نسبت به 304 بهتر باشد.
به همین دلیل 316L در قطعات مختلفی مانند:
- بدنه و قسمتهای مرطوب تجهیزات
- دیافراگم و قطعات فرایندی
- اتصالات
- تیوبینگ و فیتینگها
- برخی تجهیزات اندازهگیری
استفاده میشود.
البته استفاده از 316L بهتنهایی به معنای مناسب بودن تجهیز برای هر سرویس خورنده یا Sour Service نیست و شرایط سرویس و الزامات استاندارد باید بهصورت جداگانه بررسی شود.
Duplex Stainless Steel
فولادهای زنگنزن داپلکس ساختاری ترکیبی از فازهای آستنیتی و فریتی دارند و برای دستیابی به ترکیبی از استحکام مکانیکی بالا و مقاومت مناسب در برابر خوردگی طراحی شدهاند.
این آلیاژها در برخی کاربردهای نفت، گاز و پتروشیمی، بهخصوص در شرایطی که استحکام بالا و مقاومت در برابر خوردگی اهمیت دارد، مورد استفاده قرار میگیرند.
Super Duplex Stainless Steel
سوپر داپلکسها نسبت به بسیاری از فولادهای زنگنزن معمولی مقاومت بسیار بالاتری در برابر خوردگی موضعی دارند و در محیطهای سختتر مورد استفاده قرار میگیرند.
این آلیاژها میتوانند در تجهیزاتی که در معرض محیطهای حاوی کلرید یا شرایط فرایندی سخت هستند، کاربرد داشته باشند.
Hastelloy
Hastelloy نام خانوادهای از آلیاژهای پایه نیکل است که برخی گریدهای آن مقاومت بسیار بالایی در برابر انواع خوردگی دارند.
در شرایطی که استفاده از فولاد زنگنزن کافی نباشد، ممکن است از آلیاژهای Hastelloy برای قسمتهای در تماس با سیال استفاده شود.
انتخاب گرید مناسب Hastelloy باید بر اساس ترکیب شیمیایی محیط، دما، فشار و سایر شرایط سرویس انجام شود.
Inconel
Inconel نیز خانوادهای از آلیاژهای پایه نیکل است که برای شرایط دمایی و خورنده دشوار مورد استفاده قرار میگیرد.
برخی گریدهای این خانواده در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و تجهیزات فرایندی کاربرد دارند و میتوانند مقاومت مناسبی در برابر خوردگی و حرارت ارائه کنند.
Incoloy
Incoloy شامل خانوادهای از آلیاژهای مقاوم به حرارت و خوردگی است که بسته به گرید، ترکیبات و خواص متفاوتی دارند.
این آلیاژها در شرایطی که ترکیبی از مقاومت حرارتی و مقاومت خوردگی مورد نیاز باشد، مورد استفاده قرار میگیرند.
Monel
Monel خانوادهای از آلیاژهای پایه نیکل و مس است که مقاومت مناسبی در برابر برخی محیطهای خورنده دارد.
یکی از کاربردهای شناختهشده این خانواده، استفاده در محیطهایی است که مقاومت در برابر برخی مواد شیمیایی و شرایط خورنده اهمیت دارد.
تیتانیوم
تیتانیوم و آلیاژهای آن به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا و مقاومت مناسب در برابر خوردگی، در برخی کاربردهای تخصصی صنایع فرایندی استفاده میشوند.
با توجه به قیمت بالاتر، معمولاً زمانی انتخاب میشود که شرایط سرویس استفاده از یک متریال معمولی را محدود کرده باشد.
NACE چیست؟
NACE نام سازمانی بود که بهطور تخصصی در زمینه خوردگی و کنترل خوردگی فعالیت میکرد و استانداردها و دستورالعملهای متعددی را در این زمینه منتشر کرد.
این سازمان در سال 2014 با SSPC ادغام شد و در ادامه فعالیتهای آن در قالب سازمان AMPP ادامه پیدا کرد.
با این حال، اصطلاح NACE همچنان در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و خوردگی بسیار رایج است و بسیاری از استانداردها و الزامات قدیمیتر همچنان با نام NACE شناخته میشوند.
بنابراین وقتی در یک پروژه صنعتی عباراتی مانند «NACE Material» یا «NACE Compliant» مشاهده میشود، باید مشخص شود دقیقاً به کدام استاندارد و کدام شرایط سرویس اشاره شده است.
NACE MR0175 / ISO 15156 چیست؟
یکی از مهمترین استانداردهای مرتبط با انتخاب متریال در صنعت نفت و گاز، NACE MR0175 / ISO 15156 است.
این استاندارد به انتخاب و ارزیابی متریال برای استفاده در محیطهای حاوی H₂S یا همان Hydrogen Sulfide در تولید نفت و گاز میپردازد.
هدف اصلی آن کاهش خطر آسیبهایی مانند ترکخوردگی ناشی از محیط و شکست متریال در شرایط مشخص سرویس است.
نکته مهم این است که عبارت NACE صرفاً به معنی «ضد خوردگی بودن» یک متریال نیست. مناسب بودن یک متریال باید با توجه به شرایط سرویس و الزامات استاندارد مربوطه بررسی شود.
H₂S و محیط Sour چیست؟
هیدروژن سولفید یا H₂S یک گاز بسیار سمی و خورنده است که میتواند در برخی منابع نفت و گاز وجود داشته باشد.
به محیطهایی که دارای H₂S هستند، در بسیاری از کاربردهای صنعت نفت و گاز، محیط Sour گفته میشود.
وجود H₂S میتواند احتمال برخی مکانیزمهای آسیب و ترکخوردگی را در متریالهای مستعد افزایش دهد. به همین دلیل انتخاب صحیح متریال در این سرویسها اهمیت زیادی دارد.
ترکخوردگی SSC چیست؟
یکی از پدیدههایی که در انتخاب متریال برای محیطهای حاوی H₂S اهمیت دارد، Stress Corrosion Cracking یا ترکخوردگی ناشی از تنش و محیط است.
در سرویسهای Sour، یکی از مکانیزمهای مهم، Sulfide Stress Cracking یا SSC است.
در شرایط مناسب، ترکیب تنش کششی، شرایط محیطی و حساسیت متریال میتواند به ایجاد و گسترش ترک منجر شود.
به همین دلیل کنترل عواملی مانند جنس متریال، سختی، شرایط ساخت و عملیات حرارتی در برخی تجهیزات اهمیت ویژهای پیدا میکند.
NACE MR0103 چیست؟
NACE MR0103 نیز یکی دیگر از استانداردهای شناختهشده در حوزه انتخاب متریال برای محیطهای حاوی H₂S است.
با وجود شباهت موضوعی، MR0103 و MR0175/ISO 15156 دقیقاً یک کاربرد ندارند.
بهصورت کلی:
NACE MR0175 / ISO 15156 بیشتر در ارتباط با تجهیزات مورد استفاده در تولید نفت و گاز و محیطهای Sour مرتبط با این سرویسها مطرح است.
NACE MR0103 برای محیطهای پالایشگاهی و تجهیزات مرتبط با فرآیندهای پالایش نفت و گاز کاربرد دارد.
بنابراین هنگام دریافت مشخصات فنی یک پروژه، نباید صرفاً عبارت «NACE» را کافی دانست و باید استاندارد و محدوده کاربرد مورد نیاز پروژه مشخص شود.
ارتباط NACE با تجهیزات ابزاردقیق
الزامات مربوط به انتخاب متریال میتواند در قسمتهای مختلف تجهیزات ابزاردقیق اهمیت داشته باشد.
برای مثال در یک Pressure Transmitter، ممکن است متریال قسمتهای Wetted Parts، دیافراگم، فلنج یا اتصالات اهمیت داشته باشد.
در تجهیزات دیگر نیز قسمتهای در تماس با سیال میتوانند تحت تأثیر شرایط سرویس قرار بگیرند.
برخی تجهیزاتی که ممکن است نیازمند بررسی متریال و الزامات مرتبط باشند عبارتاند از:
- Pressure Transmitter
- Differential Pressure Transmitter
- Level Transmitter
- Flowmeter
- Pressure Gauge
- Thermowell
- Control Valve
- Valve و Valve Trim
- Fittings
- Tubing
- Manifold
البته میزان و نوع الزامات برای هر تجهیز به طراحی، شرایط فرایند و مشخصات فنی پروژه بستگی دارد.
آیا هر تجهیز Stainless Steel نیاز به NACE ندارد؟
خیر.
یکی از اشتباهات رایج این است که تصور شود اگر تجهیزی از Stainless Steel 316L ساخته شده باشد، پس بهطور خودکار برای NACE مناسب است.
در واقع انتخاب متریال باید با توجه به عواملی مانند:
- ترکیب شیمیایی سیال
- میزان H₂S
- فشار جزئی H₂S
- دما
- pH
- کلراید
- تنش
- سختی متریال
- فرآیند ساخت
- عملیات حرارتی
- نوع تجهیز
- الزامات پروژه
انجام شود.
بنابراین عبارتهایی مانند «316L است، پس NACE است» از نظر فنی کافی نیستند.
چگونه آلیاژ مناسب برای تجهیزات ابزاردقیق انتخاب میشود؟
انتخاب متریال معمولاً با بررسی شرایط واقعی سرویس آغاز میشود.
ابتدا باید مشخص شود تجهیز با چه سیالی در تماس است و این سیال چه ویژگیهایی دارد. سپس فشار، دما، ترکیب شیمیایی، وجود H₂S، کلراید و سایر عوامل خورنده بررسی میشوند.
در مرحله بعد، متریالهای قابل استفاده با الزامات استاندارد مربوطه تطبیق داده میشوند.
در پروژههای صنعتی معمولاً اطلاعاتی مانند Process Data Sheet، Instrument Datasheet، Material Specification و Project Specification برای تعیین الزامات متریال اهمیت دارند.
در نهایت باید مشخص شود که متریال انتخابشده برای شرایط مشخص پروژه و استاندارد مورد نیاز قابل قبول است یا خیر.
تفاوت مقاومت خوردگی و انطباق با NACE
مقاومت خوردگی و انطباق با NACE دو مفهوم یکسان نیستند.
ممکن است یک آلیاژ در برابر یک ماده شیمیایی خاص مقاومت بسیار خوبی داشته باشد، اما این موضوع بهتنهایی نشان نمیدهد که برای یک سرویس Sour مشخص مطابق الزامات NACE مناسب است.
به همین دلیل در انتخاب متریال باید علاوه بر مقاومت عمومی در برابر خوردگی، مکانیزمهای آسیب احتمالی و الزامات استاندارد مربوط به شرایط سرویس نیز بررسی شوند.
جمعبندی
انتخاب صحیح آلیاژ در تجهیزات ابزاردقیق یکی از بخشهای مهم طراحی و بهرهبرداری از تجهیزات صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و سایر صنایع فرایندی است.
آلیاژهایی مانند 304، 316L، Duplex، Super Duplex، Hastelloy، Inconel، Incoloy، Monel و Titanium هرکدام ویژگیها و محدوده کاربرد متفاوتی دارند و نمیتوان یک آلیاژ را برای تمام شرایط مناسب دانست.
از طرف دیگر، در محیطهای حاوی H₂S و سرویسهای Sour، بررسی الزامات استانداردهایی مانند NACE MR0175 / ISO 15156 و NACE MR0103 اهمیت ویژهای پیدا میکند.
بنابراین انتخاب متریال مناسب باید بر اساس شرایط واقعی فرایند، نوع تجهیز، ترکیب سیال، فشار، دما، شرایط خوردگی و استانداردهای مورد نیاز پروژه انجام شود.
پترو داتیس رایکا با ارائه تجهیزات و راهکارهای حوزه ابزاردقیق، در زمینه تجهیزات اندازهگیری و کنترل فرایند صنایع مختلف فعالیت میکند.
