ورق آلیاژی پالایشگاهی: گریدهای پرکاربرد در صنعت نفت و گاز-قیمت ورق آلیاژی

ورق آلیاژی پالایشگاهی

ورق آلیاژی پالایشگاهی شامل ورق‌های فولادی آلیاژی می‌باشد که کاربرد وسیعی در این صنعت دارد بعلت آنکه دارای مقاومت و استحکام خوبی می‌باشند.

صنعت نفت و گاز به عنوان شریان حیاتی اقتصاد جهانی، به شدت به تجهیزات و موادی متکی است. که بتوانند در شرایط عملیاتی بسیار سخت، شامل دماهای بالا، فشارهای شدید و محیط‌های خورنده، عملکردی ایمن و پایدار داشته باشند.

ورق آلیاژی پالایشگاهی

در میان این مواد، ورق‌های آلیاژی (Alloy Steel Plates) نقشی محوری ایفا می‌کنند. این ورق‌ها که برای ساخت مخازن تحت فشار (Pressure Vessels)، دیگ‌های بخار (Boilers)، مبدل‌های حرارتی (Heat Exchangers). و خطوط لوله به کار می‌روند، باید علاوه بر استحکام مکانیکی کافی، از خواص متالورژیکی ویژه‌ای. مانند چقرمگی در دمای پایین، مقاومت به خزش (Creep Resistance). و مقاومت به ترکیبات خورنده مانند سولفید هیدروژن (H₂S) برخوردار باشند. این مقاله به بررسی دقیق استانداردها و گریدهای اصلی این ورق‌های آلیاژی، از جمله سری Cr-Mo (کروم-مولیبدن). برای سرویس دما بالا. سری کربن-منگنز برای سرویس دما متوسط و پایین، و سری نیکل دار برای سرویس برودتی می‌پردازد.

مقدمه

در پالایشگاه‌ها و مجتمع‌های پتروشیمی، فرآیندهایی مانند تقطیر اتمسفری و خلأ، هیدروکراکینگ، تصفیه هیدروژنی. و واحدهای شیرین‌سازی گاز ترش (Sour Gas) در دماها و فشارهای بحرانی انجام می‌شوند. تجهیزاتی مانند رآکتورها، برج‌های تقطیر، مخازن جداکننده، مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله و مخازن ذخیره تحت فشار، همگی از ورق‌های فولادی ساخته می‌شوند. انتخاب جنس و گرید ورق نه تنها بر ایمنی و قابلیت اطمینان فرآیند تأثیر می‌گذارد. بلکه مستقیماً با هزینه‌های تعمیر و نگهداری و طول عمر واحد مرتبط است. استانداردهای معتبر بین‌المللی مانند ASTM (انجمن آزمون و مواد آمریکا)، ASME (انجمن مهندسان مکانیک آمریکا). API (موسسه نفت آمریکا)، EN 10028 (استاندارد اروپایی) و ISO 9328 (سازمان بین‌المللی استانداردسازی)، مشخصات فنی این ورق‌ها را تدوین کرده‌اند.

۱. ورق‌های آلیاژی کروم-مولیبدن (Cr-Mo) برای دماهای بالا و محیط‌های هیدروژنی

پرمصرف‌ترین ورق آلیاژی در بخش‌های با دما و فشار بالا، ورق‌های کروم-مولیبدن بر اساس استاندارد ASTM A387 (معادل ASME SA387) هستند. این استاندارد عمدتاً برای مخازن جوشی و دیگ‌های بخار طراحی شده است که در دمای بالا سرویس می‌دهند. وجود کروم (Chromium – Cr) مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی در دمای بالا را افزایش می‌دهد و مولیبدن (Molybdenum – Mo). استحکام و مقاومت به خزش (Creep) آلیاژ را تقویت می‌کند.

این استاندارد شامل گریدهای مختلفی بر اساس درصد عناصر آلیاژی است که محبوب‌ترین آنها به شرح زیر است:

گرید ۱۱ (Grade 11 Class 2) – ترکیب ۱.۲۵ کروم / ۰.۵ مولیبدن

این گرید به عنوان یک انتخاب اقتصادی و در عین حال مستحکم برای صنایع نفت، گاز و پتروشیمی شناخته می‌شود و در ساخت بویلرها. مبدل‌های حرارتی و مخازن تحت فشار در دماهای متوسط کاربرد دارد. طبق استاندارد مشخصات فنی آن به شرح زیر است: استحکام تسلیم حداقل ۳۱۰ مگاپاسکال (۴۵ ksi). و استحکام کششی بین ۵۱۵ تا ۶۹۰ مگاپاسکال (۷۵ تا ۱۰۰ ksi) دارد و کروم آن ۱.۰۰ تا ۱.۵۰ درصد. و مولیبدن آن ۰.۴۵ تا ۰.۶۵ درصد است. این گرید به دلیل ترکیب بهینه خواص و قیمت، یکی از متداول‌ترین گریدهای مورد استفاده در پالایشگاه‌های ایران. برای ساخت برج‌های تقطیر و مخازن تحت فشار با دمای کاری ۴۵۰ تا ۵۵۰ درجه سانتیگراد است.

ورق آلیاژی پالایشگاهی

گرید ۲۲ (Grade 22 Class 1) – ترکیب ۲.۲۵ کروم / ۱ مولیبدن

با افزایش کروم و مولیبدن، این گرید برای محیط‌های بسیار خورنده و اسیدی (مانند سرویس ترش – Sour Service) مناسب‌تر است. آلیاژ Grade 22 مقاومت بالایی در برابر خوردگی سولفید هیدروژن (H₂S) و ترک خوردگی ناشی آن دارد. این ورق‌ها در ساخت رآکتورهای هیدروکراکینگ و هیدروتریتینگ واحدهای تصفیه نفت خام ترش به کار می‌روند.

مشخصات آن شامل استحکام تسلیم حداقل ۲۰۵ مگاپاسکال (برای ضخامت تا ۵۰ میلی‌متر) و استحکام کششی ۴۱۵ تا ۵۸۵ مگاپاسکال. با عناصری شامل کروم ۲.۶۲-۱.۸۸ درصد و مولیبدن ۱.۱۵-۰.۸۵ درصد است. تحمل دمایی آن تا بیش از ۵۰۰ درجه سانتیگراد است و قابلیت مقاومت در برابر سیکل‌های حرارتی (Thermal Cycling) را نیز داراست. این گرید به طور خاص برای قطعاتی که در تماس مستقیم با سولفید هیدروژن در فشارهای بالا هستند. طراحی شده و در واحدهای نمک‌زدایی نفت خام و شیرین‌سازی گاز طبیعی در ایران بسیار پرکاربرد است.

گرید ۵ (Grade 5 Class 2) – استحکام بالا در برابر اکسیداسیون

این گرید با حدود ۵ درصد کروم، مقاومت بالایی در برابر اکسیداسیون (Scaling) ایجاد می‌کند. Grade 5 برای ساخت مخازن و تجهیزات بخش‌های پایین‌دستی (Downstream) که با اسیدها و گازهای خورنده در تماس هستند، ایده‌آل است. ترکیب شیمیایی آن شامل کروم ۶.۱۰-۳.۹۰ درصد و مولیبدن ۰.۷۰-۰.۴۰ درصد است. و استحکام تسلیم آن حداقل ۳۱۰ مگاپاسکال و استحکام کششی بین ۵۱۵ تا ۶۹۰ مگاپاسکال است. کاربرد اصلی آن در ساخت خطوط لوله تحت فشار بالا، خروجی رآکتورهای پالایشگاهی و تجهیزات استخراج نفت و گاز در محیط‌های اسیدی است.

سایر گریدهای ASTM A387

علاوه بر گریدهای فوق، دیگر گریدهای این استاندارد عبارتند از: Grade 2 (۰.۵ کروم / ۰.۵ مولیبدن). Grade 12 (۱ کروم / ۰.۵ مولیبدن)، Grade 9 (۹ کروم / ۱ مولیبدن). و Grade 91 (۹ کروم / ۱ مولیبدن با وانادیم و نیوبیوم). گرید ۹ و ۹۱ به عنوان آلیاژهای فوق مقاوم (Modified 9Cr-1Mo) در نیروگاه‌های پیشرفته. و واحدهای تبدیل زغال سنگ به گاز (Coal Gasification) که با دماهای بین ۶۰۰ تا ۶۵۰ درجه سانتیگراد. و فشارهای بسیار بالا کار می‌کنند، به کار می‌روند..

نکته فنی: کلاس‌های ۱ و ۲

در استاندارد A387، اکثر گریدها در دو کلاس تولید می‌شوند:

• کلاس ۱ (Class 1): استحکام پایین‌تر، معمولاً عملیات حرارتی نرمالایز و تنش‌زدایی (Normalized + Tempered).
• کلاس ۲ (Class 2): استحکام بالاتر، عملیات حرارتی کوئنچ و تمپر (Quenched + Tempered).

۲. ورق‌های کربن-منگنز (Carbon-Manganese) بر اساس استاندارد ASTM A516

در بخش‌هایی از فرآیند پالایش که دما و فشار متوسط یا پایین است، استفاده از ورق‌های کربنی مقرون به صرفه‌تر خواهد بود. استاندارد ASME SA516 دقیقاً برای چنین سرویس دمای متوسط و پایین طراحی شده است. ویژگی کلیدی این استاندارد، تأکید بر چقرمگی شکست (Notch Toughness) بالا در دماهای پایین است که از گسترش ترک در دماهای زیر صفر جلوگیری می‌کند. این ورق‌ها برای ساخت مخازن تحت فشار جوشی (Welded Pressure Vessels) و مخازن ذخیره API 620 و API 650 ایده‌آل هستند.

ورق آلیاژی پالایشگاهی

این استاندارد بر اساس استحکام کششی به سه گرید اصلی ۵۵، ۶۰ و ۷۰ تقسیم می‌شود. که تفاوت اصلی آنها در میزان کربن و استحکام است. پرکاربردترین گرید آن Grade 70 است که مشخصات عملیاتی زیر را دارد: استحکام تسلیم حداقل ۲۶۰ مگاپاسکال (۳۸ ksi). و استحکام کششی بین ۴۸۵ تا ۶۲۰ مگاپاسکال (۷۰ تا ۹۰ ksi). عناصر آن شامل کربن حداکثر ۰.۲۷٪ و منگنز ۱.۲۰-۰.۸۵٪ بوده و چقرمگی قابل قبول تا دمای ۴۶- درجه سانتیگراد را داراست.

کاربرد اصلی این ورق‌ها در صنعت نفت به شرح زیر است:

مخازن ذخیره سازی اتمسفریک (API 650/620) ذخیره نفت خام و فرآورده‌های نفتی. و مخازن تحت فشار با دمای پایین شامل ذخیره سازی گازهای مایع شده (LPG) در دمای حدود ۴۵- درجه سانتیگراد.

چالش و راهکار: در محیط‌های حاوی سولفید هیدروژن، استفاده از SA516 معمولی با محدودیت مواجه است. بنابراین برای استفاده در سرویس ترش (Sour Service) و جلوگیری از ترک‌خوردگی ناشی از هیدروژن (HIC و SSC). باید ورق با کربن معادل (CEV) پایین‌تر و خالص‌سازی ویژه (نظیر کاهش ناخالصی‌های فسفر و گوگرد) سفارش داده شود. که با عنوان HIC-Resistant در بازار موجود است. در این حالت، حداکثر کربن به حدود ۰.۲۰ درصد و حداکثر گوگرد به ۰.۰۰۲ درصد کاهش می‌یابد. و میزان فسفر و گوگرد نیز به ترتیب به زیر ۰.۰۲۰ درصد و ۰.۰۱۰ درصد محدود می‌شود.

۳. ورق‌های آلیاژی برای سرویس برودتی (Cryogenic Service)

در تأسیسات ذخیره‌سازی و حمل گاز طبیعی مایع شده (LNG) ممکن است دماها به شدت کاهش یابد (تا منفی ۱۹۷ درجه سانتیگراد). در چنین مواردی، فولادهای کربنی معمولی شکننده می‌شوند. برای غلبه بر این محدودیت، از استاندارد ASTM A353 استفاده می‌شود که ورق‌های فولاد آلیاژی ۹ درصد نیکل را پوشش می‌دهد. این ورق‌ها تحت عملیات حرارتی دو بار نرمالایز و تمپر (Double Normalized and Tempered) قرار می‌گیرند. ویژگی اصلی این ورق‌ها چقرمگی استثنایی تا منفی ۱۹۶ درجه سانتیگراد است. این گریدها کاربرد گسترده‌ای در ساخت مخازن کروی (Spherical Tanks) و دیواره‌های ثانویه (Secondary Barriers) برای ذخیره LNG دارند.

۴. ورق‌های سازه‌ای دریایی (Offshore) بر اساس استانداردهای API 2W و API 2Y

با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران در خلیج فارس و فعالیت‌های اکتشاف نفت و گاز فراساحلی، شناخت ورق‌های سازه‌ای دریایی نیز حائز اهمیت است. استاندارد API 2W و API 2Y توسط مؤسسه نفت آمریکا برای ساخت سکوهای دریایی و شناورها تدوین شده‌اند. این استانداردها برای اتصالات بحرانی (K-Joint) که در معرض خستگی ناشی از امواج دریا و پارگی لایه‌ای (Lamellar Tearing) هستند، طراحی شده‌اند. API 2Y و 2W دو استاندارد اصلی در این زمینه هستند که تفاوت آنها در روش‌های تولید. و تأکید بر کنترل فرآیند و بهبود جوش‌پذیری در 2W است. مشخصات انواع API 2W و 2Y شامل:

ورق آلیاژی پالایشگاهی

• API 2W Gr.50: ورق با حداقل استحکام تسلیم ۵۰ ksi که با روش کنترل شده حرارتی-مکانیکی (TMCP). تولید می‌شود و جوش‌پذیری و مقاومت به خستگی بالایی دارد. کشش استحکام ۷۰ تا ۹۰ ksi، غلظت کربن حداکثر ۰.۱۶ درصد و گوگرد حداکثر ۰.۰۱۰ درصد است.

• API 2Y Gr.60: ورق با استحکام بالا که با عملیات حرارتی کوئنچ و تمپر (Q&T) برای کاربردهای آب‌های عمیق. و سازه‌های حیاتی فراساحلی به کار می‌رود. استحکام تسلیم آن بین ۶۰ تا ۹۰ ksi متغیر است.

۵. سایر استانداردها و معادلسازی‌ها

برای هماهنگی بین‌المللی و تسهیل تجارت، معادلسازی‌های دقیقی میان استانداردهای جهانی وجود دارد که در پروژه‌های بین‌المللی بسیار حائز اهمیت است:

• استاندارد EN 10028: این استاندارد اروپایی برای ساخت مخازن تحت فشار کاربرد دارد. برای فولادهای کربنی با دمای متوسط، گریدهایی مانند P355NH (معادل تقریبی ASTM A516 Gr.70). به کار می‌رود که P نشانگر Pressure Vessel و عدد ۳۵۵ نشانگر حداقل استحکام تسلیم ۳۵۵ مگاپاسکال است. و NH مخفف کیفیت دمای بالا با عملیات نرمالایز می‌باشد. برای آلیاژهای کروم-مولیبدن، گرید 13CrMo4-5 معادل ASTM A387 Gr.11 و 10CrMo5-5 معادل ASTM A387 Gr.22 هستند.

• استاندارد ISO 9328: این استاندارد به عنوان استاندارد بین‌المللی فشار ورق‌های فولادی. برای مصارف تحت فشار بوده و تطابق نزدیکی با EN 10028 و ASTM دارد. محدوده وسیعی از فولادهای غیرآلیاژی و آلیاژی با خواص دمای بالا را پوشش می‌دهد.

ورق آلیاژی پالایشگاهی

• استاندارد ساخت و ساز عمومی (ASTM A36): این استاندارد برای سازه‌های فلزی عمومی (پل‌ها و ساختمان‌ها) کاربرد دارد. و در پالایشگاه‌ها برای ساخت ساپورت‌ها، داربست‌ها و ساختمان‌های جانبی استفاده می‌شود. استحکام تسلیم آن حدود ۲۵۰ مگاپاسکال است و کاربرد پالایشگاهی مستقیم ندارد.
• ورق‌های ضد سایش (Wear Plates): در بخش‌های انتقال مواد جامد مانند کاتالیست‌ها، از ورق‌های سخت‌شده . مانند ASTM AR400 یا AR500 (Abrasion Resistant) برای افزایش عمر تجهیزات در برابر سایش استفاده می‌شود. این ورق‌ها آلیاژی‌تر هستند و معمولاً در زیست‌لاین‌ها (Bio-Line) و هاپرها (Hopper) به کار می‌روند.

نتیجه‌گیری

استفاده از ورق‌های آلیاژی در صنعت نفت و گاز، راهکاری حیاتی برای مقابله با چالش‌های شدید عملیاتی است. انتخاب گرید مناسب بر اساس پارامترهایی مانند دمای سرویس، فشار داخلی، وجود و غلظت گازهای خورنده (به ویژه سولفید هیدروژن) و الزامات جوش‌کاری تعیین می‌شود. برای محیط‌های با دمای بالا و کراکینگ کاتالیستی، آلیاژهای کروم-مولیبدن از استاندارد ASTM A387. با گریدهایی نظیر ۱۱، ۲۲ و ۵ انتخاب اصلی هستند و مقاومت به خزش و اکسیداسیون را تضمین می‌کنند. و برای مخازن ذخیره و برج‌های تقطیر در دماهای متوسط، ورق‌های کربن-منگنز ASTM A516 (به ویژه گرید ۷۰) گزینه‌ای اقتصادی و پرکاربرد است. برای محیط‌های برودتی ذخیره LNG، ورق‌های ۹ درصد نیکل استاندارد ASTM A353 الزامی هستند. در سازه‌های فراساحلی دریایی نیز استانداردهای API 2W و 2Y برای اتصالات بحرانی سکوها به کار می‌روند.

منابع

• ASTM International. (2023). ASTM A387/A387M-23: Standard Specification for Pressure Vessel Plates, Alloy Steel, Chromium-Molybdenum. West Conshohocken, PA: ASTM International. قابل دسترسی در: ASTM.org
• ASTM International. (2020). ASTM A516/A516M-20: Standard Specification for Pressure Vessel Plates, Carbon Steel, for Moderate- and Lower-Temperature Service. West Conshohocken, PA: ASTM International. قابل دسترسی در: ASTM.org
• ASTM International. (2017). ASTM A353/A353M-17: Standard Specification for Pressure Vessel Plates, Alloy Steel, 9% Nickel, Double-Normalized and Tempered. West Conshohocken, PA: ASTM International. قابل دسترسی در: ASTM.org

• API SPEC 2W (2019). Specification for Steel Plates for Offshore Structures, Produced by Thermo-Mechanical Control Processing (TMCP), Sixth Edition. Washington, DC: American Petroleum Institute. قابل دسترسی در: API.org
• API SPEC 2Y (2020). Specification for Steel Plates, Quenched-and-Tempered, for Offshore Structures, Sixth Edition. Washington, DC: American Petroleum Institute. قابل دسترسی در: API.org
• EN 10028-3:2017 (2017). Flat products made of steels for pressure purposes – Part 3: Weldable fine grain steels, normalized. Brussels: European Committee for Standardization (CEN). قابل دسترسی در: CEN.eu

• ISO 9328-2:2018 (2018). Steel flat products for pressure purposes — Technical delivery conditions — Part 2: Non-alloy and alloy steels with specified elevated temperature properties. Geneva: International Organization for Standardization. قابل دسترسی در: ISO.org
• ISO 9328-4:2018 (2018). Steel flat products for pressure purposes — Technical delivery conditions — Part 4: Nickel-alloy steels with specified low temperature properties. Geneva: International Organization for Standardization. قابل دسترسی در: ISO.org

ورق آلیاژی پالایشگاهی

• ASME Boiler and Pressure Vessel Code. (2023). Section II – Materials, Part A – Ferrous Material Specifications. New York: American Society of Mechanical Engineers.