کاربرد لوله‌ های مانیسمان در انتقال هیدروژن و انرژی‌های نو

هیدروژن به‌عنوان یک حامل انرژی پاک با چگالی انرژی بالا و تنها محصول جانبی آب در هنگام استفاده، نقش مهمی در گذار به نظام‌های انرژی کم‌کربن ایفا می‌کند . سرمایه‎گذاری‌های بین‌المللی در تولید، ذخیره و انتقال هیدروژن در حال افزایش است و واحدهای تولید انرژی نو مانند نیروگاه‌های بادی، خورشیدی و زمین‌گرمایی نیاز به زیرساخت‌های مقاوم، سبک و قابل اعتماد دارند. لوله‌ های مانیسمان به‌دلیل نداشتن خط جوش و خواص مکانیکی مناسب، از مهم‌ترین اجزا برای انتقال هیدروژن و دیگر حامل‌های انرژی نو هستند. این مقاله با استناد به منابع خارجی، کاربردها، مزایا، الزامات و چالش‌های استفاده از لوله‌های مانیسمان در بخش‌های مختلف انرژی نو را بررسی می‌کند.

ماهیت هیدروژن و چالش‌های انتقال

• ویژگی‌های فیزیکی هیدروژن: هیدروژن کوچک‌ترین مولکول گازی است و چگالی بسیار کمی دارد، به همین دلیل برای انتقال مقادیر قابل توجه باید تحت فشار بالا قرار گیرد. هیدروژن نسبت به گاز طبیعی سه برابر سریع‌تر جریان می‌یابد، دارای سرعت شعله‌زنی بالاتر و دامنه اشتعال گسترده‌تری است؛ بنابراین خطوط لوله باید کاملاً آب‌بندی و مقاوم در برابر شکست هیدروژنی باشند .

• خوردگی و تردی هیدروژنی: هیدروژن می‌تواند به داخل فلز نفوذ کرده و باعث ایجاد ترک و شکست شود. این پدیده که به آن شکنندگی هیدروژنی گفته می‌شود، نیازمند انتخاب مواد مقاوم و استفاده از آزمون‌های تخصصی است . مقاله‌ای از شرکت Wingoil توضیح می‌دهد که برای خطوط لوله هیدروژن، مواد باید توان تحمل فشار و خستگی بالا و مقاومت در برابر خوردگی و هیدروژن‌زایی را داشته باشند .

• هزینه و استانداردها: پژوهش‌های شرکت Hunan Fushun نشان می‌دهد که طول خطوط لوله هیدروژن در جهان هنوز بسیار کمتر از خطوط گاز طبیعی است. در اروپا حدود ۱٬۷۷۰ کیلومتر و در آمریکا ۲٬۷۲۰ کیلومتر خط لوله هیدروژن وجود دارد . اکثر خطوط موجود فشار کاری ۴ تا ۵ مگاپاسکال دارند و از لوله‌ های مانیسمان کم‌مقاومت درجه ۲۰ استفاده می‌کنند . دلیل پیشرفت کند زیرساخت‌ها هزینه بالا و آسیب مواد ناشی از هیدروژن است؛ هزینه خطوط هیدروژن در ایالات متحده بیش از دو برابر خطوط گاز طبیعی است، اما انتظار می‌رود با افزایش فشار و مقیاس پروژه‌ها این فاصله کاهش یابد .

• استانداردهای طراحی و ایمنی: استاندارد ASME B31.12 برای خطوط هیدروژن، حداکثر فشار کاری ۲۱ مگاپاسکال را برای مواد استاندارد توصیه و افزایش ضخامت دیواره لوله را برای جبران اثرات هیدروژن الزامی می‌کند . همچنین باید آزمون‌هایی مانند آزمون سرعت کرنش آهسته و آزمون مقاومت شکست انجام شود. شرکت ArcelorMittal گزارش می‌دهد که لوله‌ های مانیسمان کارخانه رومن این شرکت پس از گذراندن آزمون SSRT با فشار ۴۵ بار برای مخلوط‌هایی تا ۱۰۰ درصد هیدروژن، گواهی «آماده برای هیدروژن» دریافت کرده‌اند .

مزایای لوله‌ های مانیسمان برای هیدروژن

1. استحکام و یکنواختی: حذف درز جوش سبب می‌شود لوله‌ های مانیسمان مقاومت بیشتری در برابر فشار و خستگی داشته باشند و ساختار یکنواخت‌تری ایجاد شود . این ویژگی برای فشارهای بالا (۲۰ تا ۱۰۰ بار) که در خطوط لوله هیدروژن معمول است حیاتی است .

2. آب‌بندی و مقاومت به نشت: کوچک بودن مولکول‌های هیدروژن احتمال نشت را افزایش می‌دهد. لوله‌ های مانیسمان با سطح داخلی صاف و بدون خط جوش، نشتی را کاهش می‌دهند و آب‌بندی بهتری فراهم می‌کنند .

3. مقاومت به خوردگی و تردی: لوله‌های ساخته‌شده از فولاد ضدزنگ 304L و 316L در برابر تردی هیدروژنی و خوردگی مقاومت بالایی دارند، هرچند هزینه تولید بیشتر است . آلیاژهای نیکل نیز مقاومت عالی دارند اما برای شرایط بسیار خاص به دلیل هزینه بالا استفاده می‌شوند . لوله‌های فولادی کربنی پوشش‌دار برای فشارهای پایین‌تر و مسیرهای کوتاه مناسب‌اند و به دلیل قیمت پایین، معمولاً با پوشش داخلی یا پوشش ضدخوردگی به کار می‌روند .

4. قابلیت خنک‌سازی و هدایت حرارتی: در مخازن ذخیره و سامانه‌های سوخت‌رسانی خودروهای سلول سوختی، لوله‌ های مانیسمان با دیواره نازک و آلیاژهای ویژه مانند 34CrMo4 استفاده می‌شوند تا در فشار ۷۰ مگاپاسکال و دمای پایین (تا ۴۰- درجه سانتی‌گراد) همچنان انرژی ضربه‌ای بیش از ۸۰ ژول داشته باشند .

5. امکان تولید در ابعاد بزرگ: برای خطوط انتقال طولانی، لوله‌ های مانیسمان با قطرهای بزرگ و ضخامت‌های مختلف تولید می‌شوند. شرکت Mannesmann با تحقیقات تخصصی، لوله‌های هیدروژن-آماده تولید کرده که تا فشار ۱۰۰ بار و خلوص ۱۰۰ درصدی هیدروژن را تحمل می‌کنند . این لوله‌ها با درجات تا X70 طبق استاندارد API 5L تولید می‌شوند و امکان طراحی انعطاف‌پذیر خطوط لوله را می‌دهند .

6. پشتیبانی خدمات: شرکت Vallourec مجموعه‌ای کامل از خدمات شامل انتخاب لوله‌ های مانیسمان برای محیط‌های خورنده و فشار بالا، عملیات پوشش‌دهی ضدخوردگی و حتی بازپرداخت خطوط گاز طبیعی برای انتقال هیدروژن ارائه می‌دهد .

کاربردهای هیدروژن و انرژی نو

خطوط انتقال هیدروژن

• خطوط اختصاصی: لوله‌های بدون‌درز از فولاد ضدزنگ یا آلیاژهای ویژه برای خطوط انتقال اختصاصی هیدروژن استفاده می‌شوند. این خطوط برای انتقال خالص هیدروژن در فواصل طولانی مناسب هستند و در آنها مقاومت به تردی هیدروژنی و آب‌بندی اهمیت زیادی دارد .

• خطوط ترکیبی با گاز طبیعی: تلفیق هیدروژن با گاز طبیعی در خطوط موجود از راه‌حل‌های موقت و مقرون‌به‌صرفه است. کشورهایی مانند فرانسه، ایتالیا و بریتانیا با نسبت‌های ۵ تا ۲۰ درصد هیدروژن در شبکه گاز طبیعی آزمایش‌هایی انجام داده‌اند . با این‌ حال درصد هیدروژن محدود است تا خطرات خوردگی و تغییر خصوصیات شعله کنترل شود .

• پروژه‌های نمونه و گواهی‌شده: شرکت ArcelorMittal اعلام کرده که لوله‌ های مانیسمان کارخانه رومن با موفقیت آزمون‌های کند-کرنش را گذرانده و برای مخلوط‌های تا ۱۰۰ درصد هیدروژن در فشار ۴۵ بار مناسب شناخته شده‌اند . این موفقیت، لزوم انجام آزمون‌های استاندارد و دریافت گواهی ASME B31.12 را برجسته می‌کند.

ذخیره‌سازی و سوخت‌رسانی هیدروژن

• مخازن و سیلندرهای پرفشار: هیدروژن برای ذخیره به فشارهای بسیار بالا (۴۰ تا ۷۰ مگاپاسکال) نیاز دارد. لوله‌ های مانیسمان آلیاژی مانند 34CrMo4 به عنوان بدنه داخلی سیلندرهای ترکیبی پیشرفته استفاده می‌شوند و قادرند در دمای ۴۰- درجه سانتی‌گراد انرژی ضربه‌ای بیش از ۸۰ ژول را حفظ کنند . طراحی‌های جدید با کاهش ضخامت دیواره به ۳٫۲ میلی‌متر وزن سیلندر را ۲۵ درصد کاهش داده و ظرفیت خودروهای سلول سوختی را افزایش داده‌اند .

• سامانه‌های سوخت سلول هیدروژنی: در سیستم‌های سلول سوختی، لوله‌های بدون‌درز از فولاد ضدزنگ برای لوله‌های ورودی و خروجی هیدروژن و سامانه خنک‌کاری استفاده می‌شوند. این لوله‌ها باید آب‌بندی و مقاومت به خوردگی بالایی داشته باشند تا عملکرد پایدار سیستم تضمین شود .

• تجهیزات تولید و فشرده‌سازی: لوله‌های بدون‌درز در تجهیزات تولید هیدروژن از طریق الکترولیز و همچنین در کمپرسورها و تجهیزات فشرده‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این تجهیزات به مواد دارای مقاومت بالا در برابر فشار و خوردگی نیاز دارند .

• ایستگاه‌های سوخت‌رسانی: شرکت Alleima اعلام کرده است که مواد و لوله‌های آنها در بیش از ۷۰ ایستگاه سوخت‌رسانی هیدروژن استفاده شده و توان تحمل فشار تا ۱۰۰۰ بار را دارند . استفاده از لوله‌ های مانیسمان در این ایستگاه‌ها ایمنی و دوام را تضمین می‌کند.

کاربری‌ها در انرژی‌های تجدیدپذیر

• نیروگاه‌های بادی: لوله‌ های مانیسمان با قطر بزرگ در ساخت برج‌های توربین بادی، سیستم‌های انتقال قدرت و سازه‌های پشتیبان استفاده می‌شوند. این لوله‌ها باید استحکام بالا، مقاومت خستگی و مقاومت به خوردگی داشته باشند تا بارهای متناوب ناشی از باد و محیط‌های خورنده دریایی را تحمل کنند .

• سیستم‌های فتوولتائیک و حرارتی خورشیدی: در سازه‌های نگه‌دارنده پنل‌های خورشیدی و سیستم‌های گرمایش خورشیدی، لوله‌ های مانیسمان به‌عنوان قاب‌های مقاوم و لوله‌های مبدل حرارتی استفاده می‌شوند. مقاومت در برابر حرارت و خوردگی و قابلیت تحمل دمای بالا برای عملکرد بلندمدت لازم است .

• انرژی زمین‌گرمایی: لوله‌ های مانیسمان در چاه‌های زمین‌گرمایی و خطوط انتقال سیال گرم کاربرد دارند. این لوله‌ها باید دمای بالا و محیط‌های خورنده را تحمل کنند و خواص مکانیکی خود را در فشار بالا حفظ نمایند .

شرکت Zhantong نیز اشاره می‌کند که رشد سرمایه‌گذاری در پروژه‌های زمین‌گرمایی، نیاز به لوله‌ های مانیسمان مقاوم را افزایش می‌دهد .

• پروژه‌های بادی دریایی و ساختارهای دریایی: در پروژه‌های بادی دریایی، لوله‌ های مانیسمان برای ساخت سازه‌های پشتیبانی و سیستم‌های انتقال سیال استفاده می‌شوند و باید در برابر فشار آب، امواج و خوردگی دریایی مقاومت کنند .

• صنعت خودروهای برقی و سلول سوختی: لوله‌های بدون‌درز در سیستم‌های خنک‌کننده باتری، شاسی و اجزای ساختاری خودروهای برقی استفاده می‌شوند. این لوله‌ها باید هدایت حرارتی خوب و استحکام بالا داشته باشند تا در عین وزن کم، ایمنی و عملکرد را تضمین کنند .

انتخاب مواد و ملاحظات طراحی

برای انتخاب لوله مناسب باید ویژگی‌های کاربری، فشار، دما، محیط و هزینه در نظر گرفته شود. خلاصه‌ای از گزینه‌های اصلی:

• فولاد کربنی: ارزان و فراوان است و در فشارهای کم و متوسط همراه با پوشش داخلی یا بیرونی استفاده می‌شود. این مواد برای خطوط کوتاه و پروژه‌های موقتی یا خطوط ترکیبی گاز طبیعی-هیدروژن مناسب هستند .
• فولاد ضدزنگ 304L و 316L: مقاومت به خوردگی و تردی هیدروژنی بالایی دارند و برای خطوط انتقال خالص، مخازن و تجهیزات فشار بالا استفاده می‌شوند . این مواد هزینه بالاتری دارند و نیازمند تکنیک‌های جوش‌کاری ویژه هستند.

• آلیاژهای نیکل و فولادهای پرآلیاژ: در شرایط بسیار سخت و فشارهای بسیار بالا یا دماهای بسیار پایین، لوله‌های از جنس آلیاژ نیکل یا فولاد پرآلیاژ استفاده می‌شوند. هزینه این لوله‌ها بسیار بالاست اما مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر هیدروژن و خوردگی دارند .

• پوشش‌ها و ترکیبات کامپوزیتی: برای فشارهای پایین‌تر و مسافت‌های کوتاه، از لوله‌های کامپوزیتی یا پلی‌اتیلنی تقویت‌شده استفاده می‌شود؛ اما این مواد مقاومت مکانیکی و طول عمر کمتری نسبت به فولاد دارند .

• آزمون و گواهی: قبل از استفاده، لوله‌ها باید آزمون‌های مکانیکی (مثلاً آزمون سرعت کرنش آهسته) و آزمون‌های سازگاری با هیدروژن را طی کنند. استانداردهای بین‌المللی مانند ISO 11114‑4 و ASTM G142 روش‌های آزمایش مقاومت به هیدروژن را تعریف می‌کنند . دریافت گواهی «H2 Ready» بر اساس این آزمون‌ها نشان‌دهنده ایمنی و قابلیت اعتماد لوله‌هاست .

چالش‌ها و آینده

علیرغم مزایای فراوان، استفاده از لوله‌های بدون‌درز در زیرساخت هیدروژن و انرژی‌های نو با چالش‌هایی همراه است:

• هزینه‌های اولیه بالا: تولید لوله‌های مقاوم در برابر هیدروژن و پوشش دادن آن‌ها هزینه‌بر است. مطالعات فوشون نشان می‌دهد که هزینه خطوط هیدروژن بیش از دو برابر خطوط گاز طبیعی است، گرچه با افزایش مقیاس و فشار، این اختلاف کاهش می‌یابد .

• شکنندگی هیدروژنی و خستگی: حتی فولادهای قوی در محیط هیدروژن ممکن است دچار کاهش چقرمگی و رشد ترک شوند؛ بنابراین باید مواد و طراحی مناسب انتخاب و پایش مداوم انجام شود .

• تأمین مواد و همخوانی استانداردها: دسترسی به آلیاژهای خاص و مطابقت با استانداردهای متنوع بین‌المللی می‌تواند پیچیده باشد .

• نیاز به تحقیقات و نوآوری: تولیدکنندگان بزرگ، مانند Vallourec، Tenaris و Nippon Steel، در حال توسعه لوله‌های «H2 Ready» هستند و کارخانه‌های دیگر (مانند Třinecké Železárny در چک) با همکاری مراکز پژوهشی برای بهبود مقاومت مواد و دریافت گواهی‌های لازم تلاش می‌کنند .

• پایش و ایمنی محیطی: خطر نشت هیدروژن و اثرات آن بر اتمسفر نیازمند سیستم‌های تشخیص نشت و نگهداری دقیق است . علاوه بر این، مصرف انرژی برای فشرده‌سازی هیدروژن اگر از منابع تجدیدپذیر تأمین نشود، می‌تواند اثرات زیست‌محیطی را کاهش دهد .

در کنار چالش‌ها، روندهای مثبتی نیز دیده می‌شود. تقاضای بازار برای لوله‌ های مانیسمان در انرژی‌های نو از سال ۲۰۲۴ تا ۲۰۳۰ با نرخ بیش از ۶ درصد رشد پیش‌بینی شده است، که ناشی از سیاست‌های انرژی پاک، سرمایه‌گذاری در شبکه‌های هیدروژنی و توسعه پروژه‌های بادی دریایی است . نوآوری‌هایی مانند تولید فولاد کم‌کربن با استفاده از هیدروژن، پوشش‌های پیشرفته و فناوری‌های پایش هوشمند نیز در حال پیشرفت هستند و می‌توانند پایداری و کارایی این لوله‌ها را افزایش دهند . برخی تولیدکنندگان مانند Alleima بیش از ۸۰ درصد فولاد مصرفی خود را بازیافت می‌کنند و با برق تقریباً بدون سوخت فسیلی تولید می‌کنند ، که نشان‌دهنده گرایش صنعت به تولید پایدار است.

نتیجه‌گیری

افزایش تقاضا برای انرژی‌های پاک و انتقال جهانی به سمت اقتصاد هیدروژن، اهمیت زیرساخت‌های قابل اعتماد و ایمن را بیشتر کرده است. لوله‌ های مانیسمان، به‌واسطه استحکام بالا، حذف درز جوش، آب‌بندی مناسب و مقاومت به خوردگی، گزینه‌ای ایده‌آل برای انتقال و ذخیره هیدروژن و کاربری‌های متعدد در انرژی‌های نو هستند. این لوله‌ها در ساخت خطوط لوله اختصاصی و ترکیبی، مخازن و سیلندرهای پرفشار، سیستم‌های سوخت‌رسانی، توربین‌های بادی، سیستم‌های خورشیدی و زمین‌گرمایی و همچنین خودروهای برقی و سلول سوختی نقشی محوری دارند.

برای بهره‌برداری مؤثر از این فناوری، انتخاب مواد مناسب، رعایت استانداردهای بین‌المللی، انجام آزمون‌های کیفی، به‌کارگیری پوشش‌های حفاظتی و پایش مداوم ضروری است. همچنین باید به هزینه‌ها، محدودیت‌های تأمین مواد و چالش‌های خوردگی توجه کرد. به موازات رشد فناوری‌های تولید فولاد کم‌کربن و پوشش‌های هوشمند، انتظار می‌رود لوله‌ های مانیسمان سهم مهمی در تحقق چشم‌انداز انرژی پایدار و اقتصاد هیدروژنی داشته باشند.