اختيار مكونات الختم للوسائط التي تحتوي على الغاز الطبيعي وكبريتيد الهيدروجين: دليل للظروف القاسية

في صناعات النفط والغاز الطبيعي والكيماويات، يُشكل التعامل مع الغاز الطبيعي الغني بكبريتيد الهيدروجين (H₂S)، والذي يُطلق عليه غالبًا "الغاز الحامض"، تحدياتٍ بالغة فيما يتعلق بموثوقية المعدات وسلامتها. فكبريتيد الهيدروجين ليس سامًا للغاية وقابلًا للاشتعال والانفجار فحسب، بل هو أيضًا مادة تآكلية قوية. ويمكن أن يُسبب تشققات إجهادية ناتجة عن كبريتيد المعادن (SSC) وتشققات ناتجة عن الهيدروجين (HIC)، بالإضافة إلى تورم وتصلب وتدهور مواد العزل غير المعدنية. لذلك، يُعد اختيار مكونات العزل المناسبة لهذه الوسائط أمرًا بالغ الأهمية، إذ يؤثر بشكل مباشر على سلامة الإنتاج وحماية البيئة وتشغيل المعدات على المدى الطويل.

​1. تحليل حالة التشغيل والتحديات الأساسية​

قبل اختيار الأختام، من الضروري فهم خصائص الوسائط بشكل كامل:

1. ​تآكل كبريتيد الهيدروجين (H₂S)يذوب كبريتيد الهيدروجين (H₂S) في الماء مُشكِّلاً حمضًا ضعيفًا، يُسبب تآكلًا شديدًا للعديد من الإيلاستومرات والمعادن. يُمكن أن يُؤدي إلى كسر السلاسل الجزيئية لمواد الختم، مما يُؤدي إلى فقدانها لمرونتها، أو هشاشتها، أو انتفاخها بشكل مفرط، مما يُؤدي إلى تلفها.
2. ​خصائص الغاز الطبيعي (الميثان بشكل أساسي):الغاز الطبيعي بحد ذاته وسط غير قطبي، وقد يُسبب انتفاخًا في بعض أنواع المطاط. غالبًا ما تكون الأنظمةضغط عالي، مما يتطلب أن تتمتع الأختام بمقاومة ممتازة للضغط ومجموعة ضغط منخفضة.
3. ​ظروف التشغيل المجمعة: درجة حرارة الوسط، والضغط، والتركيز، ووجود الماء (الذي يُفاقم تآكل كبريتيد الهيدروجين بشكل كبير) كلها عوامل حاسمة. تتراوح درجات حرارة التشغيل الشائعة بين درجة حرارة الغرفة وأكثر من ١٠٠ درجة مئوية.

​ثانيًا: اختيار مادة الختم الموصى بها​

وبناءً على التحديات المذكورة أعلاه، أثبتت مواد الختم التالية موثوقيتها في بيئات الغاز الطبيعي التي تحتوي على كبريتيد الهيدروجين:

​1. المطاط المشبع بالفلور (FFKM).​

• ​أداء:هذا هو حالياأعلى درجةخيار، يُعرف بـ"ملك الإيلاستومرات". يتميز بخمول كيميائي ممتاز، إذ يقاوم جميع المواد الكيميائية تقريبًا، بما في ذلك حمض الكبريتيك المركز، والقواعد القوية، وكبريتيد الهيدروجين العدواني. كما يتميز بمقاومته الممتازة لدرجات الحرارة العالية (استخدام مستمر حتى 280-300 درجة مئوية فأكثر).
• ​طلب: ظروف قاسية ذات درجات حرارة وضغط وتركيز عالٍ من كبريتيد الهيدروجين، مثل معدات رأس البئر، وصمامات الضغط العالي، وأختام الضاغط. على الرغم من تكلفتها العالية، إلا أنها الخيار الأمثل لضمان السلامة المطلقة.
• ​الدرجات الشائعة:Chemraz®، Perlast®، إلخ.

​2. مطاط النتريل بوتادين المهدرج (HNBR)​

• ​أداءمقارنةً بمطاط النتريل القياسي (NBR)، يتميز مطاط النتريل HNBR بمقاومة أفضل للحرارة، ومقاومة كيميائية، ومقاومة للشيخوخة من خلال عملية الهدرجة. كما يوفر مقاومة جيدة لوسائط النفط والغاز، وتركيزات معتدلة من كبريتيد الهيدروجين (H₂S)، بالإضافة إلى قوة ميكانيكية عالية ومقاومة ممتازة للتآكل.
• ​طلب: درجة حرارة متوسطة (عادةً من -٢٥ درجة مئوية إلى ١٥٠ درجة مئوية)، وضغط متوسط، وظروف تآكل معتدلة. يُعد خيارًا اقتصاديًا يُستخدم غالبًا في أختام الصمامات، والحلقات الدائرية، وحشيات الشفة.
• ​ملحوظة:غير مناسب للبيئات القاسية ذات تركيز H₂S المرتفع للغاية ودرجة الحرارة المرتفعة في نفس الوقت.

​3. فلورولاستومر (FKM/Viton®)​​

• ​أداءلطالما كان FKM من أكثر أنواع الإيلاستومرات عالية الأداء استخدامًا في بيئات الغاز الحامض. يتميز بمقاومة ممتازة لدرجات الحرارة المرتفعة (حوالي ٢٠٠-٢٣٠ درجة مئوية)، والزيوت، والعديد من المواد الكيميائية (بما في ذلك كبريتيد الهيدروجين).
• ​طلبمناسب لمعظم بيئات الغاز الطبيعي التي تحتوي على كبريتيد الهيدروجين (H₂S)، وهو خيار مثالي يجمع بين الأداء والتكلفة. يُستخدم على نطاق واسع في الحلقات الدائرية (O-rings) والحلقات على شكل حرف V (V-rings)، وحشيات الشفة، وأختام ساق الصمام.
• ​ملاحظة هامة: كن على علم بـ FKM'sأداء ضعيف في درجات الحرارة المنخفضةواحتمال تدهور الأداء على المدى الطويل في البخار أو الماء الساخن. تأكد من أن المركب المحدد مناسب للخدمة الحامضية.

​4. بولي تترافلورو إيثيلين (PTFE) ومركباته​

• ​أداءيتميز PTFE، المعروف بـ"ملك البلاستيك"، بخواص كيميائيّة شبه مثالية، إذ يقاوم تمامًا كبريتيد الهيدروجين (H₂S) والأحماض والقواعد والمذيبات مهما كان تركيزها. ويتميّز بنطاق واسع جدًا من درجات الحرارة (من -١٨٠ درجة مئوية إلى ٢٦٠ درجة مئوية)، ومعامل احتكاكه منخفض جدًا.
• ​طلبيُستخدم عادةً في حلقات التعبئة، وقواعد الصمامات، وحلقات منع البثق، وأختام الشفاه. يتميز PTFE النقي بانخفاض مرونته وسرعة تدفقه، لذا يُخلط عادةً مع الألياف الزجاجية، والجرافيت، وألياف الكربون، وغيرها، لتحسين القوة الميكانيكية، ومقاومة الزحف، ومقاومة التآكل.
• ​الاستمارات:تستخدم غالبًا في الأختام المصبوبة أو حلقات التعبئة الآلية.

​5. الأختام المعدنية​

• ​أداء:في ظل الضغوط العالية جدًا، ودرجات الحرارة العالية جدًا، أو الظروف القاسية التي لا تصلح فيها المطاطات، تُعدّ الأختام المعدنية الحل الأمثل. تشمل المواد الشائعة:الفولاذ المقاوم للصدأ 316L، ​سبيكة 625 (إنكونيل 625)، ​سبيكة C276 (Hastelloy C276)​، وغيرها من السبائك المقاومة للتآكل.
• ​الاستماراتعادةً ما تكون حلقات O معدنية (صلبة أو مجوفة)، وحلقات C معدنية، وأختام تعمل بنابض. تعتمد هذه الحلقات على التشوه المرن للمعدن لتحقيق إحكام، وتتحمل ضغوطًا ودرجات حرارة عالية جدًا.
• ​طلب:أشجار عيد الميلاد على رؤوس الآبار، وصمامات الضغط العالي، والمفاعلات، ووصلات خطوط الأنابيب.

​ثالثًا: المواد التي يجب تجنبها​

• ​مطاط النتريل القياسي (NBR):مقاومة غير كافية لـ H₂S ودرجات الحرارة المرتفعة؛ تتحلل بسرعة.
• ​مونومر الإيثيلين بروبيلين ديين (EPDM):على الرغم من مقاومته للبخار، إلا أن مقاومته للزيوت والهيدروكربونات ضعيفة للغاية، حيث ينتفخ بشدة في الزيت.
• ​النيوبرين (CR):مقاومة ضعيفة للأحماض بشكل عام؛ الأداء أقل بكثير من FKM/HNBR.
• ​بعض البولي يوريثين (PU): عرضة للتحلل المائي وغير مقاومة للتآكل بغاز H₂S.

​رابعًا: الاختيار والاعتبارات​

1. ​تأكيد معلمات التشغيل:درجة الحرارة والضغط وتركيز H₂S وCO₂ ووجود الماء هي الأساس للاختيار.
2. ​الرجوع إلى المعايير:اتبع معايير الصناعة مثل NACE MR0175/ISO 15156 (صناعات البترول والغاز الطبيعي - مواد للاستخدام في البيئات التي تحتوي على H₂S في إنتاج النفط والغاز)، والتي توفر إرشادات مفصلة حول اختيار المواد المعدنية وغير المعدنية.
3. ​اختبار توافق المواد:في حالة عدم التأكد، اطلب دائمًا مخططات التوافق الكيميائي من مورد الأختام أو قم بإجراء اختبارات الغمر التي تحاكي ظروف التشغيل للتحقق من الأداء.
4. ​تصميم الختم:تتطلب المواد الممتازة تصميمًا دقيقًا (نسبة ضغط مناسبة، واستخدام حلقات مضادة للضغط) لتحقيق الأداء الأمثل.
5. ​مؤهلات الموردين:اختر موردي الأختام المؤهلين وذوي الخبرة لضمان صحة المواد وعمليات التصنيع الموثوقة.

​خاتمة​

عند التعامل مع الغاز الطبيعي ووسائط كبريتيد الهيدروجين،السلامة هي الأولوية القصوىلا ينبغي أن يعتمد اختيار مكونات الختم في المقام الأول على التكلفة ولكن علىموثوقية وملاءمة المواد.

• ​التوصية الأساسية:بالنسبة لمعظم الظروف،الفلوروإيلاستومر (FKM)​ هو خيار اقتصادي وموثوق.
• ​الظروف القاسية:في حالة درجات الحرارة العالية والضغط العالي والتآكل العالي،بيرفلوروإيلاستومر (FFKM)​ أو ​أختام معدنية من سبائك خاصة​ هي استثمار ضروري.
• ​التطبيقات الخاصة: ​مركبات PTFE​و ​مطاط النتريل المهدرج (HNBR)​أداء ممتاز ضمن نطاقاتهم المطبقة.

اختيار مُكوّن الختم المناسب هو بناء حاجز آمن وموثوق ودائم. وهو قرار فني بالغ الأهمية لضمان سلامة الموظفين، ومنع التلوث البيئي، وضمان استمرارية الإنتاج.