ألياف الكربون

تطوير التقنيات

تبتكر أرامكو السعودية حلولًا لا معدنية متعددة لتلبية الطلب العالمي على الطاقة والمواد، من بينها الحلول القائمة على المنتجات المعززة بألياف الكربون. إذ يتميّز هذا النوع من المنتجات بخفة الوزن والمتانة ومقاومة التآكل ودرجات الحرارة المرتفعة. لهذا، نعمل على تطوير تقنيات جديدة بإمكانها أن تساعد في خفض تكاليف المنتجات القائمة على الألياف الكربونية، وتوسيع أفق تطبيقاتها الجديدة. 

 

ما هي ألياف الكربون؟

ألياف الكربون مادة رقيقة جدًا أخف من الألمنيوم، وأقوى من الفولاذ، تتميز بالمتانة وتنوع استخداماتها، مما يجعلها مادة تصنيع مثالية للعديد من الصناعات.

تتكون ألياف الكربون عادةً من بوليمرات عضوية اصطناعية تسمى بولي أكريلونيتريل (PAN)، تتشكّل في ذرات كربون طويلة ومترابطة بإحكام، تُسمى خيوط أو سلاسل وتكتسب قوتها عند ربطها معًا مثل خيوط الغزل، ويمكن بعد ذلك نسجها لتصبح بشكل قماش، أو إضافتها إلى الراتنج وتشكيلها بالقوالب. ويتفرّد كل مُنتِج من منتجي قطاع صناعة الألياف ببصمته الخاصة في تصميم خصائص ألياف الكربون، مما يعني أن طرق الإنتاج يمكن أن تكون سرية للغاية وخاضعة لحماية شديدة.

ما هي فوائد ألياف الكربون؟

تُعد قدرة أي مادة على تخفيف الوزن مع الحفاظ على القوة، أمر مهم جدًا؛ فعلى سبيل المثال، في مجال السيارات، يمكن أن يؤدي خفض وزن السيارة إلى تقليل استهلاك الوقود، وتقليل الانبعاثات دون المساس بالأداء أو السلامة. وبالنسبة لألياف الكربون فهي تتميّز بقوة نوعية وصلابة أعلى مقارنة بالمعدن، وتقدم المنتجات المُركّبة المعززة بألياف الكربون مجموعة واسعة من الفوائد العملية، في ذات الوقت الذي توفّر فيه التكاليف، نظرًا لسرعة تركيبها ومناعتها ضد التآكل وانخفاض تكاليف صيانتها وتشغيلها.

تنجذب القطاعات التي تبحث عن مكونات صناعية: خفيفة الوزن، صلبة الهياكل، وذات دورات صيانة أطول وإنتاجية محسّنة، إلى الخصائص الفريدة التي تتميز بها ألياف الكربون.

ماهي الصناعات التي تستخدم ألياف الكربون؟

إطارات الدراجات الهوائية الفخمة، وشاسيه سيارات سباقات فورمولا 1، وشفرات المراوح، وأجزاء الطائرات المسيرة، وأجنحة الطائرات، والأنابيب، ومكونات السيارات، ومخازن الطاقة، وشفرات توربينات الرياح، وحتى أقواس الرماية والسهام، جميعها أمثلة على المنتجات المصنعة باستخدام مواد مركبة معززة بألياف الكربون.

كان قطاع الطيران والفضاء أول القطاعات التي اعتمدت ألياف الكربون، نظرًا لخواصه الهائلة في تقليل الوزن. أما في قطاع النفط والغاز، فيتمّ استخدام ألياف الكربون لتقوية خطوط الأنابيب، وتغليف آبار النفط، وتقليل التآكل، والتأثير البيئي للبدائل المكلفة.

لم تكن القطاعات الترفيهية التي تنتج سلعًا مثل المعدات الرياضية والآلات الموسيقية، بمعزل عن ذلك، إذ تعتمد على ألياف الكربون كبديلٍ أكثر ثباتًا وخفةّ في الوزن للمواد التقليدية الأخرى، مثل الخشب وغيره، فهي تستخدم في السيارات الفاخرة وسباقات السيارات، لجعلها أخف وزنًا وأكثر أمانًا وكفاءة في استهلاك الوقود.

و نظرًا إلى أن عملية تصنيع ألياف الكربون صعبة ومرتفعة التكاليف نسبيًا، لازم البطء الاعتماد عليها في بعض قطاعات، وبالتالي، فإن خفض التكلفة يمكن أن يجعل من ألياف الكربون حلًا قابلًا للتطبيق في قطاعات إنتاج السلع غير الكمالية مثل سيارات الركاب، ومجموعة متنوعة من تطبيقات الطاقة النظيفة. وفي ذات الوقت الذي يواصل فيه العديد من مقدمي التكنولوجيا ابتكار منتجات جديدة مصنوعة من ألياف الكربون المركبة منخفضة التكلفة، تعمل أرامكو السعودية على تخفيف المخاوف من التكلفة العالية للمواد المصنوعة من ألياف الكربون من خلال مبادراتها البحثية.

ماذا تفعل أرامكو السعودية؟

السبب الرئيس لارتفاع سعر الألياف الكربونية إلى أن عملية الإنتاج تستهلك كمًا هائلًا من الطاقة، فحتى يتسنى للأفران حاليًا تنقية الألياف الكربونية، يتعين عليها أن تصل إلى درجة حرارة 2,730 فهرنهايت (1,500 درجة مئوية).  
ولأن تخفيض تكاليف الإنتاج وأسعار ألياف الكربون أو المنتجات المصنوعة من ألياف الكربون لتصبح في متناول اليد، يمثل فرصة لنا يمكن أن نستكشفها ونصبح من خلالها لاعبين أساسين في دعم إنشاء وتطوير أسواق جديدة لهذه السلعة بالتحديد؛ تعمل أرامكو السعودية مع عدد من الشركاء لتخفيض استهلاك الطاقة اللازمة لإنتاج الألياف الكربونية، بهدف خفض تكلفة تصنيع درجات معينة من الألياف الكربونية بنسبة 50 بالمئة، وسيعجّل النجاح في ذلك عملية الاعتماد على الألياف الكربونية حتى في غير القطاعات المنتجة للسلع الفخمة غالية الثمن.  

كما تبحث الشركة بالتعاون مع معهد تقنية النسيج في ألمانيا، عن سبل أخرى لتقديم الألياف الكربونية ذات التكلفة الاقتصادية الملائمة إلى الأسواق، لزيادة الطلب على التقنيات القائمة على البوليمرات، وتطبيقها على نطاق واسع في الأسواق العامة. 

كيف نستخدم الألياف الكربونية في أعمالنا؟  

تستخدم أرامكو السعودية المواد المركبة القائمة على الألياف الكربونية منذ عام 2017م. فهي تُستخدم الآن في عددٍ من التطبيقات في كافة أعمال الشركة، بما في ذلك خطوط الأنابيب، وإصلاح تغليف أسفل البئر. 

أنابيب اللدائن الحرارية المصنوعة من مواد مركبة 

تُعرف أنابيب الرفع إلى فوهات الآبار، بأنها نوع من شبكات الأنابيب المهمة لفتح البئر النفطي المحفورة حديثًا في الوقت المحدد، لكن غالبًا ما يستغرق تصنيعها وقتًا أطول، إذ لا يتم إلا بعد مغادرة جهاز الحفر للموقع.
 في عام 2018م، استخدمنا أنبوبًا مترابطًا غير معدني معززًا بالألياف الكربونية يسمى أنبوب اللدائن الحرارية المصنوعة من مواد مركبة (TCP) كأنبوب رفع لفوهة البئر. يتميز أنبوب اللدائن الحرارية المصنوع من مواد مركبة بقدرة تحمل ضغط أعلى مقارنة بالأنابيب التقليدية المصنوعة من مواد مركبة غير معدنية، أو خطوط الأنابيب الفولاذية التقليدية. كما أنه له القدرة على تحسين المرونة والعزل الحراري، إضافة إلى انخفاض نفاديته ومقاومته لثاني أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين. 

مكافحة الصدأ 

 لمواجهة التكاليف العالية الناشئة عن الصدأ في المعادن المستخدمة سواءً كان في خطوط الأنابيب السطحية أو تغليف أسفل البئر، بدأت الشركة في عام 2018م،استخدام الألياف الكربونية في عمليات الإصلاح، كحلولٍ لإعادة تأهيل السلامة الإنشائية للغلاف السطحي المتضرر بالصدأ واستعادتها.

الراتنجات المعززة المُصلّدة بالتسخين

يتسبب نقل المنتجات المكررة مثل الديزل والبترول من خلال أنابيب غير معدنية وغير موصلة، في تراكم شحنات كهروستاتيكية لا يمكن تبديدها على طول الأنبوب. 

لكن في عام 2020م نجحت اختبارات أرامكو السعودية لأنبوب راتنج مُقوّى بالحرارة ومعزز بالدمج في ألياف الكربون، في تقليل تراكم الشحنات الكهروستاتيكية وتحسين سلامة النظام عمومًا.

التطلع إلى المستقبل: تعزيز إنتاج الألياف الكربونية في السعودية

في إطار إستراتيجيتنا في قطاع التكرير والمعالجة والتسويق التي تهدف إلى أن تصبح أرامكو السعودية رائدة عالميًا في مجال البتروكيميائيات، تتعاون الشركة مع شركة توتال، وشركة المواد الكيميائية إنيوس في مشروع أميرال، الذي سيوفر البروبيلين لمعمل جديد، تعمل شركة إنيوس على إنشائه في الجبيل على ساحل الخليج العربي. يستخدم البروبيلين في تصنيع الأكريلونتريل وهو لبنة البناء الرئيسة للعديد من المواد البلاستيكية، بما فيها مادة البولي أكريلونيتريل (PAN) المادة الخام الأكثر استخدامًا في تصنيع الألياف الكربونية. ستتيح منتجات شركة إنيوس من الأكريلونتريل إنتاج البولي أكريلونتريل (PAN) بتكلفة متدنية، الأمر الذي سيخفض تكلفة تصنيع ألياف الكربون.
علاوة على هذا، بعد إدراك أهمية مواد الألياف الكربونية للمملكة، يعمل الفريق الاستثماري لصناعة الألياف الكربونية في أرامكو السعودية مع شركاء دوليين محتملين لإنشاء مرفق لتصنيع الألياف الكربونية من خلال برنامج الاستثمارات الصناعية (نماءات أرامكو) في السعودية.

وسيؤدي توفير الألياف الكربونية إلى التوسّع في تعميم استخدام المنتجات غير المعدنية، وتعجيل وتيرة ذلك في عدد من القطاعات الصناعية مع حل عدد من المشاكل التقنية، ودعم التوطين، وخلق الفرص الوظيفية في الوقت نفسه.