از تولید تا مصرف | زنجیره تأمین و توزیع گاز آرگون در کشور

مقدمه: جایگاه استراتژیک گاز آرگون در اقتصاد مدرن (توسعه یافته)

گاز آرگون (Ar)، به عنوان سومین گاز نجیب موجود در اتمسفر زمین با فراوانی تقریبی ۰٫۹۳ درصد حجمی، نقشی فراتر از یک گاز خنثی در صنایع پیشرفته ایفا می‌کند. این عنصر، به دلیل داشتن لایه ظرفیت الکترونی کامل، از نظر شیمیایی پایداری بی‌نظیری دارد که این ویژگی، آن را به یک ضرورت استراتژیک در فرآیندهای حساس تبدیل می‌کند.

کاربرد محوری گاز آرگون در جوشکاری قوس الکتریکی (TIG و MIG) است، جایی که به عنوان یک گاز محافظ (Shielding Gas) حیاتی عمل می‌کند. وظیفه اصلی آن، ایزوله‌سازی حوضچه مذاب فلزات در برابر عوامل اکسیدکننده موجود در هوا (اکسیژن و نیتروژن) است. اهمیت این نقش در جوشکاری آلیاژهای حیاتی مانند فولادهای ضد زنگ، آلیاژهای نیکل، و فلزات واکنش‌پذیر نظیر تیتانیوم و آلومینیوم که به شدت مستعد تخلخل و کاهش خواص مکانیکی ناشی از آلودگی هستند، دوچندان می‌شود.

در سطح کلان‌تر، صنعت فولاد و متالورژی یکی از مصرف‌کنندگان اصلی است. گاز آرگون در فرآیندهایی نظیر تصفیه ثانویه (Secondary Metallurgy)، به ویژه در کوره‌های پاتیلی (Ladle Furnaces)، جهت هم‌زدن گاز (Stirring) مذاب و یا تزریق گاز (Sparging) برای کمک به جدایش اکسیدها، سولفورها و ناخالصی‌های گازی (مانند اکسیژن و نیتروژن محلول) به کار می‌رود. این امر به طور مستقیم بر کیفیت نهایی شمش و خواص مکانیکی محصول فولادی تأثیر می‌گذارد و امکان تولید فولادهای خاص (Specialty Steels) را فراهم می‌سازد.

علاوه بر کاربردهای سنتی، بخش‌های فناورانه مانند صنعت الکترونیک، استفاده وسیعی از گاز آرگون با خلوص بسیار بالا (Ultra-High Purity – UHP) دارند. در ساخت تراشه‌های نیمه‌هادی (Semiconductors) و مدارهای مجتمع (ICs)، گاز آرگون به عنوان گاز حامل یا محیطی خنثی در فرآیندهای لایه‌نشانی فیزیکی بخار (PVD) و شیمیایی بخار (CVD) و همچنین در تولید فیبر نوری برای حفظ محیط فرآیند از آلودگی‌های اتمسفری استفاده می‌شود. این وابستگی فناورانه، تداوم زنجیره تأمین آرگون را به یکی از مؤلفه‌های امنیت تولید در صنایع های-تک کشور تبدیل کرده است.

فرایند تولید: استخراج از هوا و چالش‌های مهندسی کرایوژنیک (توسعه یافته)

تأمین گاز آرگون در مقیاس صنعتی، یک فرایند تولید اولیه نیست، بلکه یک فرآیند جانبی (By-product) وابسته به واحدهای جداسازی هوا (Air Separation Units – ASU) است. این واحدها، قلب تپنده زنجیره تأمین گازهای صنعتی بوده و بر اساس اصل تقطیر جزء به جزء در دمای کرایوژنیک (Cryogenic Distillation) عمل می‌کنند که این تکنولوژی ذاتاً نیازمند مصرف انرژی بالا و سرمایه‌گذاری اولیه سنگین است.

مراحل کلیدی تولید شامل:

الف) پیش‌تصفیه و حذف آلاینده‌ها: هوای اتمسفریک ابتدا فشرده می‌شود. به دلیل نقطه انجماد نسبتاً بالای گاز آرگون و ناخالصی‌ها، حذف کامل آب، دی‌اکسید کربن ($\text{CO}_2$CO2​) و هیدروکربن‌ها با استفاده از جاذب‌های مولکولی در چرخه‌های تناوبی (Pressure Swing Adsorption – PSA یا Temperature Swing Adsorption – TSA) ضروری است تا از یخ‌زدگی و مسدود شدن تجهیزات در دمای پایین جلوگیری شود.

ب) سرمایش و مایع‌سازی: هوای تصفیه‌شده از طریق مبدل‌های حرارتی عظیم و با استفاده از چرخه برייטون (Brayton Cycle) یا ژول-تامسون (Joule-Thomson Effect) تا دماهایی در حدود منفی ۱۹۶ درجه سانتی‌گراد سرد و مایع می‌شود.

ج) تقطیر جزئی: مخلوط مایع وارد برج‌های تقطیر کرایوژنیک می‌شود. جداسازی بر اساس تفاوت اندک در نقاط جوش اجزا انجام می‌گیرد: نیتروژن (نقطه جوش: $-195.8^\circ \text{C}$−195.8∘C)، گاز آرگون (نقطه جوش: $-185.9^\circ \text{C}$−185.9∘C) و اکسیژن (نقطه جوش: $-183.0^\circ \text{C}$−183.0∘C). گاز آرگون ، که نزدیک‌ترین نقطه جوش را به اکسیژن دارد، از برج میانی استخراج می‌شود که نیازمند طراحی دقیق و نسبت‌های سرفشار (Reflux Ratio) بالاست تا خلوص مورد نیاز (معمولاً ۹۹٫۹۹۹ درصد یا ۵N) تأمین گردد.

تولیدکنندگان عمده داخلی، عمدتاً شامل واحدهای وابسته به صنایع بزرگ مانند فولاد مبارکه، مجتمع‌های فولادی دیگر، و واحدهای پتروشیمی و پالایشی هستند که ظرفیت‌های جانبی تولید اکسیژن و نیتروژن را در اختیار دارند. این تولیدکنندگان سرمایه‌گذاری‌های عظیمی را در زیرساخت‌های کرایوژنیک متحمل شده‌اند. چالش اصلی در این بخش، محدودیت ظرفیت و نرخ رشد است، زیرا افزایش تولید گاز آرگون مستلزم افزایش همزمان تولید اکسیژن است که تقاضای خود را از صنایع استراتژیک دارد، که این موضوع وابستگی متقابل را تشدید می‌کند.

حالت‌های عرضه، لجستیک تخصصی و الزامات ذخیره‌سازی (توسعه یافته)

توزیع گاز آرگون از نقطه تولید تا مصرف‌کننده نهایی نیازمند انطباق با دو حالت فیزیکی کاملاً متفاوت است که هر کدام زیرساخت لجستیکی خاص خود را می‌طلبند.

الف) حالت گاز فشرده (Compressed Gas):

این حالت برای مصرف‌کنندگان با نیازهای پایین‌تر حجمی (مانند کارگاه‌های کوچک جوشکاری یا آزمایشگاه‌ها) و یا در مناطقی که امکان نصب تجهیزات کرایوژنیک فراهم نیست، مناسب است. گاز آرگون در سیلندرهای استاندارد تحت فشار بالا، معمولاً بین ۱۵۰ تا ۲۰۰ بار (Bar)، پر می‌شود. مدیریت این بخش شامل بازرسی‌های دوره‌ای سیلندرها بر اساس استانداردهای ملی و بین‌المللی، کنترل دقیق شیرآلات و کلاهک‌های محافظ جهت جلوگیری از آسیب‌های فیزیکی و نشتی است. عمر مفید سیلندرها، هزینه‌های نگهداری و بازرسی، و هزینه‌های پر کردن مجدد، مؤلفه‌های اصلی در قیمت تمام شده این حالت عرضه هستند.

ب) حالت مایع کرایوژنیک (Cryogenic Liquid):

این روش برای مصرف‌کنندگان عمده (مانند پالایشگاه‌ها، کارخانجات بزرگ فولادسازی یا مراکز الکترونیک) که نرخ مصرف بالایی دارند، به صرفه‌ترین حالت است. آرگون باید در دمای بسیار پایین منفی ۱۸۶ درجه سانتی‌گراد نگهداری شود. این امر مستلزم استفاده از تانکرهای حمل مخصوص (Cryogenic Tankers) با عایق‌بندی خلاء چندلایه (Super-Insulation) است. یکی از مهم‌ترین پارامترها در این بخش، مدیریت نرخ تبخیر (Boil-Off Rate – BOR) است. هرگونه اتلاف حرارت محیطی به مایع تبدیل به گاز شده و در صورت عدم مصرف، فشار مخزن را افزایش داده و منجر به اتلاف محصول می‌شود. لجستیک این بخش نیازمند ناوگان تخصصی و آموزش‌دیده، و همچنین هماهنگی دقیق برای تأمین مایع مورد نیاز بر اساس پیش‌بینی مصرف مشتریان است.

شرکت‌های توزیع کلیدی در ایران، نظیر هوایار، کاوش گاز، پارس گاز، آریاگاز و گستل، مسئولیت شبکه‌سازی این زیرساخت‌های تخصصی را بر عهده دارند. هرگونه کمبود یا عدم کفایت ناوگان تانکرهای کرایوژنیک یا محدودیت در تجهیزات ذخیره‌سازی در محل مصرف‌کننده، می‌تواند مستقیماً منجر به توقف خطوط تولید صنایع پایین‌دستی حساس شود.

تحلیل ساختاری زنجیره تأمین: گلوگاه‌های تولید و وابستگی‌های متقابل (توسعه یافته)

ساختار زنجیره تأمین گاز آرگون در ایران، مانند بسیاری از گازهای صنعتی، ماهیتی متمرکز بر تولید و پراکنده بر مصرف دارد که این عدم توازن جغرافیایی، گلوگاه‌های ساختاری متعددی را ایجاد می‌کند.

الف) گلوگاه تولیدی و وابستگی متقابل به صنایع مادر:

بزرگ‌ترین چالش، این است که گاز آرگون یک محصول دست دوم (By-product) در واحدهای کرایوژنیک است که هدف اولیه طراحی آن‌ها، تولید اکسیژن و نیتروژن است. این بدان معناست که ظرفیت تولید گاز آرگون تابعی از تقاضای اکسیژن است. در صورت افت ناگهانی تقاضای اکسیژن (ناشی از رکود در صنایع مادر مانند فولاد یا پتروشیمی)، تولید آرگون نیز به طور خودکار کاهش می‌یابد، حتی اگر تقاضای بازار برای گاز آرگون ثابت یا رو به افزایش باشد. این وابستگی خطی و سخت‌افزاری، انعطاف‌پذیری زنجیره را به شدت پایین می‌آورد و ریسک کمبود را افزایش می‌دهد.

ب) چالش‌های توزیع و لجستیک زیرساختی:

ظرفیت‌های تولید گاز آرگون در کشور عمدتاً در قطب‌های صنعتی اصلی (مانند اصفهان، خوزستان، و مناطق مرکزی) متمرکز شده‌اند. در مقابل، مصرف‌کنندگان نهایی، به ویژه صنایع با تکنولوژی بالا و مراکز خدمات جوشکاری، در سراسر کشور پراکنده هستند. این توزیع جغرافیایی نامتوازن، هزینه‌های لجستیک و حمل و نقل را به شدت افزایش می‌دهد، به ویژه برای آرگون مایع که نیازمند سرمایه‌گذاری ثابت بالا در تجهیزات حمل است. همچنین، ظرفیت ذخیره‌سازی کوچک و متوسط در نزدیکی مصرف‌کنندگان، آن‌ها را در برابر نوسانات ناگهانی در برنامه تأمین شرکت‌های توزیع، آسیب‌پذیر می‌سازد.

ج) استانداردها، ایمنی و انطباق‌های بین‌المللی:

حفظ کیفیت محصول در زنجیره تأمین آرگون به شدت تحت نظارت استانداردهای ملی و بین‌المللی قرار دارد. این استانداردها نه تنها خلوص محصول را تضمین می‌کنند، بلکه ایمنی حمل و ذخیره‌سازی را نیز تعریف می‌کنند.

• ISO 9809 و EN 1964: این استانداردها مشخصات فنی سیلندرها و مخازن تحت فشار را برای حمل گازهای فشرده تعریف می‌کنند.
• ADR (Accord européen relatif au transport international des marchandises Dangereuses par Route): مقررات مربوط به حمل و نقل بین‌المللی کالاهای خطرناک که حمل گاز آرگون در حالت‌های مختلف را پوشش می‌دهد.
• استانداردهای ملی (INSO): استانداردهایی نظیر INSO 4048 (مربوط به سیلندرهای فولادی) و INSO 13865 (استاندارد مشخصات فنی گازهای صنعتی) انطباق داخلی را الزام می‌آورند.

عدم رعایت این استانداردها می‌تواند منجر به خطرات ایمنی جدی و نیز عدم پذیرش محصول توسط صنایع حساس مانند صنایع نفت و گاز یا هوافضا شود.

چالش‌های اصلی و موانع توسعه زنجیره تأمین (توسعه یافته)

پیچیدگی‌های فنی و ساختاری فوق، با مجموعه‌ای از چالش‌های اقتصادی و محیطی ترکیب شده‌اند که پتانسیل رشد زنجیره گاز آرگون را محدود می‌سازند.

الف) نوسانات شدید قیمت انرژی و تأثیر آن بر هزینه تولید:

از آنجایی که تولید آرگون وابسته به انرژی‌بر بودن فرایند کرایوژنیک است (مصرف برق بالا برای کمپرسورها)، نوسانات قیمت انرژی (برق و گاز طبیعی مورد نیاز برای تأسیسات جانبی) مستقیماً بر بهای تمام شده آرگون تأثیر می‌گذارد. در شرایط افزایش قیمت انرژی، حفظ حاشیه سود برای تولیدکنندگان و توزیع‌کنندگان دشوار شده و این امر می‌تواند منجر به کاهش سرمایه‌گذاری در نوسازی یا توسعه ظرفیت‌های جدید شود.

ب) کمبود زیرساخت کرایوژنیک تخصصی و ناوگان حمل:

همانطور که اشاره شد، کمبود در ناوگان تانکرهای حمل مایع کرایوژنیک یک محدودیت فیزیکی است. توسعه این ناوگان نیازمند سرمایه‌گذاری‌های بسیار سنگین و بلندمدت است. همچنین، در بخش مصرف‌کننده، نبود مخازن ذخیره‌سازی کرایوژنیک با ظرفیت مناسب، وابستگی صنایع را به تحویل‌های روزانه و برنامه‌ریزی‌شده (Just-in-Time) افزایش داده و سیستم را در برابر اختلالات آسیب‌پذیر می‌کند.

ج) وابستگی به فناوری‌های خارجی و تحریم‌ها:

تجهیزات اصلی ASU (مبدل‌های حرارتی، توربین‌ها، کمپرسورها و سیستم‌های کنترلی پیشرفته) اغلب وارداتی هستند. تحریم‌ها و محدودیت‌های انتقال فناوری، فرآیند نوسازی، نگهداری از قطعات یدکی، و به ویژه گسترش ظرفیت‌های جدید را به شدت کند کرده و موجب افزایش وابستگی تعمیرات و نگهداری (MRO) به منابع خارجی یا تأمین‌کنندگان داخلی با ظرفیت محدود شده است.

د) محدودیت در توسعه ظرفیت‌های جدید و افق رشد:

پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهند که با توجه به رشد صنایع وابسته (به ویژه در حوزه فولادهای ویژه و صنایع الکترونیک)، تقاضا برای گاز آرگون در افق برنامه‌ریزی تا سال ۱۴۱۰ (شمسی) ممکن است ۲ تا ۲٫۵ برابر شود. تأمین این رشد، نیازمند ساخت واحدهای ASU جدید یا توسعه قابل ملاحظه واحدهای موجود است، که سرمایه‌گذاری‌های چند صد میلیون دلاری را طلب می‌کند و نیاز به تضمین‌های بلندمدت از سوی صنایع مصرف‌کننده دارد.

مدل‌های مدیریتی در زنجیره تأمین آرگون (توسعه یافته)

مدیریت مؤثر زنجیره تأمین گاز آرگون نیازمند گذار از مدل‌های سنتی به رویکردهای استراتژیک‌تر است که ریسک و عدم قطعیت را کاهش دهد.

الف) اجرای مدل‌های بلندمدت خرید (Offtake Agreements):

برای رفع عدم قطعیت در تولید و جذب سرمایه‌گذاری جدید، قراردادهای خرید بلندمدت (Offtake Agreements) بین تولیدکنندگان بزرگ (ASU دارها) و مصرف‌کنندگان اصلی (فولاد، پتروشیمی) حیاتی است. این قراردادها، نه تنها جریان نقدینگی تضمین‌شده‌ای برای توسعه ظرفیت ایجاد می‌کنند، بلکه نرخ قیمت‌گذاری را نیز در برابر نوسانات کوتاه‌مدت انرژی محافظت می‌کنند.

ب) افزایش قابلیت اطمینان از طریق تنوع‌بخشی به حالت‌های عرضه:

توزیع‌کنندگان باید استراتژی “تأمین دوگانه” را برای مشتریان اصلی پیاده‌سازی کنند: حفظ خط تأمین اصلی از طریق آرگون مایع کرایوژنیک و ایجاد یک خط پشتیبان (Backup Line) مبتنی بر سیلندرهای پرفشار یا تولید محلی (On-site Generation) در صورت امکان. این امر، ریسک توقف تولید ناشی از اختلال در حمل و نقل کرایوژنیک را به شدت کاهش می‌دهد.

ج) نقش استانداردهای کیفیت در مدیریت ریسک:

استانداردسازی دقیق و مانیتورینگ مستمر کیفیت گاز در طول زنجیره (از خروجی ASU تا شیر سیلندر نهایی) باید از طریق استفاده از تجهیزات تحلیلی پیشرفته تضمین شود. برای مثال، در صنایع الکترونیک، حتی سطوح بسیار پایین آلاینده‌هایی مانند رطوبت یا اکسیژن می‌تواند به خرابی تراشه‌ها منجر شود. مدیریت کیفیت (QC) باید شامل تأیید مستمر گواهینامه‌های آنالیز گاز (Certificate of Analysis – CoA) برای هر بچ باشد.