Избор материјала за ЛНГ постројења: превазилажење ниских-ломљивости на ниским температурама - знање

Да би се превазишла ниска{0}}кртост на ниским температурама у постројењима за ЛНГ, инжењери морају да изаберу материјале чија је температура прелаза дуктилне-у-прелазна дуктилност (ДБТТ) знатно испод радне температуре од -162 степена Ц. Проверена решења су челик од 9% никла (резервоари за примарну изолацију), аустенитни нерђајући челик од нерђајућег челика од нерђајућег челика (пи310). легура алуминијума 5083 (хладне кутије и ИСО контејнери) и легура Инвар мембране за танке-мембранске резервоаре. Сваки материјал мора бити тестиран на удар на минималној пројектованој температури према захтевима АСМЕ или ЕН кода.

Material Selection for LNG Plants Overcoming Low-Temperature Brittleness

Течни природни гас се складишти и транспортује на −162 степена (−260 степени Ф) - тачки кључања метана на атмосферском притиску. На овој температури, многи уобичајени инжењерски материјали пролазе кроз фундаменталну промену у понашању: прелазе из дуктилног (савијање пре ломљења) у крто (разбијање без упозорења). Овај феномен, познат као прелазак дуктилног-у-кртог, један је од најопаснијих начина квара у криогеном инжењерству.

Последице кртог квара у ЛНГ постројењу су тешке. Неконтролисано ослобађање ЛНГ-а може да испари у запаљиви облак са потенцијалом експлозије, или - ако се запали - изгоре као пожар у базену који је изузетно тешко угасити. Катастрофа у Цлевеланд ЛНГ резервоару 1944. године, која је настала као резултат резервоара направљеног од челика са недостатком никла, убила је 128 људи и уништила читаво насеље. Тај догађај је успоставио основни принцип који и данас управља избором ЛНГ материјала: права легура није опциона.

Why Low-Temperature Brittleness Is the Defining Challenge of LNG Plants

Кључна дефиниција:Дуктилна-то-температура преласка на крто (ДБТТ) је температура испод које се материјал изненада ломи без значајне пластичне деформације. Материјал је безбедан за криогену употребу само ако је његов ДБТТ знатно испод минималне радне температуре, што је потврђено испитивањем удара по Цхарпи В-Нотцх (ЦВН).

Метали добијају своју жилавост из способности атома да се реорганизују (клизају) дуж равни кристала када су напрегнути. На ниским температурама ова атомска покретљивост се смањује. За -кубичне (БЦЦ) метале - укључујући угљенични челик и феритне/мартензитне нерђајуће челике - клизање постаје толико ограничено испод ДБТТ-а да се пукотине шире брже него што метал може да апсорбује енергију. Резултат је изненадни, катастрофални лом на нивоима напрезања знатно испод номиналне затезне чврстоће материјала.

Кубни{0}}метали (ФЦЦ) се понашају другачије. Њихова кристална структура омогућава атомско клизање чак и на криогеним температурама, тако да се жилавост одржава до апсолутне нуле. Због тога су аустенитни нерђајући челици (ФЦЦ) и легуре алуминијума (ФЦЦ) примарни избори за ЛНГ цеви - они једноставно немају ДБТТ.

БЦЦ метали (угљенични челик, феритни СС):показују оштар ДБТТ - опасан у криогеној употреби осим ако нису посебно легирани.

ФЦЦ метали (304Л/316Л СС, легуре алуминијума):ниједан ДБТТ - не остаје чврст на −269 степени. Први избор за ЛНГ цеви.

Високо{0}}феритне легуре никла (9% Ни челик):ДБТТ је потиснут на испод -196 степени додавањем никла - инжењерско решење за велике резервоаре за складиштење.

Табела у наставку представља стандардизоване механичке особине на ниским{0}}има за седам материјала који су најчешће специфицирани за сервис ЛНГ постројења. Све минималне вредности су према АСТМ или еквивалентним ЕН стандардима.

Материјал	Мин. Дизајн Темп.	ЦВН Тоугхнесс	Издужење	Примарна ЛНГ примена
Угљенични челик (А516-70)	−29 степени (−20 степени Ф)	27 Ј @ −29 степени	21%	Амбијентални резервоари за складиштење
3,5% Ни челик (А203 Гр.Е)	−101 степен (−150 степени Ф)	27 Ј @ −101 степен	21%	Етиленске/пропиленске посуде
9% Ни челик (А353 / А553)	−196 степени (−320 степени Ф)	34 Ј @ −196 степени	20%	ЛНГ примарни садржај
304/304Л СС (А312 ТП304)	−269 степени (−452 степена Ф)	>100 Ј @ −196 степени	40%	Криогене цеви и фитинзи
316Л СС (А312 ТП316Л)	−269 степени (−452 степена Ф)	>100 Ј @ −196 степени	40%	Криогене цеви, кућишта пумпи
Инвар (Фе-36Ни, Ф1684)	−196 степени (−320 степени Ф)	Одлично	30%	Системи мембранских ЛНГ резервоара
Алуминијумска легура 5083 (Б241)	−196 степени (−320 степени Ф)	Добро	16%	ЛНГ складиште, ИСО контејнери

Извори: АСТМ А353, А553, А312, А240, Б241, Ф1684; АСМЕ Одељак ВИИИ Див.1; ЕН 14620. ЦВН=Цхарпи В-Енергија удара са зарезом. Све вредности су минималне{11}}потребне бројке; стварне сертификоване вредности су обично веће.

ЛНГ постројење није једно униформно окружење - већ обухвата температурни градијент од амбијенталне на границама батерије до -162 степена у расхладној комори и резервоарима за складиштење. Различите зоне захтевају различите материјале. Коришћење погрешног материјала у било којој зони - чак и накратко - ствара ризик од кртог лома. Матрица у наставку је ваша примарна референца за избор на основу зоне{7}}.

Плант Зоне	Темп. Домет	Препоручени материјал	Напомена о кључним спецификацијама
Улаз за доводни гас / хватач пужева	0 степени до −20 степени	Угљенични челик А333 Гр.6	АСМЕ Б31.3; потребан ограничени ПВХТ
Пред{0}}одељак за хлађење (МР)	−20 степени до −80 степени	3,5% Ни челик или 304Л СС	Испитано на удар према АСМЕ ВИИИ Див.1 УХА
Хладна кутија за течност	−80 степени до −165 степени	304Л / 316Л СС; Ал 5083	Пун ЦВН тест @ мин. пројектована темп.
Резервоар за складиштење ЛНГ (унутрашњи)	−162 степена (−260 степени Ф)	9% Ни челик или инвар мембрана	ЕН 14620 / АПИ 625; 100% РТ на шавовима
Резервоар за складиштење ЛНГ (спољашњи)	Амбијентално	Пред{0}}напрегнути бетон или ЦС	Термичка баријера између шкољки
ЛНГ пумпа и цевоводи (у-резервоарима)	−162 степена	304Л / 316Л СС; Ал 5083	АСТМ А182 Ф304Л прирубнице; ниске{2}}температуре завртње
БОГ компресор усис	−100 степени до −162 степена	304Л СС или Ал 6061-Т6	Нема{0}}магнетна, ниска{1}температура тестирана
ЛНГ утоварне руке	−162 степена	316Л СС са Ал или 9%Ни спојевима	АПИ 1540; криогени обртни зглобови

ПВХТ=пост-термичка обрада заваривања. Зона погођена ХАЗ=топлотом-. БОГ=Боил-Офф Гас. РТ=радиографско тестирање. Спецификације су индикативне; увек проверите у складу са{11}}специфичним кодовима дизајна и инжењерским стандардима власника.

Стуб 1 - Верификована чврстина испитивањем на удар

Ниједна спецификација криогеног материјала није потпуна без испитивања на удар по Цхарпи В-Нотцх (ЦВН) на или испод минималне пројектоване температуре. ЦВН тестирање мери енергију коју стандардни узорак са зарезима апсорбује пре лома - што је директан показатељ жилавости на тој температури. За угљеничне и нисколегиране челике, минимална потребна енергија је обично 27 џула (20 фт-лб). За аустенитне нерђајуће челике, вредности изнад 100 Ј на -196 степени се рутински постижу. Не прихватајте материјале без{12}}специфичног ЦВН сертификата.

Стуб 2 - Контрола хемије легуре

Чврстоћа је веома осетљива на хемију у траговима. Нечистоће сумпора и фосфора чине крхке феритне челике на ниским температурама. За челик са 9% Ни, садржај азота се мора контролисати испод 0,01% да би се спречило крхкост због деформације-у току производње. За аустенитне нерђајуће челике, угљеник мора бити ограничен на максимално 0,03% (ознака „Л“ разреда) да би се спречила преосетљивост током заваривања. Позитивна идентификација материјала (ПМИ) - коришћењем рендгенске флуоресценције (КСРФ) или оптичке емисионе спектроскопије - мора да се изврши на 100% компоненти легуре пре уградње да би се проверило да није замењен материјал нижег{12}}врсте.

Стуб 3 - Квалитет и квалификација заваривања

Завари су најугроженије локације у било ком систему притиска, и то двоструко на криогеним температурама. Зона{1}}захваћена топлотом (ХАЗ) завара доживљава брз термички циклус који може да промени структуру зрна и смањи жилавост. Свака спецификација поступка заваривања (ВПС) за криогени сервис мора да садржи записе о квалификацији поступка (ПКР) са ЦВН тестирањем на металу шава и ХАЗ на минималној пројектованој температури. За челик са 9% Ни, метали за пуњење су типично засновани на легури никла (ЕНиЦрМо-6 или ЕНиЦрФе-9), а не одговарајућег састава, посебно зато што пунило од никла задржава жилавост у целом криогеном опсегу.

Табела у наставку консолидује критичне тестове, применљиве стандарде и критеријуме прихватања који регулишу квалификацију материјала за сервис ЛНГ постројења.

Тест Типе	Стандард	Када се примени	Критеријум прихватања
Шарпи В{0}}зарез (ЦВН)	АСТМ Е23 / ЕН ИСО 148	На минималној пројектованој температури	Прихвати: веће или једнако 27 Ј (феритно); Веће или једнако 100 Ј (аустенитно)
Спуштање{0}}Тест кидања тежине	АСТМ Е436	9% Ни и ниско{1}}легирани челици	100% изглед прелома на смицање
Затезна (ниска{0}}темп)	АСТМ А370	На -196 степени за криогене класе	УТС и принос морају задовољити мин. @ тест темп.
Тврдоћа (Вицкерс/Бринелл)	АСТМ Е92 / Е10	Велд ХАЗ; пост-ПВХТ	ХВ 10 мак 350 по БС ПД 5500
радиографски (РТ)	АСТМ Е94 / ЕН ИСО 17636	Сви сучеони заварени-завари са пуним продором	Прихватање према АСМЕ Б31.3 или ЕН 13480
ултразвучни (УТ)	АСТМ Е164	Плоча и тешка зидна арматура	Фазни{0}} УТ се преферира за дебеле делове
Течни пенетрант (ПТ)	АСТМ Е165	Аустенитна СС завршна површина	Откривање површинских пукотина; очистити ацетоном
ИД позитивног материјала (ПМИ)	АСТМ Е1476 (КСРФ)	Све компоненте од легуре при уградњи	Проверите садржај Ни, Цр, Мо; 100% инспекција

Референтни стандарди су актуелна АСТМ / ЕН / АСМЕ издања. Специфични{1}}планови инспекције и тестирања (ИТП) за пројекат могу наметнути строже захтеве. Увек се ускладите са примењивим кодом дизајна - типично АСМЕ Б31.3 за процесне цеви, АПИ 625 / ЕН 14620 за резервоаре за складиштење.

Five Common Material Selection Mistakes and How to Avoid Them

Грешка 1:Коришћење угљеничног челика испод -29 степени без испитивања на удар.

Стандардни угљенични челик (А106 Гр.Б) није тестиран на удар-и има непредвидив ДБТТ. Увек користите А333 Гр.6 (тестиран на удар-на -46 степени ) или алтернативу криогеног-класа за температуре испод -29 степени. Чак и привремени излет испод овог прага - током хлађења постројења, на пример -, може да изазове крхку пукотину.

грешка 2:Под претпоставком да су 304 СС и 304Л СС заменљиви.

У криогеној служби, ознака 'Л' је важна. Стандард 304 (максимално 0,08% Ц) ризикује сензибилизацију на ХАЗ шаву, стварајући зоне са -осиромашеним хромом подложне интергрануларној корозији у траговима влаге. Увек наведите 304Л или 316Л за заварене криогене цеви.

Грешка 3:Прескакање ПМИ на 'сертификованом' материјалу из складишта.

Мешања{0}}између врста легуре у складишту или производној радњи су документовани узрок криогених кварова. Комад цеви од угљеничног челика погрешно идентификован као челик са 9% Ни визуелно се не разликује. ПМИ на месту инсталације хвата грешке које папирна документација не може.

Грешка 4:Коришћење стандардних материјала за вијке за криогене прирубничке спојеве.

Стандардни АСТМ А193 Б7 клинови (легирани челик) нису оцењени за криогене температуре. Наведите АСТМ А320 Л7 клинове и А194 Гр.4 или Гр.7 навртке, које су тестиране на удар- до -101 степен. За ЛНГ сервис на -162 степена, потребно је АСТМ А320 Б8М (316 СС) завртње.

Грешка 5:Неадекватна анализа термичког циклуса током пројектовања.

ЛНГ постројења не остају на стабилној{0}}температури. Циклуси хлађења и загревања-загревања - током пуштања у рад, планираних искључивања и хитних случајева - изазивају термичка оптерећења на сваку компоненту. Материјал са одговарајућом жилавошћу у стабилном- стању може да акумулира оштећења услед замора услед поновљених термичких циклуса. Наведите материјале са минималном пројектованом температуром најмање 10 степени испод најниже веродостојне радне температуре да бисте обезбедили сигурносну маргину.

Могу ли да користим нерђајући челик 316Л за комплетно постројење за ЛНГ, укључујући резервоаре за складиштење?

316Л нерђајући челикје одличан за цевоводе, пумпе и фитинге на -162 степена. Међутим, за резервоаре за примарну изолацију - који су велике,-посуде под притиском - 9% Ни челика и инварске мембране су стандардна решења јер нуде јефтинију-ефикаснију комбинацију заваривања-, лакоће израде и криогене жилавости на скали која је потребна за резервоаре који држе десетине хиљада метара.

Која је разлика између 9% Ни челика и Инвара за ЛНГ резервоаре?

9% Ни челик (АСТМ А553) се користи у резервоарима са двоструким-пуном затвореном изолацијом као унутрашња шкољка, обично дебљине 20 до 50 мм, директно у контакту са ЛНГ. Инвар (Фе-36Ни) има изузетно низак коефицијент термичке експанзије и користи се у дизајну резервоара са танком мембраном (као што су ГТТ-ови Марк ИИИ и Но.96 системи) где се мембрана савија и деформише током термичких циклуса без пуцања. Оба су верификована на −196 степени; избор је вођен филозофијом дизајна резервоара и уговорима о лиценцирању.

Да ли постоје легуре алуминијума погодне за ЛНГ криогене цеви?

Да. Алуминијумска легура 5083 (АСТМ Б241) се широко користи за ЛНГ хладне кутије, измењиваче топлоте и унутрашње посуде ИСО контејнера. Одржава добру жилавост на -196 степени, има ниску густину (смањује мртво оптерећење) и није-магнетна. Није погодан за апликације високог{7}}притиска изнад приближно 25 бара без пажљиве анализе дизајна, али за услуге умереног{9}}криогеног притиска је доказан и трошковно{10}}ефикасан избор.

Превазилажење-кртости на ниским температурама у постројењу за ЛНГ није ствар проналажења једног универзалног материјала -, већ је питање мапирања сваке зоне постројења на праву легуру, провере те легуре кроз ригорозно тестирање и контроле производње и заваривања да би се очувала својства за која сте платили. Оквир одлуке је јасан:

Идентификујте минималну пројектовану температуру за сваки систем и компоненту.

Изаберите материјале за које је потврђено да је ДБТТ испод те температуре према подацима ЦВН утицаја.

Изаберите ФЦЦ материјале (аустенит СС, алуминијум) за цеви; 9% Ни или Инвар за велике резервоаре.

Одредите и примените ПМИ на 100% компоненти легуре приликом инсталације.

Квалификујте све поступке заваривања са криогеним ЦВН тестирањем на металу шава и ХАЗ.

Примените термичку маргину: дизајнирајте на најмање 10 степени испод најниже веродостојне радне температуре.

Доследно примењен, овај оквир елиминише материјалне{0}}начине кварова који су историјски узроковали најскупље и најопасније инциденте у индустрији. Прво улагање у исправну спецификацију материјала је увек мање од цене једног квара на терену.

Спремни за извор?Производимо цеви од нерђајућег челика и легуре никла, фитинге и прирубнице према АСТМ А312 (ТП304Л, ТП316Л), А182 (Ф304Л, Ф316Л) и сродним криогеним спецификацијама, са потпуном сертификацијом за испитивање удара на ниску{6} температуру и ПМИ документацијом.Контактирајте наш технички тимза доступност залиха, сертификате о материјалу и{0}}специфичну подршку за пројекат.

Референце и применљиви стандарди

АСТМ А312 / А182 - аустенитне цеви и фитинзи од нерђајућег челика

АСТМ А353 / А553 - 9% никл челична плоча (двострука и једнострука нормализована и каљена)

АСТМ А320 / А194 - Нискотемпературно- Вијци од легираног челика

АСТМ Б{0}} бешавна цев од легуре алуминијума 5083 и бешавна екструдирана цев

АСМЕ Б{0}} код за процесне цеви

АСМЕ Одељак ВИИИ Див.1, Део УХА - Правила за аустенитни нерђајући челик

АПИ 625 - системи резервоара за складиштење расхлађеног течног гаса

СР 14620 - Дизајн и производња на локацији-Уграђених вертикалних резервоара за ЛНГ складиштење

НФПА 59А - Стандард за производњу, складиштење и руковање ЛНГ-ом

БС ПД 5500 - Спецификација за непечене фузионом заварене посуде под притиском