Нерђајући челик за ЛНГ криогене услуге: 304Л наспрам 9% никл челика

Течни природни гас (ЛНГ) се складишти и транспортује на –162 степена (–260 степени Ф), једном од најзахтевнијих криогених услова у инжењерству индустријских материјала. Одабир погрешног структуралног материјала за резервоаре за складиштење ЛНГ, цевоводе и процесне цевоводе може да доведе до крхког лома, криогеног кртљења или кварова због корозије под напоном - који носе катастрофалне последице по безбедност, животну средину и репутацију.

Овај чланак пружа структурирано, на доказима{0}}засновано поређење два водећа ЛНГ-компатибилна структурна материјала:аустенитни нерђајући челик 304Л(УНС С30403) и челик са 9% никла (УНС К81340, такође познат као АСТМ А353 / А553 тип ИИ / 9Ни челик). Сваки материјал се процењује у односу на хемију, својства механичке и криогене жилавости, заварљивост, перформансе корозије, усклађеност са прописима, практичност производње и укупне трошкове инсталације.

Разумевање ЛНГ криогених услуга

Течни природни гас (ЛНГ) је природни гас (претежно метан, ЦХ₄) који је охлађен на –162 степена (–260 степени Ф) на атмосферском притиску, смањујући његову запремину за приближно 600× и омогућавајући ефикасан транспорт и складиштење океана. Ланац вредности ЛНГ обухвата постројења за течење, транспортере за ЛНГ (танкере), терминале за регасификацију и унутрашње дистрибутивне мреже - од којих сваки захтева структурне материјале који могу безбедно да раде на криогеним температурама.

На –162 степена, већина угљеничних и нисколегираних челика-подвргава се дуктилном-у-преласку (ДБТТ): њихова жилавост лома нагло опада, а пукотина која би се безбедно савијала на собној температури може да се шири као катастрофални крти лом. Ова појава, позната као ниска{5}}ломљивост при ниској температури, је примарни покретач избора материјала за ЛНГ примене. Кључни материјални захтеви за ЛНГ сервис су:

Задржана дуктилност и жилавост на –196 степени (температура течног азота, као мерило за тестирање) и –162 степена (радна температура ЛНГ)

Одсуство фазних трансформација (ферит → мартензит) на криогеним температурама

Мала вероватноћа кртог лома у присуству оштрих дефеката или дисконтинуитета завара

Отпорност на топлотни удар током брзог{0}}охлађења или загревања-прелазних појава

Адекватна граница течења да задржи хидростатички притисак ЛНГ на пројектованој температури

Зоне ЛНГ постројења и њихови материјални изазови

Различите зоне ЛНГ постројења намећу различите захтеве за конструкцијске материјале:

Табле. Зоне ЛНГ постројења и њихови карактеристични материјални изазови

Извор: ГИИГНЛ (Гроупе Интернатионал дес Импортатеурс де ГНЛ) „Студија индустрије ЛНГ“ и АПИ 620 „Пројектовање и конструкција великих, заварених, ниских{1}}резервоара за складиштење под притиском“ (14. издање, 2020).

304Л наспрам 9% никл челика

304Л је варијанта са ниским-угљеником (Ц мањим од или једнаким 0,03 %) породице 18/8 аустенитног нерђајућег челика, која се широко користи у прехрамбеној, хемијској и процесној индустрији. Његова аустенитна (кубична-центрирана на лице, ФЦЦ) кристална структура инхерентно пружа одличну дуктилност и жилавост на криогеним температурама - за разлику од феритних или мартензитних челика, ФЦЦ структура не пролази кроз дуктилну-у-кртију} транзицију и Л је стандардни избор у процесу пипинга{{10} резервоари ЛНГ складишта деценијама. Међутим, његово максимално дозвољено напрезање је ниже од 9Ни челика, и подложан је пуцању од корозије под напоном хлоридом (Цл-СЦЦ) изнад приближно 60 степени.

9% никл челик (УНС К81340 / АСТМ А353 / А553 тип ИИ)

Челик са 9% никла је легура високе{1}}чврстоће, каљена-и-каљена (К&Т) која садржи 8,5–9,5% никла по тежини. Додатак никла снижава ДБТТ челика испод –196 степени, чинећи га потпуно аустенитним и чврстим на ЛНГ радним температурама. 9Ни челик постиже значајно већу границу течења (485 МПа мин, наспрам. 170 МПа за 304Л) уз задржавање изузетне жилавости на криогеним температурама. То је најшире специфицирани материјал за велике-ТНГ надземне{14}}цистерне за складиштење (АСТМ А553 Тип ИИ, АСТМ А353) и био је доминантан избор за теретне резервоаре ЛНГ-а више од 50 година. Његово ограничење је подложност каљења кртости изнад приближно 350 степени и потреба за термичком обрадом након{20}заваривања (ПВХТ) на дебљим профилима.

Хемијски састав

Табела. 304Л наспрам 9% никл челика - Специфицирани хемијски састав (теж.%)

Извор: АСТМ А240/А240М-22 'Стандардна спецификација за хром и хром-Никл плоче, листове и траке од нерђајућег челика' (ограничења С30403); АСТМ А553/А553М-22 'Стандардна спецификација за плоче посуда под притиском, легирани челик, каљени-и каљени челик од 9% никла' (Тип ИИ, УНС К81340); АСТМ А353/А353М-17 'Стандардна спецификација за плоче посуда под притиском, легирани челик, двоструко каљени челик од 9% никла.'

Напомена: 'К&Т'=угашен и каљен; 'ДПЛТ'=Двоструко нормализовано и темперирано (мање уобичајено у модерним ЛНГ услугама). АСТМ А553 Тип ИИ је стандардна спецификација за резервоаре за складиштење ЛНГ. УНС К81340 је јединствена ознака нумерације за 9Ни К&Т челик.

Особине механичке и криогене жилавости

Собна температура{0}}Механичка својства

Табела. 304Л вс 9Ни челик - Собна-температура механичка својства

Извор: АСТМ А240/А240М-22 за 304Л; АСТМ А553/А553М-22 Тип ИИ за 9Ни челик; Подаци компаније Специал Металс Цорпоратион СМЦ-045 'Н08811 (Легура 800ХТ) / С30403'; Линде Стеел '9Ни челична плоча са подацима.'

Криогена механичка својства и својства жилавости

Дефинишући критеријум учинка за ЛНГ материјале је ударна жилавост по Цхарпи В-зарезу (ЦВН) на –196 степени (течни азот, тест тест) и –162 степена (радна температура ЛНГ). И челик 304Л и 9Ни одржавају аустенитну (ФЦЦ) структуру на овим температурама, али се њихови нивои жилавости значајно разликују.

Табела. 304Л у односу на 9Ни челик - Криогена ударна жилавост и својства затезања

Извор: АСТМ Е23-22 'Стандардне методе испитивања за ударно испитивање металних материјала са зарезом'; АСТМ А553/А553М-22 Табела 2 (Захтеви за Цхарпи В-зарез на –196 степени); Бростром ет ал., 'Криогене особине аустенитних нерђајућих челика' (2. издање, 2018); Линде Енгинееринг „9Ни челик за резервоаре за складиштење ЛНГ – Извештај о основама дизајна“, 2021.

Напомена: Иако 304Л има вишу апсолутну вредност ЦВН од челика 9Ни на криогеним температурама, захтевани минимални ЦВН за 9Ни челик је нижи јер већа чврстоћа течења челика обезбеђује већу пластичну зону испред врха прслине, ефикасно се одупирући ширењу прслине. Оба материјала су у потпуности прихватљива за услуге ЛНГ према АСМЕ БПВЦ Сецтион ВИИИ Дивисион 1 и АПИ 620.

Тхермал Цонтрацтион

Оба материјала се скупљају када се охладе од амбијенталне до –162 степена. Ова термичка контракција ствара значајна заостала напрезања у цевоводима са више{2}}распона и спојевима резервоара{3}}на-цеви. Инжењери пројектаната морају узети у обзир овај напон у анализама флексибилности цевовода (АСМЕ Б31.3 Поглавље ИИ).

Табела. 304Л у односу на 9Ни челик - Термичка контракција и физичка својства

Извор: АСМЕ Б31.3 'Процесни цевовод' (издање 2022.); АСМ Хандбоок Вол. 4 'Хеат Треатинг' (1991); Специјални метали СМЦ-045 (Инцолои/304Л термални подаци); УС Стеел '9% никл челична плоча за криогене услуге - Технички лист УС-9Ни-2022.

Отпорност на корозију и околину

Општа корозија

У сувом, инертном ЛНГ окружењу, и 304Л и 9Ни челик показују одличну општу отпорност на корозију. ЛНГ испарени гас- је претежно метан са траговима ЦО₂ и азота; није-корозивна у одсуству слободне влаге. Примарна забринутост због корозије јавља се током следећих оперативних сценарија:

Кондензација влаге на спољашњим површинама резервоара (атмосферска корозија; ублажена изолацијом)

Пренос ЦО₂ / Х2О у БОГ цевима (формирање угљене киселине на 9Ни челику; 304Л углавном имун)

Окружење торња за хлађење морске воде у приобалним ЛНГ терминалима (ризик од стварања удубљења Цл⁻ на 304Л; контролише се премазом)

Пуцање од корозије под напоном (СЦЦ)

Табела. 304Л у односу на 9Ни челик - Осетљивост на корозију под напоном и пуцање

Извор: НАЦЕ Интернатионал СП0472 'Препоручене праксе за методе и опрему за спречавање корозије аустенитних нерђајућих челика и легура на бази никла{1}} (2021); НАЦЕ СП0103 'Контрола корозије испод топлотне изолације' (2021); ИСО 15156-3:2015 Анекс Ц (применљивост киселих услуга); УС Стеел 'Водич за корозију 9Ни челика УС-9Ни-Цорросион-2022.'

Дефинитивно, примарна рањивост 304Л СЦЦ је хлорид СЦЦ (Цл-СЦЦ) на температурама изнад ~60 степени -, стање које се може јавити на спољној (амбијентској) површини изолованих резервоара за ЛНГ у врућим климама, ако влага продре у изолацију. 9Нисцепти челик нема{5} К&Т стање. За изоловане криогене резервоаре у влажним или приобалним срединама, 9Ни челик носи мањи ризик од СЦЦ.

Механизми кртости

Два криогена механизма кртости су релевантна за избор ЛНГ материјала:

Крхкост при каљењу (само 9Ни): 9Ни челик каљен у опсегу од 350–575 степени може да апсорбује елементе нечистоћа у траговима (П, Сн, Сб, Ас) на границама зрна, смањујући жилавост зареза. Ово се постиже специфицирањем ниске преостале топлоте елемената и избегавањем ПВХТ температура у опсегу кртости.

Крхкост течног метала (ЛМЕ): Истопљени алуминијум или цинк (од топло-поцинкованих скела или опреме) може изазвати ЛМЕ на оба материјала; потребно је строго искључење контаминације Зн/Ал у близини зона заваривања према АВС Д18.1

304Л је имун на крхкост темперамента (без корака каљења), али је подложан кртости у сигма фази ако се држи у опсегу од 540–900 степени током дужих периода (обично није брига за стандардно заваривање ако се контролише предгревање).

Заварљивост и израда

304Л - Карактеристике заваривања

304Л је лако заварљив свим уобичајеним процесима електролучног заваривања (ГТАВ / ТИГ, ГМАВ / МИГ, СМАВ / штап, САВ). Његов низак садржај угљеника (мањи или једнак 0,03 %) минимизира ризик од сензибилизације - таложења хром карбида на границама зрна што узрокује интергрануларну корозију (ИГЦ) у ХАЗ.

Међутим, потребне су следеће мере предострожности:

Користите метал за пуњење са ниским{0}}угљиком (ЕР308Л или ЕР316Л) да бисте одржали ХАЗ угљеник испод 0,03%

Међупролазна температура Мања или једнака 150 степени да би се спречило грубље карбида и одржала стабилност аустенита

Заштитни гас на бази аргона или аргона за ГТАВ/ГМАВ (без сакупљања азота, што може да изазове порозност)

Чишћење после-завара: уклоните каменац оксида помоћу пасте за кисељење (ХНО₃ + ХФ) да бисте повратили пуну отпорност на корозију

Није потребан ПВХТ за 304Л (жаљени обични метал само-ослобађа стрес)

9Ни челик - карактеристике заваривања

9Ни челик представља већу сложеност заваривања због своје К&Т микроструктуре и веће каљивости. Кључни захтеви укључују:

Претходно загревање: 50–100 степени обавезно за дебљину плоче > 25 мм да би се спречило пуцање водоника ХАЗ

ПВХТ: Обавезно за дебљину > 35 мм (према АСМЕ БПВЦ Сецтион ВИИИ Див. 1 УВ-39); типични ПВХТ 560–590 степени током 1–2 сата; мора избегавати прозор за крхкост темперамента од 350–575 степени

Додатни метал: ЕНиЦрФе-3 (Инцонел 182) или ЕНиЦрМо-3 (Инцонел 625) за киселу или криогену употребу; ЕРНиЦр-3 (Инцонел 82) за само криогене услуге. НЕМОЈТЕ користити угљенични челик или пунило од нерђајућег челика 309 на 9Ни челику.

Температура термичке обраде након{0}заваривања мора да буде већа или једнака 535 степени да би се избегао опсег кртости од 350–575 степени, или мања или једнака 300 степени (нема практичне зоне ризика)

Завари морају да испуњавају ЦВН захтеве на –196 степени: одвојена квалификација поступка заваривања (ВПКР) са Цхарпи тестирањем на –196 степени захтева АСМЕ БПВЦ Одељак ВИИИ Див. 1 и АПИ 620 Анекс К

Захтеви за термичку обраду након{0} заваривања (ПВХТ).

Табела. 304Л вс 9Ни челик - Захтеви за термичку обраду после заваривања

Извор: АСМЕ код за котлове и посуде под притиском, Одељак ВИИИ Дивизија 1, УВ-39 'Термичка обрада након заваривања' (издање 2023.); АПИ стандард 620 „Пројектовање и конструкција великих, заварених,{10}}резервоара за складиштење под ниским притиском“ (14. издање, 2020.) Анекс К; АВС Д1.1/Д1.6 Шифра структуралног заваривања; УС Стеел „9% никл челик – Приручник за производњу“, Рев. 3, 2021.

Свеобухватна компаративна анализа

Табле. Свеобухватно поређење - 304Л наспрам 9% никл челика за ЛНГ криогене услуге

Извор: АСМЕ БПВЦ Сецтион ВИИИ Див. 1 (2023) Табеле УХА-1, УНФ-79; АСТМ А240/А240М-22; АСТМ А553/А553М-22; АПИ 620 Анекси Д и К (14. издање, 2020); НФПА 59А (Изд. 2021.); УС Стеел '9% никл челична плоча - технички лист,' 2022; Индекс цена ЛНГ материјала С&П Глобал Цоммодити Инсигхтс 'Металс Даили' К1 2024; ГИИГНЛ „Извештај о индустрији ЛНГ“, 2023.