316L vs Duplex 2205 keemiatankerite lastipaakide jaoks

Kemikaalitankerid on ülemaailmse laevastiku tehniliselt nõudlikumate laevade hulgas. Nad veavad sadu erinevaid veoseid - alates toidu-klassi taimeõlidest kuni tööstuslike hapete ja toksiliste naftakeemiatoodeteni - sageli samas laevas järjestikuste tankimisoperatsioonide kaudu. Korrosioonist põhjustatud veosetõkestamine ei ole pelgalt majanduslik kahju; see on keskkonna- ja ohutuskatastroof.

IMO IBC koodeks (Ohtlikke kemikaale lahtiselt vedavate laevade ehitamise ja varustuse rahvusvaheline koodeks) kohustab lastipaake valmistama materjalidest, mis sobivad loetletud kemikaalidega. See suunab laevakonstruktorid kasutama roostevaba terast, mis on eelistatud konstruktsiooni- ja{1}}korrosioonikindel materjal valdava enamiku keemiaveoste jaoks.

Roostevaba terase perekonnas domineerivad laevaehituses kaks marki:

• 316L (UNS S31603, EN 1.4404): austeniitklass, mida hinnatakse keevitatavuse, sitkuse ja laialdase keemilise ühilduvuse poolest.

• Duplex 2205 (UNS S32205, EN 1.4462): kahe-faasi (austeniit + ferriit) klass, mis pakub ligikaudu kahekordse voolavuspiiri ja märkimisväärselt paremat vastupidavust punkt- ja pingekorrosioonipragudele võrreldes 316L-ga.

Vale hinde valimine maksab miljoneid dollareid enneaegse asendamise, vaba{0}}palgaaja ja regulatiivsete trahvide eest. Selles artiklis kvantifitseeritakse jõudluse puudujääk seitsme kriitilise mõõtme lõikes, nii et insenerid, mereväe arhitektid ja hankeametnikud saaksid teha kaitstavaid tõendeid{2}} põhinevaid otsuseid.

Sulamite mõistmine: metallurgia taust

316L - Austeniit roostevaba teras

316Lon 18% Cr–12% Ni–2,3% Mo austeniitsest roostevaba teras, mille süsinikusisaldus on piiratud maksimaalselt 0,030%. Tähis L (madala süsinikusisaldusega) pärsib sensibilisatsiooni - kroomkarbiidi sadenemise vorm terade piiridel, mis muidu muudaks keevisõmblused vastuvõtlikuks teradevahelisele korrosioonile. Molübdeeni lisamine tõstab punktide tekitamise ekvivalendi (PRE) ligikaudu 24–26-ni, võimaldades sellel klassil käsitleda paljusid tööstuskemikaale, mis hävitavad kiiresti madalama -klassi roostevaba terase.

Selle täielikult austeniitne mikrostruktuur tagab 316L silmapaistva plastilisuse, sitkuse krüogeensetel temperatuuridel (kuni –196 kraadi) ja magnetilise neutraalsuse. Need omadused koos küpsete ja hästi-arusaadavat keevitusprotseduuridega muudavad 316L keemiatööstuses vaikespetsifikatsiooniks.

Dupleks 2205 - Dupleks roostevaba teras

Dupleks 2205on 22% Cr–5% Ni–3% Mo–0,17% N dupleksroostevaba teras. Selle nimi viitab ligikaudu võrdsele segule (umbes 50/50) austeniidi ja ferriidi faaside mikrostruktuuris. See kahefaasiline-struktuur annab ühefaasilises-sulamis saavutamatud omadused: austeniidifaas suurendab korrosioonikindlust ja vastupidavust, ferriidifaas aga suurt tugevust ja vastupidavust pingekorrosioonipragudele (SCC) kloriidikeskkonnas.

Eriti oluline on 2205. aasta lämmastiku lisamine. Lämmastik stabiliseerib austeniidi faasi, suurendab PRE väärtust ligikaudu 16 × [% N] standardse PRE valemi järgi ja suurendab nii saagikust kui ka tõmbetugevust. Tulemuseks on PRE 34–36 -, mis asetab 2205 kindlalt merevee- ja kloriiditeenuste kategooriasse.

Eelvalem:PRE=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N (ASTM G48 alusel). Kõrgem PRE=parem punktide tekkimise takistus. PRE > 32 peetakse üldiselt mereveekindlaks.

Keemilise koostise võrdlus

Tabelis 1 on esitatud 316L ja Duplex 2205 sertifitseeritud keemilise koostise vahemikud, nagu on määratletud ASTM A240 (plaat) ja ASTM A276 (bar), kahes kemikaalitankerite ehituse kõige sagedamini viidatud tootestandardis. Kõik väärtused on esitatud massiprotsentides (massi%).

Tabel 1: 316L ja Duplex 2205 keemiline koostis|Allikas: ASTM A240/A240M-23 ja ASTM A276/A276M-23, ASTM International; NACE MR0175/ISO 15156-3

Mehaanilised omadused: tugevus, elastsus ja sitkus

Kaubatankide konstruktsioonid peavad taluma vedeliku staatilist rõhku, dünaamilisi lörtsimiskoormusi, kere paindumist karmil merel ja rõhu all olevate tankide puhul sisemist töörõhku. Valitud materjali mehaaniliste omaduste profiil määrab seega otseselt seina paksuse ja konstruktsiooni kaalu -, mis mõlemad mõjutavad kulusid oluliselt.

Tabel 2: Ruumi-temperatuuri mehaanilised omadused|Allikas: ASTM A240/A240M-23 (plaat); ASTM A276/A276M-23 (bar); ASTM A370 (testimismeetodid); ASM Aerospace Specification Metals

Tabeli 2 kriitiline väljavõte on Duplex 2205 2-kordne voolavus-tugevuse eelis. Surveanuma konstruktsioonis ASME VIII jaotise kohaselt tuleneb lubatud pinge otseselt voolavuspiirist. See tähendab, et 2205 paagi seina saab konstrueerida ligikaudu 40% õhemaks kui samaväärne 316-liitrine paak sama rõhuklassi - juures, vähendades samaaegselt materjali massi, keevituskulusid ja kere kaalu.

Kompromiss- on löögikindlus: 316L säilitab suurepärased Charpy löögiväärtused krüogeensetel temperatuuridel, samas kui 2205 näitab plastilist -to-hapra üleminekut ferriidifaasis temperatuuril alla –50 kraadi. See muudab 316L kohustuslikuks valikuks krüogeensete lastitankide jaoks (LNG, vedel lämmastik, vedel hapnik).

Korrosioonikindlus

Kemikaalitankerite teenindamisel on korrosioon esmane eluiga{0}}piirav rikkemehhanism. Roostevaba terase klassi valik peab põhinema konkreetsetel korrosioonimehhanismidel, mis on olulised kavandatava lasti ja töökeskkonna jaoks. Tabelis 3 võrreldakse kuue korrosioonimehhanismi toimivust.

Tabel 3: korrosioonitõhususe võrdlus|Allikad: ISO 11463 (punktide hindamine); ASTM G48-C (pragukorrosioon, CPT); ASTM G36 / ISO 6957 (SCC keevas MgCl2-s); ASTM G31 (üldkorrosioon); ASTM A262 praktika E (teradevaheline); DNV soovituslik tava RP-0034 (2021)

Pingekorrosioonipragunemine (SCC)

SCC on vaieldamatult kõige ohtlikum austeniitse roostevaba terase rikkeviis merekeskkonnas. See ilmneb kolme tingimuse samaaegsel esinemisel: tõmbepinge (keevitamise või töökoormuse jääk), vastuvõtlik mikrostruktuur (austeniit) ja söövitav keskkond (kloriidid kõrgel temperatuuril).

316L võib kannatada SCC kloriidilahustes, mis on üle ligikaudu 60 kraadi - temperatuuri, mida tavaliselt saavutatakse viskoosset naftakeemiat vedavates köetavates lastipaakides või lasti kuumutusspiraalide lähedustsoonides. Duplex 2205 ferriidifaas katkestab SCC pragude levimise, muutes 2205 selle rikkerežiimi suhtes kõige praktilisemates meretingimustes väga vastupidavaks.

Pitting merevees

Kemikaalitankerid töötavad mereveekeskkonnas pidevalt. Paakide välispinnad, ballasttangid ja kõik mereveega kokku puutuvad pinnad on allutatud kloriidi aukudele. PRE vahe (316 L: 24–26 vs . 2205: 34–36) tähendab 2205. aasta jaoks järsult kõrgemat kriitilist punktide tekke temperatuuri (CPT). ASTM G48 testid kinnitavad, et 2205 säilitab merevees umbes 40 liitrit õõnsustakistust {{12}16}-st tunduvalt kõrgemal. 10 kraadi samaväärsetes tingimustes.

Korduma kippuvad küsimused

K1: Kas Duplex 2205 on alati kallim kui 316L?

Toorainehinna -kilogrammi kohta-põhiselt on jah, - 2205 tavaliselt 20–40% lisatasu. Suurem voolavuspiir tähendab aga seda, et samaväärse konstruktsioonivõime saavutamiseks on vaja vähem materjali massi järgi. Koos pikema kasutusea ja väiksema hooldusega on 20-aastane LCC 2205 nõudlike rakenduste jaoks sageli madalam kui 316 liitrit.

Q2: Kas 316L ja 2205 saab keevitada ühes paagis?

Jah, erinevate metallide keevitamine 316L ja 2205 vahel on tehniliselt teostatav, kasutades 2209 duplekstäitemetalli, mis loob kompositsioonilise silla kahe sulami vahel. See lähenemine nõuab aga galvaanilise ühilduvuse ja soojus{4}}mõjutatud tsooni omaduste hoolikat tehnilist hindamist. Enamik mereväearhitekte väldib võimalusel{6}}segasulamist tanke.

Q3: Mis on 2205 maksimaalne temperatuur keemiateenistuses?

Duplex 2205 ei tohiks üldiselt kasutada pidevas töös temperatuuril üle 315 kraadi (600 kraadi F), kuna ferriidifaas muutub vastuvõtlikuks 475-kraadise hapruse ja sigma{4}}faasilise sadestumise suhtes kõrgel temperatuuril. 316L on oksüdeerivas keskkonnas pidev kasutuspiir ligikaudu 870 kraadi.

Q4: Kuidas kohtlevad klassifikatsiooniühingud kahte klassi erinevalt?

Klassifikatsiooniühingud (DNV, Lloyd's Register, Bureau Veritas, ABS) kiidavad mõlemad klassid kaubatankide kasutamiseks heaks oma vastavate reeglite alusel. Dupleksroostevaba terase puhul tuleb aga esitada keevitusprotseduuri spetsifikatsioonid (WPS) ja protseduuride kvalifikatsioonikirjed (PQR), mis on spetsiaalselt duplekssulamite jaoks kvalifitseeritud. Mõned ühiskonnad nõuavad duplekskeevisõmbluste puhul ka täiendavat NDT-d (mittepurustavat testimist).

K5: Milline klass on IBC koodeksi 17. peatükis kindlaks määratud kõige levinumate veoste jaoks?

IBC koodeks ei määra tavaliselt nime järgi 316L või 2205, kuid näeb ette minimaalse paagitüübi (1G, 1P, 2G, 2P, 3) ja materjalide ühilduvuse (nt „vajalik roostevaba teras” või „tüüp 316 või samaväärne”). Seejärel peavad käitaja ja projekteerija kinnitama, et valitud mark vastab iga konkreetse lasti korrosioonitõhususe nõuetele, kasutades selleks tööstuslikke tabeleid või sõltumatuid korrosioonikatseid.