Materjali valik veeldatud maagaasi tehastele: madala{0}}temperatuuri rabeduse ületamine - Teadmised

Madal{0}}temperatuuri rabeduse ületamiseks veeldatud maagaasi tehastes peavad insenerid valima materjalid, mille plastilisuse -to{2}}hapraks üleminekutemperatuur (DBTT) on tunduvalt madalam kui töötemperatuur -162 kraadi C. Tõestatud lahendused on 9% nikkelteras (esmane kaitsepaagid), austeniitsest terasest L3 sta314 torustik), alumiiniumisulamist 5083 (külmkastid ja ISO-mahutid) ja Invari membraanisulamit õhukese membraaniga mahutite jaoks. Iga materjal peab läbima löögitesti selle minimaalsel projekteerimistemperatuuril vastavalt ASME või EN koodi nõuetele.

Material Selection for LNG Plants Overcoming Low-Temperature Brittleness

Veeldatud maagaasi hoitakse ja transporditakse temperatuuril -162 kraadi (-260 kraadi F) - metaani keemistemperatuuril atmosfäärirõhul. Sellel temperatuuril toimuvad paljude tavaliste tehniliste materjalide käitumises põhimõtteline muutus: need muutuvad plastilisusest (enne purunemist painutamine) rabedaks (purustuvad hoiatamata). See nähtus, mida tuntakse plastilisusest -hapraks üleminekuks{6}}, on krüogeense inseneri üks ohtlikumaid rikkeviise.

Veeldatud maagaasi rajatise rabeda rikke tagajärjed on rasked. LNG kontrollimatu eraldumine võib aurustuda plahvatusohtlikuks tuleohtlikuks pilveks või - süttimisel - põleda basseinitulena, mida on erakordselt raske kustutada. 1944. aasta Clevelandi veeldatud maagaasi tanki katastroof, mis tulenes ebapiisavalt niklit sisaldavast terasest valmistatud tankist, tappis 128 inimest ja hävitas terve naabruskonna. See sündmus pani paika põhiprintsiibi, mis juhib ka tänapäeval veeldatud maagaasi materjalide valikut: õige sulam ei ole valikuline.

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

Võtme definitsioon:Plastilise{0}}to{1}}habras üleminekutemperatuur (DBTT) on temperatuur, millest madalamal materjal puruneb ootamatult ilma märkimisväärse plastilise deformatsioonita. Materjal on krüogeenseks kasutamiseks ohutu ainult siis, kui selle DBTT on tunduvalt madalam minimaalsest töötemperatuurist, mida kinnitab Charpy V-Notch (CVN) löökkatse.

Metallide sitkus tuleneb aatomite võimest pinge all kristalltasanditel ümber korraldada (libiseda). Madalatel temperatuuridel see aatomi liikuvus väheneb. Kere -keskse kuupmeetri (BCC) metallide -, sealhulgas süsinikterase ja ferriitse/martensiitsete roostevaba terase - puhul muutub libisemine DBTT-st allapoole niivõrd piiratud, et praod levivad kiiremini, kui metall suudab energiat neelata. Tulemuseks on äkiline katastroofiline purunemine pingetasemetel, mis on tunduvalt madalamad kui materjali nimitõmbetugevus.

Face{0}}centered cubic (FCC) metallid käituvad erinevalt. Nende kristallstruktuur võimaldab aatomite libisemist isegi krüogeensetel temperatuuridel, nii et tugevus püsib absoluutse nullini. Seetõttu on austeniitse roostevaba teras (FCC) ja alumiiniumisulamid (FCC) LNG torustike jaoks esmased valikud - neil lihtsalt pole DBTT-d.

BCC metallid (süsinikteras, ferriitne SS):neil on terav DBTT -, mis on krüogeenses kasutuses ohtlik, välja arvatud juhul, kui need on spetsiaalselt legeeritud.

FCC metallid (304L/316L SS, alumiiniumsulamid):ükski DBTT - ei jää –269 kraadi juures kõvaks. LNG torustiku esimene valik.

Kõrge-niklisisaldusega ferriitsed sulamid (9% Ni teras):DBTT suruti alla –196 kraadi nikli lisamisega -, mis on insenertehniline lahendus suurte mahutite jaoks.

Allolev tabel esitab standardiseeritud madalal{0}}temperatuuril kasutatavad mehaanilised omadused seitsmele veeldatud maagaasi jaama teenuste jaoks kõige sagedamini ette nähtud materjalile. Kõik miinimumväärtused vastavad ASTM-i või samaväärsetele EN standarditele.

Materjal	Min. Disain Temp.	CVN sitkus	Pikendamine	Esmane LNG rakendus
Süsinikteras (A516-70)	−29 kraadi (−20 kraadi F)	27 J @ –29 kraadi	21%	Ümbritseva hoiupaagid
3,5% Ni teras (A203 gr.E)	−101 kraadi (−150 kraadi F)	27 J @ -101 kraadi	21%	Etüleen/propüleen anumad
9% Ni teras (A353 / A553)	−196 kraadi (−320 kraadi F)	34 J @ -196 kraadi	20%	LNG esmane isoleerimine
304/304L SS (A312 TP304)	−269 kraadi (−452 kraadi F)	>100 J @ –196 kraadi	40%	Krüogeensed torustikud ja liitmikud
316L SS (A312 TP316L)	−269 kraadi (−452 kraadi F)	>100 J @ –196 kraadi	40%	Krüogeenne torustik, pumba korpused
Invar (Fe-36Ni, F1684)	−196 kraadi (−320 kraadi F)	Suurepärane	30%	Membraan LNG tankisüsteemid
Alumiiniumsulam 5083 (B241)	−196 kraadi (−320 kraadi F)	Hea	16%	LNG hoidla, ISO konteinerid

Allikad: ASTM A353, A553, A312, A240, B241, F1684; ASME VIII jaotis 1. osa; EN 14620. CVN=Charpy V-Sälk löögienergia. Kõik väärtused on minimaalsed{11}}koodiga nõutavad numbrid; tegelikud sertifitseeritud väärtused on tavaliselt kõrgemad.

Veeldatud maagaasi tehas ei ole ühtne keskkond -, see ulatub ümbritsevast temperatuurist aku piiridel kuni –162 kraadini külmkasti ja hoiupaakide juures. Erinevad tsoonid nõuavad erinevaid materjale. Vale materjali kasutamine mis tahes tsoonis - isegi lühiajaliselt - tekitab hapra luumurru riski. Allolev maatriks on teie peamine viide tsooni{7}}põhiseks valikuks.

Taimede tsoon	Temp. Vahemik	Soovitatav materjal	Märkus võtme spetsifikatsiooni kohta
Toitegaasi sisselaskeava / nälkjapüüdja	0 kraadi kuni –20 kraadi	Süsinikteras A333 Gr.6	ASME B31.3; piiratud PWHT nõutav
Eeljahutussektsioon (MR)	-20 kraadi kuni -80 kraadi	3,5% Ni teras või 304L SS	Lööktestitud ASME VIII Div.1 UHA järgi
Vedeldav külmkast	-80 kraadi kuni -165 kraadi	304L / 316L SS; Al 5083	Täielik CVN test @ min. disaini temp.
LNG hoiupaak (sisemine)	−162 kraadi (−260 kraadi F)	9% Ni Steel või Invar membraan	EN 14620 / API 625; 100% RT õmblustel
LNG hoiupaak (välimine)	Ambient	Eelpingestatud betoon-või CS	Soojusbarjäär kestade vahel
LNG pump ja torustik (-paagis)	-162 kraadi	304L / 316L SS; Al 5083	ASTM A182 F304L äärikud; madala-temperatuuriga poltidega
BOG Kompressori imemine	-100 kraadi kuni -162 kraadi	304L SS või Al 6061-T6	Mitte-magnetiline, madala-temperatuuriga testitud
LNG laadimisrelvad	-162 kraadi	316L SS Al või 9% Ni liitmikega	API 1540; krüogeensed pöördliigendid

PWHT=Postitus-Keevituse kuumtöötlus. HAZ=Kuumuse-mõjutatud tsoon. BOG=Keeda-gaas välja. RT=Radiograafiline testimine. Tehnilised andmed on soovituslikud; kontrollige alati projektispetsiifiliste projekteerimiskoodide ja omaniku tehniliste standardite järgi.

Sammas 1 - Kinnitatud tugevus löögitesti abil

Ükski krüogeense materjali spetsifikatsioon ei ole täielik ilma Charpy V{0}}Notch (CVN) löögikatseta minimaalsel kavandatud temperatuuril või sellest madalamal. CVN-testimine mõõdab energiat, mille standardne sälguline proov neelab enne purunemist -, mis on sellel temperatuuril vastupidavuse otsene näitaja. Süsinikterase ja madala legeerteraste puhul on minimaalne nõutav energia tavaliselt 27 džauli (20 jalga-naela). Austeniitsete roostevabade teraste puhul saavutatakse -196 kraadi juures tavaliselt väärtused üle 100 J. Ärge võtke vastu materjale, millel pole kütte{12}}spetsiifilist CVN-sertifikaati.

Sammas 2 - sulamikeemia kontroll

Sitkus on väga tundlik jälgede keemia suhtes. Väävli- ja fosforilisandid muudavad ferriitterased madalatel temperatuuridel hapraks. 9% Ni-terase puhul peab lämmastikusisaldus olema alla 0,01%, et vältida deformatsiooni -vananemist valmistamise ajal. Austeniitsete roostevabade teraste puhul peab süsinikusisaldus olema piiratud maksimaalselt 0,03% (L-klassi tähis), et vältida sensibiliseerimist keevitamise ajal. Positiivse materjali identifitseerimine (PMI) -, kasutades röntgenfluorestsentsi (XRF) või optilise emissioonispektroskoopiat -, tuleb enne paigaldamist läbi viia 100% sulami komponentide puhul, et kontrollida, ega madalama kvaliteediga materjali pole asendatud.

Sammas 3 - keevisõmbluse kvaliteet ja kvalifikatsioon

Keevisõmblused on kõige haavatavamad kohad mis tahes survesüsteemides ja seda kahekordselt krüogeensetel temperatuuridel. Keevisõmbluse soojus{1}}mõjutatud tsoonis (HAZ) toimub kiire termiline tsükkel, mis võib muuta tera struktuuri ja vähendada tugevust. Iga krüogeense teenuse keevitusprotseduuri spetsifikatsioon (WPS) peab sisaldama protseduuride kvalifikatsiooni kirjeid (PQR) koos keevismetalli ja HAZ-i CVN-testiga minimaalsel kavandatud temperatuuril. 9% Ni-terase puhul on täitemetallid tavaliselt nikli -sulamipõhised (ENiCrMo-6 või ENiCrFe-9), mitte sobiva koostisega, eriti seetõttu, et nikli täiteaine säilitab sitkuse kogu krüogeensuse ulatuses.

Allolev tabel koondab kriitilised testid, kohaldatavad standardid ja aktsepteerimiskriteeriumid, mis reguleerivad materjalide kvalifitseerimist LNG-jaama teenuse jaoks.

Testi tüüp	Standardne	Rakendamisel	Vastuvõtmise kriteerium
Charpy V{0}}sälk (CVN)	ASTM E23 / EN ISO 148	Minimaalsel kavandatud temperatuuril	Aktsepteeri: suurem või võrdne 27 J (ferriitne); 100 J või suurem (austeniitne)
Kaalu langetamise{0}}rebenemise test	ASTM E436	9% Ni ja madala{1}}legeeritud terased	100% nihkemurru välimus
Tõmbetugevus (madal{0}}temperatuur)	ASTM A370	-196 kraadi krüogeensete klasside jaoks	UTS ja tootlus peavad vastama min. @ test temp.
Kõvadus (Vickers/Brinell)	ASTM E92 / E10	keevitada HAZ; postita-PWHT	HV 10 max 350 BS PD 5500 kohta
Radiograafiline (RT)	ASTM E94 / EN ISO 17636	Kõik täis-läbilaskvad põkk-keevisõmblused	Aktsepteerimine ASME B31.3 või EN 13480 järgi
Ultraheli (UT)	ASTM E164	Plaat- ja rasked seinatarvikud	Paksude lõikude jaoks eelistatud faasiline{0}}massiivi UT
Vedelik läbitungiv (PT)	ASTM E165	Austeniit SS lõpppind	Tuvastage pinna praod; puhastada atsetooniga
Positiivse materjali ID (PMI)	ASTM E1476 (XRF)	Kõik sulamist komponendid paigaldamisel	Kontrollige Ni, Cr, Mo sisaldust; 100% ülevaatus

Viidatud standardid on praegused ASTM / EN / ASME väljaanded. Projekti-spetsiifilised kontrolli- ja katseplaanid (ITP-d) võivad kehtestada rangemad nõuded. Ühildage alati kehtiva projekteerimiskoodiga -, tavaliselt ASME B31.3 protsessitorustiku puhul, API 625 / EN 14620 mahutite puhul.

Five Common Material Selection Mistakes and How to Avoid Them

Viga 1:Süsinikterase kasutamine alla –29 kraadi ilma löögikatseta.

Standardset süsinikterast (A106 Gr.B) ei ole löök-testitud ja selle DBTT on ettearvamatu. Kasutage alati A333 Gr.6 (löögi-testitud kuni –46 kraadini) või krüogeenset-klassi alternatiivi temperatuuridel alla –29 kraadi. Isegi ajutine kõrvalekalle sellest künnisest - tehase jahtumise ajal, näiteks - võib põhjustada hapra pragu.

Viga 2:Eeldusel, et 304 SS ja 304L SS on omavahel asendatavad.

Krüogeensetes seadmetes on tähis L oluline. Standard 304 (maksimaalselt 0,08% C) ohustab keevisõmbluse HAZ-i sensibiliseerumist, luues kroomi -vaesestatud tsoonid, mis on vastuvõtlikud teradevahelisele korrosioonile mikroniiskuses. Keevitatud krüogeensete torustike jaoks määrake alati 304L või 316L.

Viga 3:Laost pärit sertifitseeritud materjali PMI vahelejätmine.

Laos või tootmistsehhi{0}}sulamiklasside segunemine on krüogeensete rikete dokumenteeritud põhjus. Süsinikterasest toru tükk, mis on valesti tuvastatud 9% Ni terasena, on visuaalselt eristamatu. PMI tuvastab installimise hetkel vead, mida paberdokumentatsioon ei suuda.

Viga 4:Standardsete poltmaterjalide kasutamine krüogeensete äärikühenduste jaoks.

Standardsed ASTM A193 B7 naastud (legeerteras) ei ole ette nähtud krüogeensetele temperatuuridele. Määrake ASTM A320 L7 naastud ja A194 Gr.4 või Gr.7 mutrid, mis on löök{8}}testitud temperatuuril –101 kraadi. Veeldatud maagaasi teenindamiseks temperatuuril –162 kraadi on vajalik ASTM A320 B8M (316 SS) poltidega kinnitamine.

Viga 5:Ebapiisav termilise tsükli analüüs projekteerimise ajal.

Veeldatud maagaasi tehased ei püsi püsival-temperatuuril. Jahutus- ja soojendamistsüklid -kasutuselevõtu ajal -, kavandatud seisakud ja hädaolukorrad - avaldavad igale komponendile termilisi pingeid. Püsiseisundis piisava sitkusega-materjal võib korduva termilise tsükli tõttu koguda väsimuskahjustusi. Ohutusvaru tagamiseks määrake materjalid, mille minimaalne kavandatud temperatuur on vähemalt 10 kraadi madalam kui madalaim usaldusväärne töötemperatuur.

Kas ma saan kasutada 316-liitrist roostevaba terast kogu veeldatud maagaasi tehase, sealhulgas mahutite jaoks?

316L roostevaba terassobib suurepäraselt torustike, pumpade ja liitmike jaoks temperatuuril –162 kraadi. Primaarsete isolatsioonipaakide - jaoks, mis on suured, paksude{3}}seinaga surveanumad - 9% Ni-terasest ja Invar-membraanist, on aga standardlahendused, kuna need pakuvad kümnete tuhandete kuupmeetrite mahutavate paakide jaoks nõutavas mastaabis kuluefektiivsemat-keevis-võime, valmistamise lihtsuse ja krüogeense vastupidavuse kombinatsiooni.

Mis vahe on veeldatud maagaasi mahutite 9% Ni terasel ja Invaril?

9% Ni-terast (ASTM A553) kasutatakse täis-sulguriga kaheseinalistes-paakides sisemise kestana, tavaliselt paksusega 20–50 mm ja mis puutuvad vahetult kokku LNG-ga. Invaril (Fe-36Ni) on erakordselt madal soojuspaisumise koefitsient ja seda kasutatakse õhukese membraaniga mahutites (nt GTT Mark III ja No.96 süsteemid), kus membraan paindub ja deformeerub termiliste tsüklite ajal ilma pragunemiseta. Mõlemad on kinnitatud -196 kraadini; valik on tingitud tankide projekteerimise filosoofiast ja litsentsilepingutest.

Kas on veeldatud maagaasi krüogeensete torustike jaoks sobivaid alumiiniumisulameid?

Jah. Alumiiniumisulamit 5083 (ASTM B241) kasutatakse laialdaselt veeldatud maagaasi külmkastide, soojusvahetite ja ISO-mahuti siseanumate jaoks. See säilitab hea sitkuse temperatuuril –196 kraadi, on madala tihedusega (vähendab tühikoormust) ja ei ole{5}}magnetiline. See ei sobi kõrgrõhuga-üle ligikaudu 25 baari ilma hoolika konstruktsioonianalüüsita, kuid mõõduka-rõhuga krüogeense teenuse jaoks on see tõestatud ja kulutõhus valik.

Madala temperatuuriga -hapruse ületamine veeldatud maagaasi tehases ei ole ühe universaalse materjali leidmine, - vaid iga tehase tsooni kaardistamine õige sulamiga, selle sulami kontrollimine rangete katsete abil ning tootmise ja keevitamise kontrollimine, et säilitada omadused, mille eest maksite. Otsuste raamistik on selge:

Määrake iga süsteemi ja komponendi minimaalne projekteeritud temperatuur.

Valige materjalid, mille DBTT on CVN-i mõjuandmete põhjal sellest temperatuurist madalam.

Valige torustike jaoks FCC materjalid (austeniit SS, alumiinium); 9% Ni või Invar suurte paakide jaoks.

Paigaldamisel määrake ja jõustage PMI 100% sulamikomponentide puhul.

Kvalifitseerige kõik keevisõmblusprotseduurid keevismetalli ja HAZ-i krüogeense CVN-testiga.

Rakendage soojusvaru: projekteerige vähemalt 10 kraadi madalamale madalaimast usutavast töötemperatuurist.

Järjepidevalt rakendades välistab see raamistik materjaliga{0}}seotud rikkerežiimid, mis on ajalooliselt põhjustanud tööstuse kõige kulukamaid ja ohtlikumaid intsidente. Esialgne investeering õigesse materjali spetsifikatsiooni on alati väiksem kui ühe väljatõrke maksumus.

Kas olete allikaks valmis?Valmistame roostevabast terasest ja niklisulamist torusid, liitmikke ja äärikuid vastavalt ASTM A312 (TP304L, TP316L), A182 (F304L, F316L) ja seotud krüogeensetele spetsifikatsioonidele koos täieliku madala-temperatuuri löögikatse sertifikaadi ja PMI dokumentatsiooniga.Võtke ühendust meie tehnilise meeskonnagalaovarude saadavuse, materjalide sertifikaatide ja projekti{0}}spetsiifilise toe jaoks.

Viited ja kohaldatavad standardid

ASTM A312 / A182 - austeniitsest roostevabast terasest torud ja liitmikud

ASTM A353 / A553 - 9% nikliterasest plaat (kahe- ja ühekordne normaliseeritud ja karastatud)

ASTM A320 / A194 - madalatemperatuuriline-legeeritud teraspolt

ASTM B241 - alumiiniumsulamist 5083 õmblusteta toru ja õmblusteta pressitud toru

ASME B{0}} protsessi torustiku kood

ASME VIII jaotise jaotis 1, osa UHA - Austeniitse roostevaba terase reeglid

API 625 - Mahutisüsteemid jahutatud vedelgaasi hoidmiseks

ET 14620 - Saidi projekteerimine ja tootmine-Ehitatud vertikaalsed veeldatud maagaasi mahutid

NFPA 59A - Veeldatud maagaasi tootmise, ladustamise ja käitlemise standard

BS PD 5500 - Põletamata liitkeevitatud surveanumate spetsifikatsioon