Roostevaba teras veeldatud maagaasi krüogeense teenistuse jaoks: 304L vs 9% nikkelteras

Veeldatud maagaasi (LNG) hoitakse ja transporditakse temperatuuril –162 kraadi (–260 kraadi F), mis on üks nõudlikumaid krüogeenseid tingimusi tööstuslike materjalide valmistamisel. Vale konstruktsioonimaterjali valimine veeldatud maagaasi mahutite, torustike ja protsessitorustike jaoks võib põhjustada hapraid purunemisi, krüogeenset rabedust või pingekorrosioonipragusid -, millel on katastroofilised tagajärjed ohutusele, keskkonnale ja mainele.

See artikkel pakub struktureeritud tõenditel põhinevat-võrdlust kahe juhtiva LNG-ühilduva konstruktsioonimaterjali vahel:austeniit roostevaba teras 304L(UNS S30403) ja 9% nikkelterasest (UNS K81340, nimetatud ka ASTM A353 / A553 Type II / 9Ni terasest). Iga materjali hinnatakse keemiliste, mehaaniliste ja krüogeensete tugevusomaduste, keevitatavuse, korrosioonikindluse, eeskirjadele vastavuse, valmistamise praktilisuse ja paigalduskulude põhjal.

Veeldatud maagaasi krüogeense teenuse mõistmine

Veeldatud maagaas (LNG) on maagaas (peamiselt metaan, CH₄), mis on atmosfäärirõhul jahutatud temperatuurini –162 kraadi (–260 kraadi F), vähendades selle mahtu ligikaudu 600 korda ning võimaldades tõhusat transporti ja ladustamist ookeanis. Veeldatud maagaasi väärtusahel hõlmab veeldustehaseid, veeldatud maagaasi kandjaid (tankereid), taasgaasistamisterminale ja sisemaa jaotusvõrke, - mis kõik nõuavad konstruktsioonimaterjale, mis võivad ohutult töötada krüogeensetel temperatuuridel.

Temperatuuril –162 kraadi läbib enamik süsinikusisaldusega ja -legeerterastest plastilise -hapra ülemineku (DBTT): nende murdumistugevus langeb järsult ja toatemperatuuril ohutult painduv pragu võib levida katastroofilise rabedaks murruks. See nähtus, mida nimetatakse madalal temperatuuril{5}}habrastamiseks, on LNG rakenduste jaoks peamine materjali valiku põhjus. LNG-teenuse peamised materjalinõuded on:

Säilinud elastsus ja sitkus –196 kraadi juures (vedela lämmastiku temperatuur, katseetalonina) ja –162 kraadi juures (töötav LNG temperatuur)

Faasimuutuste puudumine (ferriit → martensiit) krüogeensetel temperatuuridel

Väike hapra murdumise tõenäosus teravate defektide või keevisõmbluse katkestuste korral

Vastupidavus termilisele šokile kiirete jahtumise{0}}ja soojenemise-transientide ajal

Piisav voolavuspiir veeldatud maagaasi hüdrostaatilise rõhu hoidmiseks kavandatud temperatuuril

Veeldatud maagaasi rajatiste tsoonid ja nende materiaalsed väljakutsed

Erinevad veeldatud maagaasi rajatiste tsoonid seavad konstruktsioonimaterjalidele erinevad nõudmised:

Tabel. Veeldatud maagaasi rajatiste tsoonid ja nende eristavad materjaliprobleemid

Allikas: GIIGNL (Groupe International des Importateurs de GNL) „LNG-tööstuse uuring” ja API 620 „Suurte keevitatud madala rõhuga mahutite projekteerimine ja ehitamine” (14. väljaanne, 2020).

304L vs 9% nikkelteras

304L on 18/8 austeniitse roostevaba terase perekonna madala-süsiniksisaldusega (C vähem kui 0,03%) variant, mida kasutatakse laialdaselt toiduaine-, keemia- ja töötlemistööstuses. Selle austeniitne (pinnakeskne kuupkujuline, FCC) kristallstruktuur tagab oma olemuselt suurepärase plastilisuse ja sitkuse krüogeensetel temperatuuridel - erinevalt ferriitsetest või martensiitsetest terastest ei muutu FCC struktuur plastiliseks- kuni-L-hapraks üleminekuprotsessiks on kasutatud maagaasi{10} LNG hoidlate mahutid aastakümneid. Selle maksimaalne lubatud pinge on aga madalam kui 9Ni teras ja see on vastuvõtlik kloriidpinge korrosioonipragudele (Cl-SCC) üle ligikaudu 60 kraadi.

9% nikkelteras (UNS K81340 / ASTM A353 / A553 tüüp II)

9% nikkelteras on ülitugev-karastatud-ja -karastatud (Q&T) sulam, mis sisaldab 8,5–9,5 massiprotsenti niklit. Nikli lisamine alandab terase DBTT alla –196 kraadi, muutes selle veeldatud maagaasi töötemperatuuridel täielikult austeniitseks ja sitkeks. 9Ni-teras saavutab oluliselt suurema voolavuspiiri (485 MPa min, vs See on kõige laialdasemalt määratletud materjal suuremahuliste-maapealsete maapealse Selle piiranguks on vastuvõtlikkus rabedusele üle ligikaudu 350 kraadi ja vajadus paksemate osade{20}}järgse keevisõmbluse kuumtöötluse (PWHT) järele.

Keemiline koostis

Tabel. 304L vs 9% nikkelterasest - Määratud keemiline koostis (massi%)

Allikas: ASTM A240/A240M-22 'Kroomi ja kroomi standardspetsifikatsioon-niklist roostevabast terasest plaadid, lehed ja ribad' (S30403 piirangud); ASTM A553/A553M-22 'Standardspetsifikatsioon surveanumaplaatidele, legeerterasest, karastatud{15}}ja karastatud 9 % nikkelterasest' (II tüüp, UNS K81340); ASTM A353/A353M-17 "Standardspetsifikatsioon surveanumaplaatidele, legeerterasest, topeltkarastatud 9% nikkelterasest."

Märkus: 'Q&T'=karastatud ja karastatud; 'DPLT'=Double Normalized and Tempered (kaasaegses LNG-teenuses vähem levinud). ASTM A553 Type II on veeldatud maagaasi mahutite standardspetsifikatsioon. UNS K81340 on 9Ni Q&T terase ühtne numeratsioonitähis.

Mehaanilised ja krüogeensed sitkuse omadused

Ruumi-temperatuuri mehaanilised omadused

Tabel. 304L vs 9Ni teras - Ruumi-Temperatuuri mehaanilised omadused

Allikas: ASTM A240/A240M-22 304L jaoks; ASTM A553/A553M-22 tüüp II 9Ni terasele; Special Metals Corporationi SMC-045 'N08811 (sulam 800HT) / S30403 andmed; Linde Steel '9Ni terasplaadi andmeleht.'

Krüogeensed mehaanilised ja sitkusomadused

Veeldatud maagaasi materjalide määrav jõudluskriteerium on Charpy V{0}}Notch (CVN) löögikindlus –196 kraadi juures (vedel lämmastik, katse etalon) ja –162 kraadi (LNG töötemperatuur). Nii 304L kui ka 9Ni teras säilitavad nendel temperatuuridel austeniitse (FCC) struktuuri, kuid nende sitkustasemed erinevad oluliselt.

Tabel. 304L vs 9Ni teras - Krüogeenne löögitugevus ja tõmbeomadused

Allikas: ASTM E23-22 'Standardsed katsemeetodid metallmaterjalide sälkudega varraste löökide katsetamiseks'; ASTM A553/A553M-22 Tabel 2 (Charpy V-sälk nõuded –196 kraadi juures); Brostrom et al., „Austenitic Stainless Steels Cryogenic Properties” (2. väljaanne, 2018); Linde Engineering „9Ni teras veeldatud maagaasi mahutitele – projekteerimise alusaruanne”, 2021.

Märkus. Kuigi 304L-l on krüogeensetel temperatuuridel kõrgem absoluutne CVN kui 9Ni terasel, on 9Ni terase nõutav minimaalne CVN madalam, kuna terase suurem voolavuspiir tagab suurema plastilise tsooni pragude tipu ees, takistades tõhusalt pragude levimist. Mõlemad materjalid on ASME BPVC VIII jaotise 1. jao ja API 620 järgi LNG-teenuse jaoks täielikult vastuvõetavad.

Termiline kokkutõmbumine

Mõlemad materjalid tõmbuvad kokku, kui jahutatakse toatemperatuurilt –162 kraadini. See termiline kokkutõmbumine tekitab märkimisväärseid jääkpingeid mitme-ava torustiku ja paagi---ühendustes. Projekteerimisinsenerid peavad torustiku paindlikkuse analüüsides seda pinget arvesse võtma (ASME B31.3 II peatükk).

Tabel. 304L vs 9Ni teras - Termiline kokkutõmbumine ja füüsikalised omadused

Allikas: ASME B31.3 'Process Piping' (2022. aasta väljaanne); ASM Handbook Vol{2}} 'Heat Treating' (1991); Special Metals SMC{7}}045 (Incoloy/304L termilised andmed); USA terasest '9% niklist terasplaat krüogeense hoolduse jaoks – andmeleht US-9Ni-2022.

Korrosiooni- ja keskkonnakindlus

Üldine korrosioon

Kuivas, inertses LNG keskkonnas on nii 304L kui ka 9Ni terasel suurepärane üldine korrosioonikindlus. Veeldatud maagaasi keetmisgaas- on valdavalt metaan koos CO₂ ja lämmastiku jälgedega; see ei ole-söövitav vaba niiskuse puudumisel. Peamised korrosiooniprobleemid tekivad järgmistel tööstsenaariumidel:

Niiskuse kondenseerumine paagi välispindadele (atmosfäärikorrosioon; leevendab isolatsioon)

CO₂ / H2O ülekanne BOG torustikus (süsihappe moodustumine 9Ni terasel; 304 liitrit suures osas immuunne)

Merevee jahutustornide keskkonnad rannikuäärsetes LNG terminalides (Cl⁻ aukude tekkeoht 304L; kontrollitud kattega)

Pingekorrosioonipragunemine (SCC)

Tabel. 304L vs 9Ni teras - pingekorrosiooni pragunemise tundlikkus

Allikas: NACE International SP0472 „Austeniitsete roostevabade teraste ja niklipõhiste sulamite korrosiooni vältimise meetodite ja seadmete soovituslikud tavad” (2021); NACE SP0103 „Soojusisolatsiooni all oleva korrosiooni kontroll” (2021); ISO 15156-3:2015 lisa C (haputeenuse rakendatavus); US Steel '9Ni terase korrosioonijuhend US-9Ni-Corrosion-2022.'

Kindlasti on 304L-i esmane SCC haavatavus kloriid SCC (Cl-SCC) temperatuuril üle ~60 kraadi -. See seisund võib kuumas kliimas tekkida isoleeritud veeldatud maagaasi mahutite välispinnal, kui niiskus tungib läbi isolatsiooni. tingimus. Niiskes või rannikukeskkonnas isoleeritud krüogeensete paakide puhul on 9Ni terasel väiksem SCC risk.

Hapruse mehhanismid

LNG materjalide valikul on olulised kaks krüogeenset rabestamismehhanismi:

Karastav rabestumine (ainult 9Ni): 9Ni teras, mis on karastatud vahemikus 350–575 kraadi, võib tera piiridel absorbeerida lisandijääke (P, Sn, Sb, As), vähendades sälkude tugevust. Seda hallatakse elementide madala jääksoojuse määramisega ja PWHT temperatuuride vältimisega rabedusvahemikus.

Vedelmetalli haprus (LME): sula alumiinium või tsink (kuum{0}}tsingitud tellingutelt või seadmetelt) võib mõlemal materjalil põhjustada LME-d; AWS D18.1 järgi on nõutav Zn/Al saaste range välistamine keevisõmblusalade läheduses

304L on vastupidav karastamisele (ilma karastamisetappideta), kuid on vastuvõtlik sigmafaasi haprusele, kui seda hoitakse pikema aja jooksul vahemikus 540–900 kraadi (tavalise keevitamise puhul ei ole see tavaliselt muret, kui eelsoojendus on kontrollitud).

Keevitatavus ja valmistamine

304L - Keevitusomadused

304L on kergesti keevitatav kõigi tavaliste kaarkeevitusprotsessidega (GTAW / TIG, GMAW / MIG, SMAW / pulk, SAW). Selle madal süsinikusisaldus (vähem kui 0,03 %) minimeerib sensibiliseerimise riski - kroomkarbiidide sadenemine terade piiridel, mis põhjustab HAZis teradevahelist korrosiooni (IGC).

Siiski on vaja järgmisi ettevaatusabinõusid:

Kasutage madala -süsinikusisaldusega täitemetalli (ER308L või ER316L), et hoida HAZ süsinikusisaldus alla 0,03 %

Läbipääsu temperatuur alla 150 kraadi või sellega võrdne, et vältida karbiidi jämedust ja säilitada austeniidi stabiilsus

Argoonil või argoonil{0}}põhinev kaitsegaas GTAW/GMAW jaoks (ilma lämmastiku kogumiseta, mis võib põhjustada poorsust)

Keevisõmbluse -järgne puhastamine: täieliku korrosioonikindluse taastamiseks eemaldage oksiidikatet marineerimispastaga (HNO₃ + HF).

304L jaoks pole PWHT vaja (lõõmutatud mitteväärismetall ise{1}}leevendab stressi)

9Ni teras - keevitusomadused

9Ni teras on tänu Q&T mikrostruktuurile ja suuremale karastavusele keerukam keevitus. Peamised nõuded hõlmavad järgmist:

Eelsoojendus: 50–100 kraadi kohustuslik, kui plaadi paksus on > 25 mm, et vältida HAZ-i vesinikpragusid

PWHT: kohustuslik paksusele > 35 mm (ASME BPVC jaotise VIII jaotise . 1 UW-39 kohta); tüüpiline PWHT 560–590 kraadi 1–2 tundi; tuleb vältida 350–575-kraadist hapruse akent

Täitemetall: ENiCrFe-3 (Inconel 182) või ENiCrMo-3 (Inconel 625) haputeeninduseks või krüogeenseks teeninduseks; ERNiCr-3 (Inconel 82) ainult krüogeenseks teenuseks. ÄRGE kasutage 9Ni terasel süsinikterast ega roostevaba täiteainet 309.

Keevisõmbluse kuumtöötluse järgne-temperatuur peab olema suurem või võrdne 535 kraadiga, et vältida 350–575 kraadise hapruse vahemikku, või alla 300 kraadi või sellega võrdne (praktiline riskitsoon puudub)

Keevisõmblused peavad vastama CVN nõuetele –196 kraadi juures: ASME BPVC jaotise VIII jaotis. 1 ja API 620 lisa Q nõuavad eraldi keevitusprotseduuri kvalifikatsiooni (WPQR) koos Charpy testimisega temperatuuril –196 kraadi

Keevituse kuumtöötluse (PWHT)-järgsed nõuded

Tabel. 304L vs 9Ni teras - Post-Keevituse kuumtöötluse nõuded

Allikas: ASME boilerite ja surveanumate kood, VIII jaotis, 1. osa, UW-39 „Keevitusjärgne kuumtöötlus” (2023. aasta väljaanne); API standard 620 „Suurte keevitatud madala rõhuga mahutite projekteerimine ja ehitamine” (14. väljaanne, 2020), lisa Q; AWS D1.1/D1.6 konstruktsiooni keevitamise kood; US Steel '9% Nickel Steel – valmistamise käsiraamat, Rev{11}}, 2021.

Põhjalik võrdlev analüüs

Tabel. Põhjalik võrdlus - 304L vs 9% nikkelterasest veeldatud maagaasi krüogeense teenistuse jaoks

Allikas: ASME BPVC VIII jaotise osa. 1 (2023) tabelid UHA-1, UNF-79; ASTM A240/A240M-22; ASTM A553/A553M-22; API 620 lisad D ja Q (14. väljaanne, 2020); NFPA 59A (2021. aasta väljaanne); USA teras „9% nikliterasest plaat – tehniline andmeleht”, 2022; S&P Global Commodity Insights 'Metals Daily' veeldatud maagaasi materjalide hinnaindeks Q1 2024; GIIGNL "LNG Industry Report", 2023.