انتخاب مواد برای نیروگاه های LNG: غلبه بر شکنندگی پایین-درجه حرارت - دانش

برای غلبه بر شکنندگی دمای پایین در کارخانه‌های LNG، مهندسان باید موادی را انتخاب کنند که دمای انتقال شکل‌پذیر به{{2} آن (DBTT) بسیار پایین‌تر از دمای عملیاتی -162 درجه سانتی‌گراد باشد. راه‌حل‌های اثبات‌شده عبارتند از 9% فولاد نیکل (مخازن مهار اولیه 4L و آستنیتی 4L 30L. لوله کشی)، آلیاژ آلومینیوم 5083 (جعبه های سرد و ظروف ISO)، و آلیاژ غشایی Invar برای مخازن غشایی نازک{11}. هر ماده باید در حداقل دمای طراحی خود بر اساس الزامات کد ASME یا EN آزمایش ضربه شود.

Material Selection for LNG Plants Overcoming Low-Temperature Brittleness

گاز طبیعی مایع در دمای 162- درجه (260- درجه فارنهایت) - نقطه جوش متان در فشار اتمسفر ذخیره و حمل می شود. در این دما، بسیاری از مواد مهندسی متداول دچار یک تغییر اساسی در رفتار می شوند: آنها از حالت انعطاف پذیر (خم شدن قبل از شکستن) به شکننده (شکستن بدون هشدار) تغییر می کنند. این پدیده که به نام انتقال شکل پذیر-به-شکننده شناخته می‌شود، یکی از خطرناک‌ترین حالت‌های شکست در مهندسی برودتی است.

عواقب خرابی شکننده در تاسیسات LNG شدید است. انتشار غیرقابل کنترل LNG می تواند در یک ابر قابل اشتعال با پتانسیل انفجار تبخیر شود، یا - در صورت مشتعل شدن - به عنوان آتش استخری بسوزد که خاموش کردن آن فوق العاده دشوار است. فاجعه مخزن LNG کلیولند در سال 1944، که ناشی از یک مخزن ساخته شده با فولاد حاوی نیکل ناکافی بود، 128 نفر را کشت و کل محله را ویران کرد. آن رویداد، اصل اساسی را که هنوز بر انتخاب مواد LNG حاکم است، ایجاد کرد: آلیاژ مناسب اختیاری نیست.

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

تعریف کلید:دمای انتقال شکل پذیر-به-ترد کننده (DBTT) دمایی است که در زیر آن یک ماده به طور ناگهانی بدون تغییر شکل پلاستیک قابل توجه می‌شکند. یک ماده تنها در صورتی برای سرویس برودتی ایمن است که DBTT آن بسیار کمتر از حداقل دمای عملیاتی باشد که توسط آزمایش ضربه Charpy V{3}}Notch (CVN) تأیید شده است.

فلزات چقرمگی خود را از توانایی اتم ها برای سازماندهی مجدد (لغزش) در امتداد صفحات کریستالی در هنگام تنش به دست می آورند. در دماهای پایین، این تحرک اتمی کاهش می یابد. برای بدنه-مکعب مرکزی (BCC) فلزات - از جمله فولاد کربنی و فولادهای زنگ نزن فریتی/مارتنزیتی - لغزش در زیر DBTT به حدی محدود می‌شود که ترک‌ها سریع‌تر از آن چیزی که فلز بتواند انرژی جذب کند منتشر می‌شود. نتیجه شکست ناگهانی و فاجعه بار در سطوح تنش بسیار کمتر از استحکام کششی نامی ماده است.

فلزات مکعبی مرکزی-(FCC) رفتار متفاوتی دارند. ساختار کریستالی آنها لغزش اتمی را حتی در دماهای برودتی امکان پذیر می کند، بنابراین چقرمگی تا صفر مطلق حفظ می شود. به همین دلیل است که فولادهای زنگ نزن آستنیتی (FCC) و آلیاژهای آلومینیوم (FCC) انتخاب های اصلی برای لوله کشی LNG هستند - آنها به سادگی DBTT ندارند.

فلزات BCC (فولاد کربنی، SS فریتی):نشان دادن یک DBTT تیز - در سرویس برودتی خطرناک مگر اینکه آلیاژ خاصی داشته باشد.

فلزات FCC (304L/316L SS، آلیاژهای آلومینیوم):بدون DBTT - در -269 درجه سخت باقی می ماند. اولین انتخاب برای لوله کشی LNG.

آلیاژهای فریت{0}نیکل بالا (9% فولاد نیکل):DBTT از طریق افزودن نیکل - راه حل مهندسی مخازن ذخیره سازی بزرگ را تا زیر 196- درجه سرکوب کرد.

جدول زیر خواص مکانیکی استاندارد شده{0}}در دمای پایین را برای هفت ماده ای که معمولاً برای سرویس کارخانه LNG مشخص می شود، نشان می دهد. تمام مقادیر حداقل بر اساس استانداردهای ASTM یا معادل EN هستند.

مواد	حداقل دمای طراحی	چقرمگی CVN	ازدیاد طول	برنامه LNG اولیه
فولاد کربنی (A516-70)	-29 درجه (-20 درجه فارنهایت)	27 J @ -29 درجه	21%	مخازن ذخیره سازی محیطی
3.5% Ni Steel (A203 Gr.E)	-101 درجه (-150 درجه فارنهایت)	27 J @ -101 درجه	21%	مخازن اتیلن / پروپیلن
9% Ni Steel (A353 / A553)	-196 درجه (-320 درجه فارنهایت)	34 J @ -196 درجه	20%	مهار اولیه LNG
304/304L SS (A312 TP304)	-269 درجه (-452 درجه فارنهایت)	>100 J @ -196 درجه	40%	لوله و اتصالات برودتی
316L SS (A312 TP316L)	-269 درجه (-452 درجه فارنهایت)	>100 J @ -196 درجه	40%	لوله کشی برودتی، پوشش پمپ
Invar (Fe-36Ni، F1684)	-196 درجه (-320 درجه فارنهایت)	عالی	30%	سیستم های مخزن LNG غشایی
آلیاژ آلومینیوم 5083 (B241)	-196 درجه (-320 درجه فارنهایت)	خوب	16%	ذخیره سازی LNG، ظروف ISO

منابع: ASTM A353, A553, A312, A240, B241, F1684; ASME بخش هشتم بخش 1; EN 14620. CVN=Charpy V-انرژی ضربه ناچ. همه مقادیر حداقل کد{11}}ارقام الزامی هستند. مقادیر گواهی شده واقعی معمولاً بالاتر هستند.

یک کارخانه LNG یک محیط یکنواخت نیست - بلکه یک گرادیان دما از محیط در محدوده باتری تا -162 درجه در جعبه سرد و مخازن ذخیره سازی را در بر می گیرد. مناطق مختلف مواد متفاوتی را می طلبند. استفاده از مواد نامناسب در هر ناحیه - حتی به طور مختصر - خطر شکستگی شکننده ایجاد می کند. ماتریس زیر مرجع اصلی شما برای انتخاب مبتنی بر منطقه-است.

منطقه گیاهی	دما محدوده	مواد توصیه شده	نکته مشخصات کلیدی
ورودی گاز خوراک / اسلگ گیر	0 درجه تا 20- درجه	کربن استیل A333 Gr.6	ASME B31.3; PWHT محدود مورد نیاز است
بخش پیش{0} خنک کننده (MR)	-20 درجه تا -80 درجه	3.5% Ni Steel یا 304L SS	تست ضربه بر اساس ASME VIII Div.1 UHA
جعبه سرد مایع سازی	-80 درجه تا -165 درجه	304 لیتر / 316 لیتر SS; Al 5083	تست کامل CVN @ دقیقه دمای طراحی
مخزن ذخیره LNG (داخلی)	-162 درجه (-260 درجه فارنهایت)	غشاء 9% Ni Steel یا Invar	EN 14620 / API 625؛ 100% RT روی درزها
مخزن ذخیره LNG (خارجی)	محیط	بتن پیش{0}}یا CS	مانع حرارتی بین پوسته ها
پمپ و لوله LNG (در-مخزن)	-162 درجه	304 لیتر / 316 لیتر SS; Al 5083	فلنج ASTM A182 F304L; پیچ و مهره{2}}دمای پایین
مکش کمپرسور BOG	-100 درجه تا -162 درجه	304L SS یا Al 6061-T6	غیر{0}}مغناطیسی، دمای پایین-تست شده است
بازوهای بارگیری LNG	-162 درجه	316L SS با اتصالات Al یا 9% Ni	API 1540; مفاصل چرخشی برودتی

PWHT=پست-تصفیه حرارتی جوش. HAZ=گرما-منطقه تحت تأثیر. BOG=جوش-خاموش گاز. RT=آزمایش رادیوگرافی. مشخصات نشان دهنده است. همیشه مطابق با کدهای طراحی خاص پروژه و استانداردهای مهندسی مالک{11}را تأیید کنید.

ستون 1 - چقرمگی تأیید شده از طریق آزمایش ضربه

هیچ مشخصات مواد برودتی بدون آزمایش ضربه Charpy V{0}}Notch (CVN) در حداقل دمای طراحی یا کمتر از آن کامل نمی‌شود. آزمایش CVN انرژی را که یک نمونه بریدگی استاندارد قبل از شکستن - نشانگر مستقیم چقرمگی در آن دما جذب می‌کند، اندازه‌گیری می‌کند. برای فولادهای کربنی و کم آلیاژی، حداقل انرژی مورد نیاز معمولاً 27 ژول (20 فوت- پوند) است. برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی، مقادیر بالای 100 ژول در 196- درجه به طور معمول به دست می آید. موادی را که دارای گواهینامه CVN خاص{12}}حرارت نیستند، نپذیرید.

ستون 2 - کنترل شیمی آلیاژ

چقرمگی به شیمی ردیابی بسیار حساس است. ناخالصی های گوگرد و فسفر فولادهای فریتی را در دمای پایین ترد می کنند. برای فولاد 9% نیکل، محتوای نیتروژن باید کمتر از 0.01% کنترل شود تا از شکنندگی کرنش- در طول ساخت جلوگیری شود. برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی، کربن باید به حداکثر 0.03٪ (تعیین درجه "L") محدود شود تا از ایجاد حساسیت در حین جوشکاری جلوگیری شود. شناسایی مثبت مواد (PMI) - با استفاده از فلورسانس اشعه ایکس (XRF) یا طیف‌سنجی نشر نوری - باید قبل از نصب روی 100٪ اجزای آلیاژی انجام شود تا تأیید شود که هیچ ماده درجه پایین‌تری جایگزین نشده است.

کیفیت و صلاحیت جوش ستون 3 -

جوش ها آسیب پذیرترین مکان ها در هر سیستم فشاری هستند و در دماهای برودتی دو برابر می شوند. منطقه تحت تأثیر حرارت{1}}یک جوش (HAZ) یک چرخه حرارتی سریع را تجربه می‌کند که می‌تواند ساختار دانه را تغییر داده و چقرمگی را کاهش دهد. هر مشخصات فرآیند جوش (WPS) برای خدمات برودتی باید شامل سوابق صلاحیت روش (PQRs) با آزمایش CVN روی فلز جوش و HAZ در حداقل دمای طراحی باشد. برای فولاد 9 درصد نیکل، فلزات پرکننده معمولاً بر پایه نیکل{5}}آلیاژی (ENiCrMo-6 یا ENiCrFe-9) هستند تا ترکیبی مشابه، به ویژه به این دلیل که پرکننده نیکل چقرمگی را در سراسر محدوده برودتی کامل حفظ می‌کند.

جدول زیر آزمایش‌های حیاتی، استانداردهای قابل اجرا و معیارهای پذیرش را ادغام می‌کند که بر صلاحیت مواد برای خدمات کارخانه LNG حاکم است.

نوع تست	استاندارد	هنگامی که اعمال می شود	معیار پذیرش
Charpy V-Notch (CVN)	ASTM E23 / EN ISO 148	در حداقل دمای طراحی	پذیرش: بزرگتر یا مساوی 27 J (فریتی)؛ بزرگتر یا مساوی 100 ژول (آستنیتی)
کاهش{0}}تست پارگی وزن	ASTM E436	9% نیکل و فولادهای کم آلیاژ-	ظاهر شکست برشی 100٪
کششی (دمای پایین-)	ASTM A370	در -196 درجه برای درجات برودتی	UTS و بازده باید حداقل را برآورده کنند. @ دمای تست
سختی (ویکرز/برینل)	ASTM E92 / E10	جوش HAZ; ارسال -PWHT	HV 10 max 350 در هر BS PD 5500
رادیوگرافی (RT)	ASTM E94 / EN ISO 17636	همه-جوش‌های لبه‌ای با نفوذ کامل	پذیرش بر اساس ASME B31.3 یا EN 13480
اولتراسونیک (UT)	ASTM E164	بشقاب و اتصالات دیواری سنگین	آرایه فازی-UT برای مقاطع ضخیم ترجیح داده می‌شود
مایع نافذ (PT)	ASTM E165	سطح نهایی آستنیتی SS	تشخیص ترک های سطحی؛ با استون تمیز کنید
شناسه مواد مثبت (PMI)	ASTM E1476 (XRF)	تمام اجزای آلیاژی در هنگام نصب	محتوای Ni، Cr، Mo را تأیید کنید. 100% بازرسی

استانداردهای ارجاع شده نسخه های فعلی ASTM / EN / ASME هستند. برنامه‌های بازرسی و آزمایش خاص- پروژه (ITP) ممکن است الزامات سخت‌گیرانه‌تری را اعمال کنند. همیشه با کد طراحی قابل اجرا - که معمولاً ASME B31.3 برای لوله کشی فرآیند، API 625 / EN 14620 برای مخازن ذخیره سازی مطابقت دارد.

Five Common Material Selection Mistakes and How to Avoid Them

اشتباه 1:استفاده از فولاد کربنی زیر ۲۹- درجه بدون آزمایش ضربه.

فولاد کربن استاندارد (A106 Gr.B) ضربه-تست نشده و دارای DBTT غیرقابل پیش بینی است. همیشه از A333 Gr.6 (ضربه-تست شده تا 46- درجه) یا یک جایگزین درجه برودتی- برای دماهای زیر 29- درجه استفاده کنید. حتی یک گشت و گذار موقت زیر این آستانه - در طول خنک شدن گیاه، به عنوان مثال - می تواند باعث ایجاد ترک شکننده شود.

اشتباه 2:با فرض اینکه 304 SS و 304L SS قابل تعویض هستند.

در سرویس برودتی، نام "L" اهمیت دارد. استاندارد 304 (حداکثر 0.08٪ C) خطر حساس شدن در محل جوش HAZ را ایجاد می کند و مناطق خالی از کروم را ایجاد می کند که مستعد خوردگی بین دانه ای در رطوبت کمیاب هستند. همیشه 304L یا 316L را برای لوله های برودتی جوش داده شده مشخص کنید.

اشتباه 3:نادیده گرفتن PMI در مواد "تأیید شده" از انبار.

اختلاط-میان گریدهای آلیاژ در انبار یا کارخانه ساخت، دلیل مستندی برای خرابی های برودتی است. یک قطعه لوله فولاد کربنی که به اشتباه به عنوان فولاد نیکل 9 درصد شناسایی شده است، از نظر بصری قابل تشخیص نیست. PMI در نقطه نصب خطاهایی را می گیرد که اسناد کاغذی نمی توانند.

اشتباه 4:استفاده از مواد پیچ و مهره استاندارد برای اتصالات فلنج دار برودتی.

ناودانی های استاندارد ASTM A193 B7 (فولاد آلیاژی) برای دماهای برودتی رتبه بندی نمی شوند. ناودانی ASTM A320 L7 و مهره‌های A194 Gr.4 یا Gr.7 را مشخص کنید که ضربه‌ای-تا 101- درجه آزمایش شده‌اند. برای سرویس LNG در -162 درجه، پیچ و مهره ASTM A320 B8M (316 SS) مورد نیاز است.

اشتباه 5:تجزیه و تحلیل ناکافی چرخه حرارتی در طول طراحی.

نیروگاه های LNG در دمای ثابت- باقی نمی مانند. چرخه‌های خنک‌کردن و گرم کردن-- در طول راه‌اندازی، خاموشی‌های برنامه‌ریزی‌شده، و شرایط اضطراری - فشارهای حرارتی را بر هر جزء وارد می‌کنند. ماده ای با چقرمگی کافی در حالت ثابت-ممکن است از طریق چرخه حرارتی مکرر آسیب خستگی را جمع کند. موادی را با حداقل دمای طراحی حداقل 10 درجه کمتر از کمترین دمای عملیاتی معتبر مشخص کنید تا حاشیه ایمنی ایجاد شود.

آیا می توانم از فولاد ضد زنگ 316L برای کارخانه کامل LNG از جمله مخازن ذخیره سازی استفاده کنم؟

فولاد ضد زنگ 316Lبرای لوله کشی، پمپ ها و اتصالات در دمای -162 درجه عالی است. با این حال، برای مخازن مهار اولیه - که مخازن تحت فشار دیواره‌ای بزرگ و ضخیم هستند - 9% فولاد نیکل و غشای اینوار راه‌حل‌های استاندارد هستند زیرا ترکیبی مقرون‌به‌صرفه‌تر-از قابلیت جوش-، سهولت ساخت، و چقرمگی برودتی در مقیاس مورد نیاز برای مخازن با مقیاس هزار متر مکعبی ارائه می‌دهند.

تفاوت فولاد 9 درصد نیکل با اینوار برای مخازن LNG چیست؟

فولاد 9% نیکل (ASTM A553) در مخازن کامل-دو جداره-حفاظتی به عنوان پوسته داخلی، معمولاً 20 تا 50 میلی‌متر ضخامت، مستقیماً در تماس با LNG استفاده می‌شود. Invar (Fe{8}}36Ni) دارای ضریب انبساط حرارتی فوق‌العاده پایینی است و در طرح‌های مخازن با غشای نازک (مانند سیستم‌های Mark III و No.96 GTT) استفاده می‌شود که در آن غشاء در طی چرخه‌های حرارتی بدون ترک خوردگی خم می‌شود و تغییر شکل می‌دهد. هر دو تا -196 درجه تایید شده اند. این انتخاب بر اساس فلسفه طراحی تانک و قراردادهای مجوز انجام می شود.

آیا آلیاژهای آلومینیومی مناسب برای لوله کشی برودتی LNG وجود دارد؟

بله. آلیاژ آلومینیوم 5083 (ASTM B241) به طور گسترده برای جعبه های سرد LNG، مبدل های حرارتی و مخازن داخلی کانتینر ISO استفاده می شود. چقرمگی خوبی را در -196 درجه حفظ می کند، چگالی پایینی دارد (بار مرده را کاهش می دهد) و غیر مغناطیسی است. برای کاربردهای فشار بالا و بالاتر از تقریباً 25 بار بدون تجزیه و تحلیل دقیق طراحی مناسب نیست، اما برای خدمات برودتی با فشار متوسط، یک انتخاب اثبات شده و مقرون به صرفه است.

غلبه بر شکنندگی دمای پایین در یک کارخانه LNG، یافتن یک ماده جهانی نیست - بلکه به نقشه برداری از هر منطقه کارخانه به آلیاژ مناسب، تأیید آن آلیاژ از طریق آزمایش های دقیق، و کنترل ساخت و جوشکاری برای حفظ خواصی است که برای آن هزینه کرده اید. چارچوب تصمیم گیری روشن است:

حداقل دمای طراحی را برای هر سیستم و جزء مشخص کنید.

موادی را انتخاب کنید که DBTT آنها با داده‌های ضربه CVN کمتر از آن دما هستند.

مواد FCC (آستنیتی SS، آلومینیوم) را برای لوله کشی انتخاب کنید. 9% Ni یا Invar برای مخازن بزرگ.

PMI را روی 100% اجزای آلیاژی در هنگام نصب مشخص و اجرا کنید.

واجد شرایط بودن تمام فرآیندهای جوش با آزمایش CVN برودتی روی فلز جوش و HAZ.

یک حاشیه حرارتی اعمال کنید: حداقل 10 درجه کمتر از کمترین دمای عملیاتی معتبر طراحی کنید.

این چارچوب که به طور مداوم اعمال می‌شود، حالت‌های خرابی مرتبط{0} را که در طول تاریخ باعث پرهزینه‌ترین و خطرناک‌ترین حوادث صنعت شده‌اند، حذف می‌کند. سرمایه گذاری اولیه در مشخصات صحیح مواد همیشه کمتر از هزینه خرابی یک میدان است.

آماده منبع؟ما لوله‌ها، اتصالات و فلنج‌های فولاد ضد زنگ و آلیاژ نیکل را مطابق با استانداردهای ASTM A312 (TP304L, TP316L)، A182 (F304L, F316L) و مشخصات برودتی مرتبط، با گواهی‌نامه کامل تست ضربه دمای پایین-و مستندات PMI تولید می‌کنیم.با تیم فنی ما تماس بگیریدبرای در دسترس بودن سهام، گواهی مواد، و{0}}پشتیبانی خاص پروژه.

مراجع و استانداردهای قابل اجرا

ASTM A312 / A{1}} لوله و اتصالات فولادی ضد زنگ آستنیتی

ASTM A353 / A{1}}% ورق فولادی نیکل (دوگانه و تکی نرمال شده و تمپر شده)

پیچ و مهره فولادی آلیاژی ASTM A320 / A{1}} با دمای پایین-

ASTM B{0}} لوله بدون درز آلیاژ آلومینیوم 5083 و لوله اکسترود شده بدون درز

کد لوله‌کشی فرآیند ASME B{0}}

ASME Section VIII Div.1, Part UHA - قوانین برای فولاد ضد زنگ آستنیتی

سیستم‌های مخزن API 625 - برای ذخیره‌سازی گاز مایع در یخچال

EN 14620 - طراحی و ساخت سایت- مخازن ذخیره سازی LNG عمودی ساخته شده

استاندارد NFPA 59A - برای تولید، ذخیره‌سازی و مدیریت LNG

مشخصات BS PD 5500 - برای مخازن تحت فشار جوش داده شده با ذوب پخته نشده