מדריך חומר ליישומי LNG ויישומים קריוגניים - ידע

גז נוזלי (LNG) ומערכות קריוגניות פועלות בטמפרטורות נמוכות כמו -196 מעלות (-321 מעלות F) - קרות מספיק כדי להפוך פלדת פחמן רגילה לשבירה ומסוכנת. בחירת החומר הנכון אינה העדפה; זהו ציווי בטיחותי. פלדות אל חלד אוסטיניות וסגסוגות ניקל- גבוהות שומרים על קשיחות יוצאת דופן בטמפרטורות קיצוניות אלו, מה שהופך אותם לחומרים המועדפים בכל שרשרת הערך של LNG: מפעלי הנזלה, מיכלי אחסון, צינורות קריוגניים, מסופי גיזה מחדש וכלי LNG צפים (FLNG).

Material Guide for LNG and Cryogenic Applications

מדריך זה מספק למהנדסים, צוותי רכש ומנהלי פרויקטים התייחסות תמציתית לדרגות נירוסטה וסגסוגת ניקל המפורטות ביותר בשירותי LNG וקריוגניים - המכסים מאפיינים מכניים מרכזיים, תקנים ישימים ואזורי יישום טיפוסיים.

פלדות פריטיות פחמן ו-נמוכות סגסוגת עוברות מעבר רקיע-ל-שביר (DBT) כאשר הטמפרטורות יורדות. מתחת לנקודת ה-DBT -, אשר עבור פלדת פחמן נפוצה יכולה להיות גבוהה עד 0 מעלות - אנרגיית ההשפעה יורדת בחדות, והחומר עלול להישבר ללא אזהרה מועטה. תופעה זו אחראית לכשלים היסטוריים קטסטרופליים, כולל אסון המולסה של 1919, שבו נקרע מיכל פלדה גדול במזג אוויר קר, והרג 21 אנשים.

פלדות אל-חלד אוסטניטיות מכילות מבנים גבישיים-מרוכזים (FCC) שאינם מציגים מעבר רקיע-ל-שביר. הקשיחות שלהם למעשה משתפרת ככל שהטמפרטורה יורדת, וזו הסיבה שהם מחויבים על ידי קודים כגון ASME B31.3 ו-EN 13480 לשירות קריוגני.

304L (UNS S30403): הנירוסטה הקריוגנית הנפוצה ביותר. ה-"L" מציין פחמן נמוך (פחות או שווה ל-0.03%), המונע רגישות במהלך הריתוך - דרישה קריטית עבור מערכות אחסון וצנרת LNG מרותכות. חוזק מתיחה מינימלי הוא 485 MPa, עם ערך פגיעת Charpy שנשאר מעל 100 J ב-196 מעלות.

316L (UNS S31603): מוסיף 2-3% מוליבדן לשיפור עמידות בפני קורוזיה וחריצים, מה שהופך אותו לבחירה המועדפת עבור פלטפורמות LNG ימיות, מסופי חוף וכל סביבה שבה חשיפת כלוריד מעוררת דאגה. חוזק תפוקה אופייני הוא מינימום 170 MPa בטמפרטורת החדר, עולה בטמפרטורות נמוכות יותר.

כיתות 321(טיטניום-מתייצב) ו347(ניוביום-מיוצב) מיועדים לשירות המשלב חשיפה קריוגנית עם-מחזורי טמפרטורה גבוהים -, למשל, מחליפי חום שמתנועעים בין טמפרטורות ההנזלה וטמפרטורות התהליך. אלמנטים מייצבים קושרים פחמן, מונעים משקעי כרום קרביד בגבולות התבואה ומשמרים עמידות בפני קורוזיה בטווחי טמפרטורות רחבים.

כאשר תנאי הקורוזיה אגרסיביים יותר - כגון עיבוד גז חומצי, שירות חמוץ או מי ים-רכיבי FLNG רטובים - גבוהים- סגסוגות ניקל מספקות ביצועים מעולים שפלדות אל-חלד אוסטניטיות לבדן אינן יכולות להשתוות.

סגסוגת 825מכיל 38-46% ניקל, 19.5-23.5% כרום, 2.5-3.5% מוליבדן ונחושת, המספקים עמידות מצוינת לחומצות מחמצנות ומפחיתות. הוא מוגדר באופן נרחב עבור ציוד לעיבוד LNG החשוף ל-H₂S ו-CO₂, התואם ASTM B424 (לוח) ו-ASTM B425 (בר). המספר המקביל להתנגדות הגלילה שלו (PREN) עולה בדרך כלל על 30, ביצועים גבוהים בהרבה מהתקן 316L.

עם יותר או שווה ל-58% ניקל, 20-23% כרום ו-8-10% מוליבדן,סגסוגת 625הוא החומר הסטנדרטי לעליות גמישות וחיפוי על גופי FLNG. חוזק המתיחה שלו עולה על 830 MPa במצב חישול, והוא שומר על משיכות מלאה ב -196 מעלות. סגסוגת 625 תואמת ל-ASTM B443 (צלחת) ול-ASTM B446 (מוט/מוט), והיא גם מוסמכת לפי NACE MR0175/ISO 15156 לשירות חמוץ.

סגסוגת 600מספק שילוב של- כרום ניקל גבוה (שווה או גדול ל-72% Ni, 14-17% Cr) עם עמידות מצוינת בפני פיצוח קורוזיה (SCC) במחלפי חום קריוגניים ובקופסאות קרות. הוא צוין ל-ASTM B166 (בר) ו-ASTM B168 (צלחת) ונשאר עבור-חומר עבור מחליפי חום- ו-שפופרות קרה-לחומר עבור מחליפי חום- קרים ברכבות של הפרדת אוויר והנזלת LNG.

הטבלה שלהלן מסכמת את הדרגות הנפוצות ביותר שצוינו, טמפרטורת השירות המינימלית שלהן, התקנים הנהוגים, תכולת הניקל והשימוש העיקרי שלהן.

צִיוּן	טמפרטורה מינימלית (מעלה)	תקן מפתח	Ni תוכן	יישום ראשוני
304L	-196 מעלות	ASTM A240 / A182	8–12 %	מיכלי LNG, צנרת, מבניים
316L	-196 מעלות	ASTM A240 / A276	10–14 %	ימית LNG, צנרת תהליך
321	-196 מעלות	ASTM A240 / A182	9–12 %	שירות כפול- גבוה + cryo
347	-196 מעלות	ASTM A240 / A182	9–13 %	צנרת קריו יציבה
סגסוגת 825	-196 מעלות	ASTM B424 / B425	38–46 %	שירות חמוץ-LNG, גז חומצי
סגסוגת 625	-196 מעלות	ASTM B443 / B446	גדול או שווה ל-58%	עולים גמישים, FLNG
סגסוגת 600	-196 מעלות	ASTM B166 / B168	גדול או שווה ל-72%	מחליפי חום, קופסאות קרות
9% פלדה Ni	-196 מעלות	ASTM A553 סוג I	9 %	מעטפת מיכל אחסון LNG

טבלה 1: ציוני נירוסטה וסגסוגת ניקל ליישומי LNG ויישומים קריוגניים.

בעת ציון חומרים ל-LNG או שירות קריוגני, המהנדסים צריכים להעריך את הגורמים הבאים:

Key Material Selection Criteria

טמפרטורת עיצוב: ודא שהדרגה שנבחרה שומרת על אנרגיית השפעת Charpy נאותה (בדרך כלל גדולה או שווה ל-27 J לכל ASME) בטמפרטורת התכנון המינימלית.

סביבת קורוזיה: סביבות גז-עשירות-כלורידיות דורשות דרגות סגסוגות- גבוהות יותר, כגון 316L, Alloy 825 או Alloy 625.

יכולת ריתוך: ציונים נמוכים- של פחמן ("L") או ציונים מיוצבים מונעים רגישות. כל ריתוך קת בשירות קריוגני צריך להיות פיתרון-במידת האפשר.

קודים ישימים: ASME VIII Div. 1, ASME B31.3 פרק IX (צנרת בטמפרטורה-נמוכה), EN 13458 (כלים קריוגניים סטטיים), וקוד IGC (עבור ספינות LNG) כולם מציינים חומרים מותרים.

צורת מוצר: לוחות, צינורות, מוטות, אביזרי פרזול וחישול חייבים להתאים כל אחד למפרטי ASTM / ASME SB/SA שלהם.

נירוסטה וסגסוגות ניקל מופיעות בכל שרשרת הערך של LNG:

מיכלי אחסון LNG: קונכיות פנימיות מפלדת ניקל 9% (ASTM A553) או נירוסטה 304L; מבני תמיכה וצנרת ב-304L / 316L.

צינורות קריוגניים ומערכות צנרת: צינורות 10S עד 80S ב-304L / 316L לכל ASME B36.19; אביזרים ל-ASTM A403.

מחליפי חום וקופסאות קרות: צינורות, כותרים ורכיבי מעטפת ב-321, 347 או Alloy 600 בהתאם לחובת הרכיבה בטמפרטורה.

משאבות, שסתומים ומכשור: יציקות ב-CF-3M (מקביל ל-316L) או CF-8M; לקצץ בסגסוגת 625 עבור שסתומים קריוגניים בלחץ גבוה.

מבני FLNG ומבנים LNG מהחוף: סיפונים מצופים, מפלסים גמישים וצנרת-תזת קירור בסגסוגת 625 או 316L.

ASTM A240 / ASME SA-240 - לוח, גיליון ורצועה מנירוסטה

ASTM A276 / A479 / ASME SA-479 - מוט וצורות מנירוסטה אל חלד

ASTM A182 / ASME SA-182 - אוגנים ואביזרים מנירוסטה מחושלים

ASTM A403 / ASME SA-403 - אביזרי צנרת מפלדת אל חלד מחושלת

ASTM B424 / B443 / B166 - לוח מסגסוגת ניקל (סגסוגת 825, 625, 600)

ASTM B425 / B446 / B166 - בר מסגסוגת ניקל (סגסוגת 825, 625, 600)

ASME B31.3 פרק IX - עיצוב צנרת קריוגנית

EN 13458 - מיכלי לחץ קריוגניים סטטיים

הסמכת שירות NACE MR0175 / ISO 15156 - Sour-

כל החלטה מהותית צריכה להיות מאומתת מול תקן ASME, ASTM, EN או חברת הסיווג הרלוונטית ולאמת עם נתוני בדיקות השפעה בטמפרטורת התכנון המינימלית. כאשר יש ספק,להתייעץ עם ספק JN.