נירוסטה לשירות קריוגני LNG: 304 ליטר מול 9% פלדת ניקל

גז טבעי נוזלי (LNG) מאוחסן ומועבר ב-162 מעלות (-260 מעלות F), אחד התנאים הקריוגניים התובעניים ביותר בהנדסת חומרים תעשייתיים. בחירת חומר מבני שגוי עבור מיכלי אחסון LNG, צינורות וצנרת תהליך עלולה לגרום לשבר שביר, התפרקות קריוגנית או פיצוח קורוזיה - לכשלים הנושאים השלכות בטיחותיות, סביבתיות ומוניטין קטסטרופליות.

מאמר זה מספק השוואה מובנית, מבוססת ראיות- של שני חומרים מבניים מובילים-תואמים:נירוסטה אוסטניטית 304L(UNS S30403) ו-9% פלדת ניקל (UNS K81340, המכונה גם ASTM A353 / A553 Type II / 9Ni פלדה). כל חומר מוערך על פי כימיה, תכונות קשיחות מכניות וקריוגניות, יכולת ריתוך, ביצועי קורוזיה, תאימות לרגולציה, פרקטיות בייצור ועלות ההתקנה הכוללת.

הבנת שירות קריוגני LNG

גז טבעי נוזלי (LNG) הוא גז טבעי (בעיקר מתאן, CH₄) שמקורר ל-162 מעלות (-260 מעלות F) בלחץ אטמוספרי, מפחית את נפחו בכ-600× ומאפשר הובלה ואחסון יעילים באוקיינוס. שרשרת הערך של LNG משתרעת על מפעלי הנזלה, מובילי LNG (מכליות), מסופי גיזה מחדש ורשתות הפצה יבשתיות -, כל אחד דורש חומרים מבניים שיכולים לפעול בבטחה בטמפרטורות קריוגניות.

ב-162 מעלות, רוב פלדות הפחמן והסגסוגת-הנמוכה עוברות מעבר רקיע-ל-שביר (DBTT): קשיחות השבר שלהן יורדת בחדות, וסדק שיתכופף בבטחה בטמפרטורת החדר יכול להתפשט כשבר שביר קטסטרופלי. תופעה זו, המכונה פריכות-בטמפרטורה נמוכה, היא המניע העיקרי לבחירת החומרים ליישומי LNG. הדרישות החומריות העיקריות לשירות LNG הן:

שמירת משיכות וקשיחות ב-196 מעלות (טמפרטורת חנקן נוזלי, כמדד בדיקה) ו-162 מעלות (טמפרטורת LNG תפעולית)

היעדר טרנספורמציות פאזה (פריט → מרטנזיט) בטמפרטורות קריוגניות

סבירות נמוכה לשבר שביר בנוכחות פגמים חדים או אי רציפות ריתוך

עמידות בפני זעזועים תרמיים במהלך התקררות-מהירה או התחממות-חולפת

חוזק תפוקה מתאים להכיל לחץ הידרוסטטי של LNG בטמפרטורת התכנון

אזורי מתקני LNG והאתגרים החומריים שלהם

אזורי מתקני LNG שונים מטילים דרישות ברורות לחומרים מבניים:

לוּחַ. אזורי מתקני LNG והאתגרים החומריים הייחודיים שלהם

מקור: GIIGNL (Groupe International des Importateurs de GNL) 'מחקר של תעשיית ה-LNG' ו-API 620 'תכנון ובנייה של מיכלי אחסון גדולים, מרותכים,-נמוכים' (מהדורה 14, 2020).

304L מול 9% ניקל פלדה

304L הוא גרסת הפחמן הנמוכה- (C פחות או שווה ל-0.03%) של משפחת הנירוסטה האוסטניטית 18/8, בשימוש נרחב בתעשיות המזון, הכימיקלים והתהליכים. מבנה הגביש האוסטניטי (במרכז-מעוקב בפנים, FCC) מספק מטבעו גמישות וקשיחות מצוינות בטמפרטורות קריוגניות - בניגוד לפלדות פריטיות או מרטנזיות, מבנה ה-FCC אינו עובר רקיע-ל-תהליך המעבר הרגיל ל-המעבר הרגיל של pi{10} עבור מיכלים פנימיים של מתקני אחסון LNG במשך עשרות שנים. עם זאת, המתח המרבי המותר שלו נמוך מפלדת 9Ni, והוא רגיש לסדיקת קורוזיה של כלוריד (Cl-SCC) מעל כ-60 מעלות.

פלדה 9% ניקל (UNS K81340 / ASTM A353 / A553 Type II)

פלדת ניקל של 9% היא סגסוגת גבוהה-, מרווה-ו- מחוסמת (Q&T) המכילה 8.5-9.5% ניקל במשקל. תוספת הניקל מורידה את ה-DBTT של הפלדה מתחת ל-196 מעלות, מה שהופך אותה לאוסטניטית לחלוטין וקשיחה בטמפרטורות הפעלה של LNG. 9פלדת Ni משיגה חוזק תפוקה גבוה משמעותית (485 MPa דק', לעומת{10}} MPa עבור 304L) תוך שמירה על קשיחות חריגה יוצאת דופן ב-cry. זהו החומר המפורט ביותר עבור מיכלי אחסון קרקעיים-בקנה מידה גדול-(ASTM A553 Type II, ASTM A353) והוא הבחירה הדומיננטית עבור מיכלי מטען מסוג LNG כבר למעלה מ-50 שנה. המגבלה שלו היא הרגישות להתפרקות של מעל 350 מעלות לערך והצורך בטיפול בחום לאחר-ריתוך (PWHT) בקטעים עבים יותר.

הרכב כימי

טבלה. 304L מול 9% ניקל פלדה - הרכב כימי שצוין (% משקל)

מקור: ASTM A240/A240M-22 'מפרט סטנדרטי לכרום וכרום-לוח, גיליון ורצועה של נירוסטה ניקל' (מגבלות S30403); ASTM A553/A553M-22 'מפרט סטנדרטי עבור לוחות כלי לחץ, פלדה מסגסוגת, פלדה מרוווה-וחום 9% ניקל' (סוג II, UNS K81340); ASTM A353/A353M-17 'מפרט סטנדרטי עבור לוחות כלי לחץ, סגסוגת פלדה, פלדת ניקל כפולה מחוסמת 9%.'

הערה: 'Q&T'=מרווה ומחוסך; 'DPLT'=מנורמל כפול ומחוסם (פחות נפוץ בשירות LNG מודרני). ASTM A553 Type II הוא המפרט הסטנדרטי עבור מיכלי אחסון LNG. UNS K81340 הוא ייעוד המספור המאוחד עבור פלדת 9Ni Q&T.

תכונות קשיחות מכאניות וקריוגניות

חדר-מאפיינים מכניים של טמפרטורה

שולחן. 304L vs 9Ni Steel - חדר-מאפיינים מכניים טמפרטורה

מקור: ASTM A240/A240M-22 עבור 304L; ASTM A553/A553M-22 Type II עבור פלדה 9Ni; נתוני Special Metals Corporation SMC-045 'N08811 (סגסוגת 800HT) / S30403'; Linde Steel '9Ni Steel Plate Data Sheet.'

תכונות מכניות וקשיחות קריוגניות

קריטריון הביצועים המגדיר לחומרי LNG הוא קשיחות השפעת Charpy V-Notch (CVN) ב-196 מעלות (חנקן נוזלי, אמת מידה לבדיקה) ו-162 מעלות (טמפרטורת הפעלה של LNG). גם פלדת 304L וגם פלדת 9Ni שומרות על מבנה אוסטניטי (FCC) בטמפרטורות אלו, אך רמות הקשיחות שלהן שונות באופן משמעותי.

טבלה. 304L לעומת 9Ni Steel - קשיחות ומאפייני מתיחה קריוגניים

מקור: ASTM E23-22 'שיטות בדיקה סטנדרטיות לבדיקת השפעה של סרגל חריץ של חומרים מתכתיים'; ASTM A553/A553M-22 טבלה 2 (דרישות Charpy V-Notch ב-196 מעלות ); Brostrom et al., 'Cryogenic Properties of Austenitic Stainless Steels' (מהדורה שנייה, 2018); Linde Engineering '9Ni Steel for LNG Storage Tanks - Design Base Report,' 2021.

הערה: למרות של-304L יש ערך CVN אבסולוטי גבוה יותר מפלדה של 9Ni בטמפרטורות קריוגניות, ה-CVN המינימלי הנדרש לפלדת 9Ni נמוך יותר מכיוון שעוצמת התפוקה הגבוהה יותר של הפלדה מספקת אזור פלסטי גדול יותר לפני קצה הסדק, ומתנגדת למעשה להתפשטות הסדקים. שני החומרים מקובלים לחלוטין עבור שירות LNG לפי ASME BPVC Section VIII Division 1 ו-API 620.

התכווצות תרמית

שני החומרים מתכווצים כאשר הם מקוררים מהסביבה ל-162 מעלות. התכווצות תרמית זו יוצרת מתחים שיוריים משמעותיים בחיבורי צינורות מרובי- וחיבורי מיכל-ל-צנרת. מהנדסי תכנון חייבים לקחת בחשבון את המתח הזה בניתוחי גמישות צנרת (ASME B31.3 פרק II).

טבלה. 304L לעומת פלדה 9Ni - התכווצות תרמית ומאפיינים פיזיים

מקור: ASME B31.3 'Process Piping' (מהדורת 2022); ASM Handbook Vol. 4 'Heat Treating' (1991); מתכות מיוחדות SMC-045 (נתונים תרמיים של Incoloy/304L); פלדה US Steel '9% ניקל פלדה לשירות קריוגני - גיליון נתונים US-9Ni-2022.

קורוזיה ועמידות סביבתית

קורוזיה כללית

בסביבת ה-LNG היבשה והאינרטית, הן פלדה 304L והן 9Ni מציגות עמידות כללית מצוינת בפני קורוזיה. גז לרתיחה של LNG- הוא בעיקר מתאן עם עקבות CO₂ וחנקן; הוא אינו-קורוזיבי בהיעדר לחות חופשית. חששות הקורוזיה העיקריים מתעוררים במהלך התרחישים המבצעיים הבאים:

עיבוי לחות על משטחי מיכל חיצוניים (קורוזיה אטמוספרית; מתמתן על ידי בידוד)

העברת CO₂ / H₂O בצנרת BOG (היווצרות חומצה פחמנית על פלדת 9Ni; 304L חסין במידה רבה)

סביבות מגדל קירור של מי ים במסופי LNG חופי (סיכון Cl⁻ בור על 304L; נשלט על ידי ציפוי)

פיצוח קורוזיה במתח (SCC)

טבלה. 304L vs 9Ni Steel - רגישות לסדקים בפני מתח קורוזיה

מקור: NACE International SP0472 'שיטות עבודה מומלצות לשיטות וציוד למניעת קורוזיה של פלדות אל-חלד אוסטיניות וסגסוגות מבוססות ניקל- (2021); NACE SP0103 'בקרת קורוזיה תחת בידוד תרמי' (2021); ISO 15156-3:2015 נספח C (תחולת שירות חמוץ); US Steel '9Ni Steel Corrosion Guide US-9Ni-Corrosion-2022.'

בהחלט, הפגיעות העיקרית של SCC של 304L היא כלוריד SCC (Cl-SCC) בטמפרטורות מעל ~60 מעלות - מצב שיכול להתרחש על פני השטח החיצוניים (הסביבתיים) של מיכלי LNG מבודדים באקלים חם, אם לחות חודרת לבידוד מצב Q&T. עבור מיכלים קריוגניים מבודדים בסביבות לחות או חוף, פלדת 9Ni נושאת סיכון SCC נמוך יותר.

מנגנוני שיבוש

שני מנגנוני שבירות קריוגניים רלוונטיים לבחירת חומרי LNG:

התפרקות מזג (9Ni בלבד): פלדת 9Ni מחוסמת בטווח של 350-575 מעלות יכולה לספוג אלמנטים של זיהומים (P, Sn, Sb, As) בגבולות התבואה, ולהפחית את קשיחות החריצים. זה מנוהל על ידי ציון חום אלמנטים שיורי נמוך והימנעות מטמפרטורות PWHT בטווח ההתפרקות.

התפרקות מתכת נוזלית (LME): אלומיניום מותך או אבץ (מפיגומים או ציוד מגולוון חם-) עלולים לגרום ל-LME בשני החומרים; הדרישה קפדנית של זיהום Zn/Al ליד אזורי ריתוך נדרשת לפי AWS D18.1

304L חסין להתפרקות מזג (ללא שלב חיסום) אך הוא רגיש להתפרקות שלב סיגמא אם הוא מוחזק בטווח של 540-900 מעלות לתקופות ממושכות (בדרך כלל לא מדאיג ריתוך סטנדרטי אם החימום מראש נשלט).

ריתוך וייצור

304L - מאפייני ריתוך

304L ניתן לריתוך בקלות על ידי כל תהליכי ריתוך הקשת הנפוצים (GTAW / TIG, GMAW / MIG, SMAW / מקל, SAW). תכולת הפחמן הנמוכה שלו (פחות או שווה ל-0.03%) ממזערת את סיכון הרגישות - את המשקעים של כרום קרבידים בגבולות הגרגרים הגורם לקורוזיה בין-גרעינית (IGC) ב-HAZ.

עם זאת, נדרשים אמצעי הזהירות הבאים:

השתמש במתכת פחמן נמוכה-(ER308L או ER316L) כדי לשמור על פחמן HAZ מתחת ל-0.03%

טמפרטורת מעבר קטנה מ-150 מעלות או שווה למניעת התגבשות קרביד ושמירה על יציבות אוסטניט

גז מגן מבוסס ארגון או ארגון- עבור GTAW/GMAW (ללא איסוף חנקן, שעלול לגרום לנקבוביות)

ניקוי לאחר-ריתוך: הסר אבנית תחמוצת עם משחת כבישה (HNO₃ + HF) כדי להחזיר עמידות מלאה בפני קורוזיה

אין צורך ב-PWHT עבור 304L (מתכת בסיס חישול עצמי-מקל על מתח)

9Ni Steel - מאפייני ריתוך

פלדת 9Ni מציגה מורכבות ריתוך גדולה יותר בשל מבנה ה-Q&T שלה והקשיחות הגבוהה יותר. הדרישות העיקריות כוללות:

חימום מוקדם: 50-100 מעלות חובה עבור עובי צלחת > 25 מ"מ למניעת פיצוח מימן HAZ

PWHT: חובה עבור עובי > 35 מ"מ (לפי ASME BPVC Section VIII Div. 1 UW-39); PWHT טיפוסי 560-590 מעלות למשך 1-2 שעות; חייב להימנע מחלון שברירי מזג של 350–575 מעלות

מתכת מילוי: ENiCrFe-3 (Inconel 182) או ENiCrMo-3 (Inconel 625) לשירות חמוץ או קריוגני; ERNiCr-3 (Inconel 82) לשירות קריוגני בלבד. אל תשתמש בפלדת פחמן או במילוי נירוסטה 309 על פלדת 9Ni.

טמפרטורת טיפול בחום שלאחר-ריתוך חייבת להיות גדולה או שווה ל-535 מעלות כדי למנוע את טווח ההתפרקות של 350-575 מעלות, או פחות או שווה ל-300 מעלות (ללא אזור סיכון מעשי)

ריתוכים חייבים לעמוד בדרישות CVN ב-196 מעלות: הסמכה נפרדת להליך ריתוך (WPQR) עם בדיקת Charpy ב-196 מעלות נדרשת על ידי ASME BPVC Section VIII Div. 1 ו-API 620 נספח Q

דרישות לאחר-טיפול בחום ריתוך (PWHT).

טבלה. 304L vs 9Ni Steel - פוסט-דרישות לטיפול בחום ריתוך

מקור: ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII Division 1, UW-39 'Postweld Heat Treatment' (מהדורת 2023); API Standard 620 'תכנון ובנייה של מיכלי אחסון גדולים, מרותכים,{10}}נמוכים' (מהדורה 14, 2020) נספח Q; AWS D1.1/D1.6 קוד ריתוך מבני; US Steel '9% Nickel Steel - Fabrication Handbook,' Rev. 3, 2021.

ניתוח השוואתי מקיף

לוּחַ. השוואה מקיפה - 304L מול 9% ניקל פלדה עבור שירות קריוגני LNG

מקור: ASME BPVC Section VIII Div. 1 (2023) Tables UHA-1, UNF-79; ASTM A240/A240M-22; ASTM A553/A553M-22; API 620 נספחים D ו-Q (מהדורה 14, 2020); NFPA 59A (עורך 2021); US Steel '9% ניקל פלדה - גיליון נתונים טכניים,' 2022; S&P Global Commodity Insights 'Metals Daily' מדד מחירי חומרי LNG ש1 2024; GIIGNL 'דוח תעשיית LNG', 2023.