اختيار المواد لمحطات الغاز الطبيعي المسال: التغلب على -هشاشة درجات الحرارة المنخفضة - المعرفة

للتغلب على -هشاشة درجات الحرارة المنخفضة في محطات الغاز الطبيعي المسال، يجب على المهندسين اختيار المواد التي تكون درجة حرارة انتقالها من - إلى-هشة (DBTT) أقل بكثير من درجة حرارة التشغيل البالغة -162 درجة مئوية. والحلول المثبتة هي 9% من فولاذ النيكل (خزانات الاحتواء الأولية)، ودرجات الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ 304L و316L (أنابيب المعالجة)، وسبائك الألومنيوم 5083. (الصناديق الباردة وحاويات ISO)، وسبائك غشاء Invar لخزانات الأغشية الرقيقة-. يجب أن يتم اختبار تأثير كل مادة عند الحد الأدنى لدرجة حرارة التصميم وفقًا لمتطلبات كود ASME أو EN.

Material Selection for LNG Plants Overcoming Low-Temperature Brittleness

يتم تخزين الغاز الطبيعي المسال ونقله عند -162 درجة (−260 درجة فهرنهايت) - نقطة غليان الميثان عند الضغط الجوي. عند درجة الحرارة هذه، تخضع العديد من المواد الهندسية الشائعة لتغيير أساسي في السلوك: فهي تنتقل من اللدنة (الانحناء قبل الانكسار) إلى الهشة (التحطم دون سابق إنذار). هذه الظاهرة، المعروفة باسم التحول المطيل - إلى -، هي واحدة من أخطر أوضاع الفشل في الهندسة المبردة.

إن عواقب الفشل الهش في منشأة الغاز الطبيعي المسال شديدة. يمكن أن يتبخر الإطلاق غير المنضبط للغاز الطبيعي المسال إلى سحابة قابلة للاشتعال ذات احتمالية انفجارية، أو - إذا اشتعلت - تحترق كنيران حوض سباحة يصعب إخمادها بشكل غير عادي. وأدت كارثة خزان الغاز الطبيعي المسال في كليفلاند عام 1944، والتي نتجت عن خزان مصنوع من الفولاذ الذي يحتوي على كمية غير كافية من النيكل، إلى مقتل 128 شخصًا وتدمير حي بأكمله. لقد أرسى هذا الحدث المبدأ الأساسي الذي لا يزال يحكم اختيار مواد الغاز الطبيعي المسال اليوم: السبيكة المناسبة ليست اختيارية.

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

تعريف المفتاح:درجة الحرارة الانتقالية المرنة -إلى-الهشة (DBTT) هي درجة الحرارة التي تنكسر المادة تحتها فجأة دون حدوث تشوه لدن كبير. تكون المادة آمنة للخدمة المبردة فقط إذا كانت DBTT الخاصة بها أقل بكثير من الحد الأدنى لدرجة حرارة التشغيل، وهو ما أكده اختبار تأثير Charpy V-Notch (CVN).

تستمد المعادن صلابتها من قدرة الذرات على إعادة التنظيم (الانزلاق) على طول المستويات البلورية عند الضغط عليها. وفي درجات الحرارة المنخفضة، تقل هذه الحركة الذرية. بالنسبة للمعادن المكعبة المركزية (BCC) للجسم - - بما في ذلك الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ من الحديد/المارتنسيت -، يصبح الانزلاق مقيدًا للغاية أسفل DBTT مما يؤدي إلى انتشار الشقوق بشكل أسرع من قدرة المعدن على امتصاص الطاقة. والنتيجة هي كسر مفاجئ وكارثي عند مستويات إجهاد أقل بكثير من قوة الشد المقدرة للمادة.

تتصرف المعادن ذات الوجه-المكعب المركزي (FCC) بشكل مختلف. يتيح تركيبها البلوري إمكانية الانزلاق الذري حتى في درجات الحرارة المبردة، لذلك يتم الحفاظ على المتانة حتى الصفر المطلق. هذا هو السبب في أن الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (FCC) وسبائك الألومنيوم (FCC) هما الاختياران الأساسيان لأنابيب الغاز الطبيعي المسال - فهي ببساطة لا تحتوي على DBTT.

معادن BCC (الفولاذ الكربوني، الحديديك SS):يُظهر DBTT حادًا - خطيرًا في الخدمة المبردة ما لم يتم خلطه بشكل خاص.

معادن لجنة الاتصالات الفيدرالية (304L/316L SS، سبائك الألومنيوم):لا يظل DBTT - قاسيًا عند درجة -269. الخيار الأول لأنابيب الغاز الطبيعي المسال.

سبائك حديدية عالية-من النيكل (9% فولاذ ني):تم قمع DBTT إلى أقل من -196 درجة من خلال إضافة النيكل - وهو الحل الهندسي لصهاريج التخزين الكبيرة.

يعرض الجدول أدناه الخواص الميكانيكية القياسية لدرجات الحرارة المنخفضة-للمواد السبع الأكثر شيوعًا المحددة لخدمة محطات الغاز الطبيعي المسال. جميع القيم الدنيا متوافقة مع معايير ASTM أو معايير EN المكافئة.

مادة	دقيقة. درجة حرارة التصميم.	صلابة CVN	استطالة	تطبيق الغاز الطبيعي المسال الأساسي
الكربون الصلب (A516-70)	-29 درجة (-20 درجة فهرنهايت)	27 ي @ −29 درجة	21%	صهاريج التخزين المحيطة
3.5% ني ستيل (A203 Gr.E)	-101 درجة (−150 درجة فهرنهايت)	27 ي @ −101 درجة	21%	أوعية الإيثيلين / البروبيلين
9% ني ستيل (A353 / A553)	−196 درجة (−320 درجة فهرنهايت)	34 ي @ −196 درجة	20%	الاحتواء الأولي للغاز الطبيعي المسال
304/304L سس (A312 TP304)	-269 درجة (−452 درجة فهرنهايت)	>100 ي @ −196 درجة	40%	الأنابيب والتجهيزات المبردة
316 لتر إس إس (A312 TP316L)	-269 درجة (−452 درجة فهرنهايت)	>100 ي @ −196 درجة	40%	الأنابيب المبردة، وأغلفة المضخات
إنفار (Fe-36Ni، F1684)	−196 درجة (−320 درجة فهرنهايت)	ممتاز	30%	أنظمة خزان الغاز الطبيعي المسال الغشائي
سبائك الألومنيوم 5083 (B241)	−196 درجة (−320 درجة فهرنهايت)	جيد	16%	تخزين الغاز الطبيعي المسال، وحاويات ISO

المصادر: ASTM A353، A553، A312، A240، B241، F1684؛ ASME القسم الثامن Div.1؛ EN 14620. CVN=Charpy V-طاقة التصادم. جميع القيم هي رمز الحد الأدنى-الأرقام المطلوبة؛ عادةً ما تكون القيم المعتمدة الفعلية أعلى.

محطة الغاز الطبيعي المسال ليست بيئة موحدة - فهي تمتد لتدرج درجة الحرارة من البيئة المحيطة عند حدود البطارية إلى -162 درجة في صندوق التبريد وخزانات التخزين. مناطق مختلفة تتطلب مواد مختلفة. يؤدي استخدام المادة الخاطئة في أي منطقة - ولو لفترة وجيزة - إلى خطر حدوث كسر هش. المصفوفة أدناه هي مرجعك الأساسي للاختيار القائم على المنطقة-.

منطقة النبات	درجة حرارة. يتراوح	المواد الموصى بها	ملاحظة المواصفات الرئيسية
مدخل غاز التغذية / صائد السبائك	0 درجة إلى -20 درجة	الكربون الصلب A333 Gr.6	أسم B31.3؛ مطلوب PWHT محدود
قسم التبريد المسبق-(MR)	-20 درجة إلى -80 درجة	3.5% ني ستيل أو 304L SS	تم اختبار التأثير وفقًا لمعايير ASME VIII Div.1 UHA
صندوق التسييل البارد	-80 درجة إلى -165 درجة	304 لتر / 316 لتر سس؛ آل 5083	اختبار CVN الكامل @ دقيقة. درجة حرارة التصميم
خزان تخزين الغاز الطبيعي المسال (داخلي)	-162 درجة (−260 درجة فهرنهايت)	9% ني ستيل أو غشاء إنفار	إن 14620 / أبي 625؛ 100% RT على طبقات
خزان الغاز الطبيعي المسال (الخارجي)	المحيطة	-الخرسانة سابقة الإجهاد أو CS	حاجز حراري بين القذائف
مضخة الغاز الطبيعي المسال وأنابيبه (في-الخزان)	-162 درجة	304 لتر / 316 لتر سس؛ آل 5083	الشفاه ASTM A182 F304L؛ درجة حرارة منخفضة-انشقاق
شفط ضاغط BOG	-100 درجة إلى -162 درجة	304L SS أو آل 6061-T6	غير-تم اختباره بدرجة حرارة منخفضة-.
أذرع تحميل الغاز الطبيعي المسال	-162 درجة	316L SS مع تركيبات Al أو 9% Ni	أبي 1540؛ المفاصل الدوارة المبردة

PWHT=ما بعد-المعالجة الحرارية للحام. HAZ=الحرارة-المنطقة المتأثرة. BOG=غلي-الغاز. RT=اختبار التصوير الشعاعي. المواصفات إرشادية. تحقق دائمًا من قوانين التصميم-الخاصة بالمشروع والمعايير الهندسية للمالك.

تم التحقق من متانة الدعامة 1 - من خلال اختبار التأثير

لا تكتمل أي مواصفات للمواد المبردة بدون اختبار تأثير Charpy V-Notch (CVN) عند الحد الأدنى لدرجة حرارة التصميم أو أقل منها. يقيس اختبار CVN الطاقة التي تمتصها العينة المسننة القياسية قبل أن تتكسر - وهو مؤشر مباشر للصلابة عند درجة الحرارة تلك. بالنسبة للفولاذ ذو الكربون والسبائك المنخفضة-، يبلغ الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة عادةً 27 جول (20 قدمًا-رطل). بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، يتم تحقيق قيم أعلى من 100 J عند درجة -196 بشكل روتيني. لا تقبل المواد التي لا تحتوي على شهادة CVN-خاصة بالحرارة.

عمود 2 - التحكم في كيمياء السبائك

المتانة حساسة للغاية لتتبع الكيمياء. تعمل شوائب الكبريت والفوسفور على هشاشة الفولاذ الحديدي عند درجات حرارة منخفضة. بالنسبة للفولاذ Ni 9%، يجب التحكم في محتوى النيتروجين أقل من 0.01% لمنع التقصف الناتج عن الإجهاد - أثناء التصنيع. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، يجب أن يقتصر الكربون على 0.03% كحد أقصى (تصنيف الدرجة "L") لمنع التحسس أثناء اللحام. يجب إجراء تحديد المادة الإيجابية (PMI) - باستخدام مضان الأشعة السينية (XRF) أو التحليل الطيفي للانبعاث البصري - على 100% من مكونات السبائك قبل التثبيت للتحقق من عدم استبدال أي مادة ذات درجة أقل-.

عمود 3 - جودة اللحام وتأهيله

اللحامات هي المواقع الأكثر عرضة للخطر في أي نظام ضغط، وبشكل مضاعف في درجات الحرارة المبردة. تواجه المنطقة-المتأثرة بالحرارة (HAZ) من اللحام دورة حرارية سريعة يمكنها تغيير بنية الحبوب وتقليل المتانة. يجب أن تتضمن كل مواصفات إجراء اللحام (WPS) للخدمة المبردة سجلات تأهيل الإجراء (PQRs) مع اختبار CVN على معدن اللحام وHAZ عند أدنى درجة حرارة تصميمية. بالنسبة للصلب الذي يحتوي على نسبة 9% من النيكل، تكون معادن الحشو عادةً عبارة عن سبائك النيكل- القائمة على (ENiCrMo-6 أو ENiCrFe-9) بدلاً من التركيب المطابق، وذلك على وجه التحديد لأن حشو النيكل يحتفظ بالصلابة عبر النطاق المبرد الكامل.

يدمج الجدول أدناه الاختبارات الحرجة والمعايير المطبقة ومعايير القبول التي تحكم مؤهلات المواد لخدمة محطات الغاز الطبيعي المسال.

نوع الاختبار	معيار	عند تطبيقها	معيار القبول
شاربي V-نوتش (CVN)	أستم E23 / إن إسو 148	عند الحد الأدنى لدرجة حرارة التصميم	قبول: أكبر من أو يساوي 27 J (الحديد)؛ أكبر من أو يساوي 100 J (الأوستنيتي)
إسقاط-اختبار تمزق الوزن	أستم E436	9% نيكل وسبائك فولاذية-منخفضة	مظهر كسر القص بنسبة 100%
الشد (منخفض-درجة الحرارة)	أستم A370	عند -196 درجة للدرجات المبردة	UTS والعائد يجب أن يفي بالحد الأدنى. @ درجة حرارة الاختبار
الصلابة (فيكرز/برينل)	أستم E92 / E10	منطقة اللحام؛ مشاركة-PWHT	جهد عالي 10 بحد أقصى 350 لكل BS PD 5500
التصوير الشعاعي (RT)	أستم E94 / إن إسو 17636	جميع اللحامات التناكبية-كاملة الاختراق	القبول حسب ASME B31.3 أو EN 13480
بالموجات فوق الصوتية (UT)	أستم E164	لوحة وتجهيزات الجدران الثقيلة	يُفضل UT-المصفوفة المرحلية للمقاطع السميكة
اختراق السائل (PT)	أستم E165	السطح النهائي SS الأوستنيتي	كشف الشقوق السطحية. تنظيف مع الأسيتون
معرف المادة الإيجابية (PMI)	أستم E1476 (زرف)	جميع مكونات السبائك عند التثبيت	التحقق من محتوى Ni وCr وMo؛ فحص 100%

المعايير المشار إليها هي إصدارات ASTM / EN / ASME الحالية. قد تفرض خطط الفحص والاختبار (ITPs) الخاصة بالمشروع- متطلبات أكثر صرامة. قم دائمًا بالتوافق مع رمز التصميم المطبق - عادةً ASME B31.3 لأنابيب المعالجة، API 625 / EN 14620 لصهاريج التخزين.

Five Common Material Selection Mistakes and How to Avoid Them

الخطأ 1:استخدام الفولاذ الكربوني أقل من -29 درجة دون اختبار التأثير.

لم يتم اختبار تأثير الفولاذ الكربوني القياسي (A106 Gr.B)-ويحتوي على DBTT لا يمكن التنبؤ به. استخدم دائمًا A333 Gr.6 (تم اختبار التأثير -إلى -46 درجة ) أو بديل درجة التبريد - لدرجات الحرارة الأقل من -29 درجة. حتى الانحراف المؤقت تحت هذا الحد - أثناء فترة تهدئة النبات، على سبيل المثال - يمكن أن يؤدي إلى حدوث صدع هش.

الخطأ 2:بافتراض أن 304 SS و304L SS قابلان للتبديل.

في الخدمة المبردة، يكون التعيين "L" مهمًا. يخاطر المعيار 304 (بحد أقصى 0.08% C) بالحساسية عند منطقة اللحام HAZ، مما يؤدي إلى إنشاء مناطق مستنفدة للكروم - معرضة للتآكل الحبيبي في الرطوبة النزرة. حدد دائمًا 304L أو 316L للأنابيب المبردة الملحومة.

الخطأ 3:تخطي مؤشر مديري المشتريات (PMI) على المواد "المعتمدة" من المستودع.

يعتبر الخلط بين درجات السبائك في المستودع أو ورشة التصنيع سببًا موثقًا لفشل عمليات التبريد. قطعة من أنابيب الفولاذ الكربوني التي تم تعريفها بشكل خاطئ على أنها 9% من الفولاذ Ni لا يمكن تمييزها بصريًا. يقوم مؤشر مديري المشتريات (PMI) عند نقطة التثبيت باكتشاف الأخطاء التي لا تستطيع الوثائق الورقية اكتشافها.

الخطأ 4:استخدام مواد ربط قياسية للمفاصل ذات الحواف المبردة.

لم يتم تصنيف مسامير ASTM A193 B7 القياسية (سبائك الصلب) لدرجات الحرارة المبردة. حدد مسامير ASTM A320 L7 وصواميل A194 Gr.4 أو Gr.7، التي تم اختبار تأثيرها -إلى -101 درجة. بالنسبة لخدمة الغاز الطبيعي المسال عند درجة -162، يلزم تثبيت ASTM A320 B8M (316 SS).

الخطأ 5:عدم كفاية تحليل الدراجات الحرارية أثناء التصميم.

لا تظل محطات الغاز الطبيعي المسال عند درجة حرارة ثابتة-. دورات التهدئة والإحماء-تفرض - أثناء التشغيل وعمليات إيقاف التشغيل المخطط لها وحالات الطوارئ - ضغوطًا حرارية على كل مكون. قد تؤدي المادة ذات المتانة الكافية في حالة الثبات- إلى تراكم أضرار الكلال من خلال التدوير الحراري المتكرر. تحديد المواد ذات الحد الأدنى لدرجة حرارة التصميم التي لا تقل عن 10 درجات تحت أدنى درجة حرارة تشغيل موثوقة لتوفير هامش الأمان.

هل يمكنني استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ 316L لمحطة الغاز الطبيعي المسال الكاملة، بما في ذلك صهاريج التخزين؟

الفولاذ المقاوم للصدأ 316Lممتاز للأنابيب والمضخات والتجهيزات عند -162 درجة. ومع ذلك، بالنسبة لخزانات الاحتواء الأولي - والتي تكون كبيرة وسميكة-أوعية الضغط ذات الجدران - 9% Ni من الصلب والغشاء Invar هي الحلول القياسية لأنها توفر مزيجًا أكثر فعالية من حيث التكلفة-من قدرة اللحام- وسهولة التصنيع والمتانة المبردة على النطاق المطلوب للخزانات التي تحتوي على عشرات الآلاف من الأمتار المكعبة.

ما الفرق بين 9% من الفولاذ Ni وInvar لخزانات الغاز الطبيعي المسال؟

يتم استخدام 9% من الفولاذ النيكل (ASTM A553) في الخزانات ذات الجدران المزدوجة -الاحتواء الكامل- كغلاف داخلي، يتراوح سمكه عادةً من 20 إلى 50 مم، ويكون على اتصال مباشر بالغاز الطبيعي المسال. يتمتع Invar (Fe-36Ni) بمعامل تمدد حراري منخفض للغاية ويستخدم في تصميمات الخزانات ذات الأغشية الرقيقة (مثل أنظمة GTT's Mark III وNo.96) حيث ينثني الغشاء ويتشوه أثناء الدورات الحرارية دون أن يتشقق. تم التحقق من كلاهما إلى -196 درجة؛ يكون الاختيار مدفوعًا بفلسفة تصميم الخزان واتفاقيات الترخيص.

هل توجد سبائك ألومنيوم مناسبة لأنابيب الغاز الطبيعي المسال المبردة؟

نعم. يتم استخدام سبائك الألومنيوم 5083 (ASTM B241) على نطاق واسع لصناديق التبريد LNG، والمبادلات الحرارية، والأوعية الداخلية لحاويات ISO. إنه يحافظ على صلابة جيدة عند -196 درجة، وله كثافة منخفضة (تقليل الحمل الميت)، وغير مغناطيسي. وهو غير مناسب لتطبيقات الضغط العالي- التي تزيد عن 25 بار تقريبًا بدون تحليل تصميم دقيق، ولكن بالنسبة لخدمة التبريد ذات الضغط المتوسط-فإنه خيار مثبت-وفعال من حيث التكلفة.

إن التغلب على -هشاشة درجات الحرارة المنخفضة في مصنع للغاز الطبيعي المسال لا يتعلق بالعثور على مادة عالمية واحدة -، بل يتعلق بتخطيط كل منطقة مصنع للسبيكة المناسبة، والتحقق من تلك السبيكة من خلال اختبارات صارمة، والتحكم في التصنيع واللحام للحفاظ على الخصائص التي دفعت مقابلها. إطار القرار واضح:

تحديد الحد الأدنى لدرجة الحرارة التصميمية لكل نظام ومكون.

حدد المواد التي تم التأكد من أن DBTT أقل من درجة الحرارة من خلال بيانات تأثير CVN.

اختر مواد لجنة الاتصالات الفيدرالية (SS الأوستنيتي، الألومنيوم) للأنابيب؛ 9% Ni أو Invar للخزانات الكبيرة.

تحديد وتنفيذ مؤشر مديري المشتريات (PMI) على 100% من مكونات السبائك عند التثبيت.

تأهيل جميع إجراءات اللحام من خلال اختبار CVN المبرد على معدن اللحام وHAZ.

تطبيق هامش حراري: التصميم بحيث لا يقل عن 10 درجات تحت أدنى درجة حرارة تشغيل موثوقة.

ومن خلال تطبيق إطار العمل هذا بشكل متسق، فإنه يزيل أوضاع الفشل المتعلقة بالمواد-والتي تسببت تاريخيًا في وقوع الحوادث الأكثر تكلفة وخطورة في الصناعة. دائمًا ما يكون الاستثمار الأولي في مواصفات المواد الصحيحة أقل من تكلفة فشل حقل واحد.

جاهز للمصدر؟نقوم بتصنيع الأنابيب والوصلات والفلنجات المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النيكل وفقًا لمعايير ASTM A312 (TP304L, TP316L)، وA182 (F304L، F316L)، والمواصفات المبردة ذات الصلة، مع شهادة اختبار تأثير درجة الحرارة المنخفضة - الكاملة ووثائق PMI.اتصل بفريقنا الفنيلتوفر المخزون، وشهادات المواد، والدعم الخاص بالمشروع-.

المراجع والمعايير المطبقة

ASTM A312 / A182 - الأنابيب والتجهيزات المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي

ASTM A353 / A553 - 9% لوح فولاذي من النيكل (مزدوج ومفرد ومقسّى)

ASTM A320 / A194 - ربط سبائك فولاذي منخفض الحرارة

ASTM B241 - الأنابيب غير الملحومة المصنوعة من سبائك الألومنيوم 5083 والأنابيب المبثوقة غير الملحومة

ASME B31.3 - معالجة كود الأنابيب

ASME القسم الثامن القسم 1، الجزء UHA - قواعد الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي

API 625 - أنظمة الخزانات لتخزين الغاز المسال المبرد

EN 14620 - تصميم وتصنيع الموقع-صهاريج تخزين الغاز الطبيعي المسال العمودية

NFPA 59A - معيار إنتاج وتخزين ومناولة الغاز الطبيعي المسال

مواصفات BS PD 5500 - لأوعية الضغط الملحومة غير المحروقة