Materialveiledning for LNG og kryogene applikasjoner

Flytende naturgass (LNG) og kryogene systemer fungerer ved temperaturer så lave som -196 grader (-321 grader F) - kalde nok til å gjøre vanlig karbonstål sprøtt og farlig. Å velge riktig materiale er ikke en preferanse; det er et sikkerhetskrav. Austenittiske rustfrie stål og høy-nikkellegeringer opprettholder eksepsjonell seighet ved disse ekstreme temperaturene, noe som gjør dem til de valgte materialene i hele LNG-verdikjeden: flytende anlegg, lagringstanker, kryogeniske rørledninger, gjenforgasningsterminaler og flytende LNG-fartøy (FLNG).

Material Guide for LNG and Cryogenic Applications

Denne veiledningen gir ingeniører, innkjøpsteam og prosjektledere en kortfattet referanse for de mest spesifiserte rustfrie stål- og nikkellegeringskvalitetene innen LNG og kryogene tjenester - som dekker viktige mekaniske egenskaper, gjeldende standarder og typiske bruksområder.

Karbon og lav-legert ferritisk stål gjennomgår en seig-til-sprø overgang (DBT) når temperaturen synker. Under DBT-punktet - som for vanlig karbonstål kan være så høyt som 0 grader - faller slagenergien kraftig, og materialet kan sprekke med lite varsel. Dette fenomenet er ansvarlig for katastrofale historiske feil, inkludert molassekatastrofen i 1919, der en stor ståltank sprakk i kaldt vær og drepte 21 mennesker.

Austenittisk rustfritt stål inneholder flate-sentrert kubikk (FCC) krystallinske strukturer som ikke viser en duktil-til-overgang. Deres seighet forbedres faktisk når temperaturen synker, og det er derfor de er pålagt av koder som ASME B31.3 og EN 13480 for kryogenisk service.

304L (UNS S30403): Det mest brukte kryogene rustfritt stål. "L" angir lavt karbon (mindre enn eller lik 0,03 %), som forhindrer sensibilisering under sveising - et kritisk krav for sveisede LNG-rør- og lagringssystemer. Minste strekkfasthet er 485 MPa, med en Charpy-støtverdi som forblir over 100 J ved -196 grader.

316L (UNS S31603): Tilfører 2–3 % molybden for økt motstand mot grop- og sprekkkorrosjon, noe som gjør det til det foretrukne valget for offshore LNG-plattformer, kystterminaler og ethvert miljø der klorideksponering er en bekymring. Typisk flytegrense er minimum 170 MPa ved romtemperatur, økende ved lavere temperaturer.

Karakterer 321(titan-stabilisert) og347(niob-stabilisert) er designet for tjenester som kombinerer kryogen eksponering med forhøyede-temperatursykluser -, for eksempel varmevekslere som svinger mellom flytende temperaturer og prosesstemperaturer. Stabiliserende elementer binder opp karbon, forhindrer utfelling av kromkarbid ved korngrenser og bevarer korrosjonsmotstanden over brede temperaturområder.

Der korrosjonsforholdene er mer aggressive - som prosessering av sur gass, sur gass eller sjøvann-våte FLNG-komponenter - høy-nikkellegeringer gir overlegen ytelse som austenittisk rustfritt stål alene ikke kan matche.

Legering 825inneholder 38–46 % nikkel, 19,5–23,5 % krom, 2,5–3,5 % molybden og kobber, og gir utmerket motstand mot både oksiderende og reduserende syrer. Det er mye spesifisert for LNG-behandlingsutstyr utsatt for H₂S og CO₂, i samsvar med ASTM B424 (plate) og ASTM B425 (bar). Dens gropmotstandsekvivalentnummer (PREN) overstiger vanligvis 30, langt bedre enn standard 316L.

Med mer enn eller lik 58 % nikkel, 20–23 % krom og 8–10 % molybden,Legering 625er standardmaterialet for fleksible stigerør og kledning på FLNG-skrog. Dens strekkfasthet overstiger 830 MPa i glødet tilstand, og den beholder full duktilitet ved -196 grader. Legering 625 er i samsvar med ASTM B443 (plate) og ASTM B446 (stang/stang), og er også kvalifisert under NACE MR0175/ISO 15156 for sur service.

Legering 600gir en høy nikkel-kromkombinasjon (Større enn eller lik 72 % Ni, 14–17 % Cr) med utmerket motstand mot spenningskorrosjonssprekker (SCC) i kryogene varmevekslere og kjølebokser. Den er spesifisert til ASTM B166 (bar) og ASTM B168 (plate) og forblir en go-til materiale for kulde-boksskaller-og-rørvarmevekslere i luftseparasjons- og LNG flytende tog.

Tabellen nedenfor oppsummerer de mest spesifiserte kvalitetene, deres laveste driftstemperatur, gjeldende standarder, nikkelinnhold og primær bruk.

Karakter	Min temperatur (grad)	Nøkkelstandard	Ni Innhold	Primær applikasjon
304L	-196 grader	ASTM A240 / A182	8–12 %	LNG-tanker, rør, strukturelle
316L	-196 grader	ASTM A240 / A276	10–14 %	Marine LNG, prosessrør
321	-196 grader	ASTM A240 / A182	9–12 %	Høy-temp + cryo dobbel tjeneste
347	-196 grader	ASTM A240 / A182	9–13 %	Stabilisert kryorør
Legering 825	-196 grader	ASTM B424 / B425	38–46 %	Sur-tjeneste LNG, sur gass
Legering 625	-196 grader	ASTM B443 / B446	Større enn eller lik 58 %	Fleksible stigerør, FLNG
Legering 600	-196 grader	ASTM B166 / B168	Større enn eller lik 72 %	Varmevekslere, kjølebokser
9 % Ni Stål	-196 grader	ASTM A553 Type I	9 %	LNG lagertankskall

Tabell 1: Rustfritt stål og nikkellegeringskvaliteter for LNG og kryogene applikasjoner.

Når de spesifiserer materialer for LNG eller kryogene tjenester, bør ingeniører vurdere følgende faktorer:

Key Material Selection Criteria

Designtemperatur: Kontroller at den valgte karakteren opprettholder tilstrekkelig Charpy-slagenergi (vanligvis større enn eller lik 27 J per ASME) ved minimumsdesigntemperaturen.

Korrosjonsmiljø: Klorid-rike eller sure-gassmiljøer krever høyere-legerte kvaliteter som 316L, Alloy 825 eller Alloy 625.

Sveisbarhet: Lav-karbon ("L") kvaliteter eller stabiliserte kvaliteter forhindrer sensibilisering. Alle stumpsveiser i kryogen bruk bør løses-hvis det er praktisk mulig.

Gjeldende koder: ASME VIII Div. 1, ASME B31.3 Kapittel IX (lav-temperaturrør), EN 13458 (statiske kryogene fartøy) og IGC-kode (for LNG-skip) spesifiserer alle tillatte materialer.

Produktform: Plate, rør, stang, beslag og smiing må være i samsvar med deres respektive ASTM/ASME SB/SA-spesifikasjoner.

Rustfritt stål og nikkellegeringer vises i hele LNG-verdikjeden:

LNG-lagringstanker: Innvendige skall i 9 % nikkelstål (ASTM A553) eller 304L rustfritt stål; støttekonstruksjoner og rør i 304L / 316L.

Kryogene rørledninger og rørsystemer: Planlegg 10S til 80S rør i 304L / 316L per ASME B36.19; beslag til ASTM A403.

Varmevekslere og kjølebokser: Rør, samlerør og skallkomponenter i 321, 347 eller Alloy 600 avhengig av temperatursykling.

Pumper, ventiler og instrumentering: Støpegods i CF-3M (316L tilsvarende) eller CF-8M; trim i Alloy 625 for høytrykks kryogene ventiler.

FLNG og offshore LNG-strukturer: Kledde dekk, fleksible stigerør og spray-kjølerør i Alloy 625 eller 316L.

ASTM A240 / ASME SA-240 - Plate, plate og stripe i rustfritt stål

ASTM A276 / A479 / ASME SA-479 - stang og former i rustfritt stål

ASTM A182 / ASME SA-182 - Smidde flenser og beslag i rustfritt stål

ASTM A403 / ASME SA-403 - Rørbeslag i smidd rustfritt stål

ASTM B424 / B443 / B166 - Nikkellegeringsplate (legering 825, 625, 600)

ASTM B425 / B446 / B166 - Nikkellegeringsstang (legering 825, 625, 600)

ASME B31.3 Kapittel IX - Kryogen rørdesign

EN 13458 - Statiske kryogene trykkbeholdere

NACE MR0175 / ISO 15156 - Sour-tjenestekvalifisering

Alle materialbeslutninger bør valideres mot gjeldende ASME-, ASTM-, EN- eller klassifiseringsselskapsstandarder og verifiseres med slagtestingsdata ved minimumsdesigntemperatur. Når du er i tvil,konsulter JN leverandør.