Устаноўкі для ліквідацыі ПГ (СПГ): металаўзнаваўчыя патрабаванні да крыйагенных трубаправодаў з нікелевымі сплавамі

Сціснуты прыродны газ у вадкасным стане (СПГ) — гэта прыродны газ, ахалоджаны да прыкладна −162 °C пры атмасферным ціску, што зніжае яго аб’ём у 600 разоў для эфектыўнай транспартавання. Працэс ліквідацыі адбываецца ў вялізных «паездах» — складаных комплексах тэплоабменнікаў, кампрэсараў і трубаправодаў, якія працуюць на мяжы матэрыялазнаўства.

Пры крыйагенных тэмпературах вугляродныя сталі становяцца крупкімі і разрушаюцца катастрафічна. Нават стандартныя аўстэнітныя нержавеючыя сталі, хоць і маюць высокую вязкасць пры нізкіх тэмпературах, ствараюць праблемы, звязаныя з тэрмічным змяншэннем, вачкавай утомай і коштам. І менавіта тут выкарыстоўваюцца трубаправоды з нікелевымі сплавамі уваходзяць у выяву. Нікель-змяшаныя і нікель-змяшчаючыя сталі прапануюць унікальнае спалучэнне міцнасці, вязкасці і зварвальнасці, неабходнае для бяспечнага ўтрымання ВПГ пры тэмпературы -162 °C і ніжэй.

У гэтай артыкуле прадстаўлена падрабязная аглядная інфармацыя аб металаўдзельных патрабаваннях да трубаправодаў з нікелевых сплаваў у ліквідацыйных устаноўках ВПГ, уключаючы выбар матэрыялаў, механічнае паводзіны пры крыягенных тэмпературах, пытанні зваркі, адпаведнасць норматыўным дакументам і практычныя ўрокі, атрыманыя ў прамысловасці.

Крыягенная праблема: чаму важны нікель

Пры крыягенных тэмпературах асноўны механізм разбурэння змяняецца з пластычнага разрыву на крупкі разрыв . Матэрыял, які паказвае выдатную вязкасць пры камнатнай тэмпературы, можа цалкам страціць сваю ўстойлівасць да ўдару пры астуджэнні. Ключавае металаўдзельнае патрабаванне — захоўванне пластычнасці і вязкасці пры разрыўным нагрузкі да мінімальнай праектнай тэмпературы (звычайна ад -170 °C да -196 °C для эксплуатацыі з ВПГ).

Нікель адыгрывае кляўшавую ролю, бо ён спрыяе ўтварэнню граняцэнтрыраванай кубічнай (ГЦК) крышталічныя структуры (аўстэніт) пры нізкіх тэмпературах. Матэрыялы з граняцэнтрыраванай кубічнай рашоткай (ГЦК) у асноўным захоўваюць вязкасць, бо ў іх шмат сістэм зрушэння, якія дазваляюць пласцічную дэфармацыю нават пры крыягенных тэмпературах. У адрозненне ад іх, ферытычныя сталі з аб'ёмна-цэнтраванай кубічнай (АЦК) рашоткай маюць тэмпературу пераходу ад вязкага разрушэння да хрупкага (ТПВХ), якая звычайна знаходзіцца вышэй за –100 °C, таму яны непрыдатныя для эксплуатацыі ў сістэмах транспартавання ВПГ без значнага легіравання нікелем.

Умоваў крыягенных сталёў уважліва падбіраюць так, каб ТПВХ была ніжэй за рабочую тэмпературу. Папулярныя нікель-легіраваныя сплавы для трубаправодаў ВПГ ўключаюць:

Для ліній крыйагеннай ліквідацыі ВПГ сталь з 9% нікелем з'яўляецца працоўнай конькай для трубаправодаў у халоднай зоне, у той час як 316/316L аўстэнітныя нержавеючыя сталі шырока выкарыстоўваюцца ў менш крытычных лініях. Нікель-базавыя сплавы, як правіла, выкарыстоўваюцца для спецыялізаваных кампанентаў, такіх як кампенсатары, арматура кранаў і інструментальныя трубкі.

Асноўныя металаўруджыяйныя патрабаванні да труб з нікель-базавых сплаў

1. Ударная вязкасць (ударны тэст па Шарпі з V-образнай насечкай)

Найбольш фундаментальнае патрабаванне — гэта дастатковая ударная вязкасць пры мінімальнай праектнай тэмпературы. Для трубаправодаў СПГ норматыўныя дакументы, як правіла, патрабуюць:

• Ударная вязкасць па Шарпі з V-образнай насечкай (CVN) ударнай энергіі не менш за 27 Дж (20 фут·фунт-сілы) для асноўнага металу і металу зварных швов пры мінімальнай тэмпературы эксплуатацыі.

• Для сталі з утрыманнем 9 % нікеля тыпавыя значэнні CVN пры −196 °C складаюць > 100 Дж , што значна перавышае мінімумы, устаноўленыя ў норматыўных дакументах.

Узоры для выпрабавання павінны быць узяты з гатовай трубы, у тым ліку з зоны ўплыву зваркі (HAZ) і зварнога металу. Ударнае выпрабаванне праводзіцца пры самай нізкай чаканай тэмпературы эксплуатацыі, часта пры −196 °C (тэмпература рідкага азоту).

2. Трэшчыназаўстойлівасць (CTOD / K_IC)

Хоць ударнае выпрабаванне па Шарпі з’яўляецца добрым метадам папярэдняга адбору, сучасны разлік на трэшчыназаўстойлівасць для крытычных сістэм LNG патрабуе вымярэння адкрыцця вяршыні трэшчыны (CTOD) або K_IC і выпрабаванняў. Гэтыя метады даюць прамую ацэнку стойкасці матэрыялу да распаўсюджвання трэшчын.

Для кантэйнеравання LNG норматыўныя дакументы, такія як API 620 (для вялікіх рэзэрвуараў для захоўвання) і EN 14620 патрабуюць значэнняў вязкасці разрушэння, якія забяспечваюць паводзіны «праток перад разрывам». Сістэмы трубаправодаў часта спалічаюцца на значэнні Шарпі ў якасці прыбліжання, але для кампанентаў з высокім ступенню небяспекі тэставанне CTOD становіцца стандартным.

3. Сумяшчальнасць па цеплавым пашырэнні

Устаноўкі для крываляцыі ПГЗ падвяргаюцца значным градыентам тэмператур — ад навакольнай пры ўстаноўцы да крыягенных у рэжыме эксплуатацыі. Каэфіцыент цеплавога пашырэння (КЦП) розных матэрыялаў павінен быць сумяшчальным, каб пазбегнуць надмерных цеплавых напружанняў у месцах злучэння.

• сталь з 9% нікелем мае каэфіцыент цеплавага пашырэння каля 9–10 × 10⁻⁶ /°C паміж навакольнай тэмпературай і −196 °C.

• Аўстэнітныя нержавеючыя сталі маюць КЦП у межах 15–17 × 10⁻⁶ /°C , прыкладна на 60% вышэй.

Пры злучэнні труб з нікелем 9% з нержавеючай стальлю або фітінгамі розны каэфіцыент тэрмічнага пашырэння можа выклікаць высокія напружанні. Інжынеры часта выкарыстоўваюць петлі расшырэння, гармошкі ці пераходныя ўчасткі з нікелевых сплаваў (якія маюць сярэдні каэфіцыент тэрмічнага пашырэння), каб кампенсаваць гэта несупадзенне.

4. Міцнасць і пластычнасць

Нікелевыя сплавы для крыягенных умоваў павінны захоўваць адпаведную межу плистикасці і пластычнасць пры нізкіх тэмпературах. Асабліва, сталь з утрыманнем 9% нікеля паказвае павелічэнне межы плистикасці пры крыягенных тэмпературах (часта на 30–50% больш, чым пры камнатнай тэмпературы), захоўваючы пры гэтым высокую адносную даўжыню разрыву (звычайна >20%). Такое спалучэнне ідэальна падыходзіць для ўтрымання ціску.

Вышэйшая міцнасць нікелевага сплаву з утрыманнем 9 % Ni дазваляе выкарыстоўваць больш тонкія сценкі ў параўнанні з аўстэнітнымі нержавеючымі сталямі, што змяншае масу і аб’ём зварачных работ.

5. Супраціўленне механізмам ажоўчвання

Некалькі з’яў ажоўчвання могуць уплываць на нікелевыя сплавы пры крыягенных тэмпературах або падчас вытворчасці:

• Ахрыпласць фазы Сігма: Як апісана ў папярэдніх артыкулах, дуплексныя і некаторыя нікелевыя сплавы могуць утвараць сигма-фазу пры доўгім утрыманні ў дыяпазоне тэмператур 600–900 °C. У выпадку сплаву з утрыманнем 9 % Ni гэта менш актуальна, бо яго мікраструктура мае марцансітна-аўстэнітны характар, аднак рэжымы зварачных прац усё ж павінны кантраляваць колькасць укладзенай цяплоці, каб пазбегнуць выпадзення карбідаў.

• Вадароднае ажоўчванне: Хоць гэта не асноўная праблема для самога ВПГ, вадарод можа прысутнічаць у газавым патоку або ўзнікаць пры зварцы. Нікелевыя сплавы ў агульным менш падвяргаюцца вадароднаму ажоўчванню, чым высокаміцныя сталі, аднак патрабуецца правільнае ПТУ (паслязварачнае тэрмічнае ўпрацоўванне) і выбар зварачнага матэрыялу.

• Ажоўчванне пры старэнні пад уздзеяннем напружання: сталь з 9 % нікелю можа падвяргацца старэнню пры ўтрыманні пры павышаных тэмпературах (напрыклад, падчас тэрмічнай апрацоўкі зварных шваў), што прыводзіць да страты вязкасці. Таму тэрмічную апрацоўку зварных шваў звычайна пазбягаюць, калі яна не патрабуецца з-за таўшчыні матэрыялу ці норматыўных патрабаванняў.

Зварка крыйагенных трубаправодаў з нікелевага сплаву

Зварка з'яўляецца найбольш крытычным этапам вытворчасці крыйагенных трубаправодаў. Зварны шов павінен адпавядаць ці перавышаць вязкасць асноўнага металу пры тэмпературы –196 °C. Для сталі з 9 % нікелю выкарыстоўваюцца тры асноўныя групы пруткоў для зваркі:

ENiCrFe-9 (напр., Inco-Weld 9) — пераважны напаўняльнік для сталі з нікелем 9 %, бо:

• Забяспечвае выдатную вязкасць па Шарпі пры тэмпературы −196 °C (звычайна >60 Дж).

• Яе каэфіцыент тэрмічнага пашырэння блізкі да каэфіцыента тэрмічнага пашырэння сталі з нікелем 9 %, што зменшвае тэрмічныя напружанні.

• Устойлівая да трасцін пры кансалідацыі.

ENiCrMo-3 (Inconel 625) таксама выкарыстоўваецца, асабліва пры нанясенні наўскос або калі патрабуецца павышаная міцнасць.

Рэкамендацыі па зварачных працах

• Падагрэў: У асноўным не патрабуецца для сталі з 9 % нікелю, калі тэмпература навакольнага асяроддзя не вельмі нізкая ці ў асяроддзі адсутнічае вільготнасць (для прадухілення водароднага трасцення).

• Тэмпература паміжшаровага праходу: Звычайна ≤150 °C, каб пазбегнуць перагравання і магчымай сенсітызацыі.

• Кантроль цеплавога ўводу: Нізкі або сярэдні ўклад цеплыні (0,5–2,5 кДж/мм) для мінімізацыі разбавлення і зберажэння вязкасці зоны, уплыванай цеплынёй (ЗУЦ). Занадта высокі ўклад цеплыні можа выклікаць рост зёран і зніжэнне вязкасці пры нізкіх тэмпературах.

• Падтрымка абароннага газу з тылу: Пры зварцы каранёвага шва неабходна зварачная абарона з адваротнай боку інертным газам (аргонам), каб прадухіліць акісленне ўнутранай паверхні, якое можа стаць месцам канцэнтрацыі напружанняў.

• Тэрмічная апрацоўка пасля зварвання (ТАПЗ): Для сталі з 9 % нікелю ТАПЗ не праводзіцца паколькі гэта можа выклікаць закалачную хрупкасць або зніжэнне вязкасці. Калі ТАПЗ патрабуецца па норматыўных дакументах для тоўстых сектараў (напрыклад, >25 мм), можа быць прыменены нізкатэмпературны ТАПЗ (590–620 °C), але ён павінен быць пацверджаны выпрабаваннямі.

Кантроль якасці зварных злучэнняў

Усе зварныя швы ў крыйагенных трубаправодах з нікелевага сплаву патрабуюць 100-процэнтнага неразрушаючага кантролю (НК), як правіла:

• Радыёграфічны кантроль (РК) або Ультразвукавы кантроль фазавай рашоткі (УЗКФР) для аб'ёмнага кантролю.

• Кантроль пранікаючымі рэчывамі (КПР) для выяўлення паверхневых адхіленняў, асабліва на аўстэнітных і нікелевых зварных швах.

Акрамя таго, зварныя зразкі, атрыманыя ў працэсе вытворчасці, часта падвяргаюцца ударным выпрабаванням пры тэмпературы –196 °C, каб пераканацца, што працэдура зварвання пастаянна забяспечвае неабходную вязкасць.

Нарматыўныя дакументы і стандарты для крыйагенных трубаправодаў з нікелевага сплаву для ВПГ

Некалькі міжнародных нормаў рэгулююць праектаванне, матэрыялы, выраб і выпрабаванні крыйагенных трубаправодных сістэм.

Асноўныя кодавыя патрабаванні

• Выпрабаванне на ўдарную вязкасць: Усе асноўныя матэрыялы, зварочныя матэрыялы і зоны, уплыву цеплавога ўздзеяння (HAZ), павінны быць падвергнуты выпрабаванню на ўдарную вязкасць пры мінімальнай тэмпературы эксплуатацыі (MDMT) або ніжэй. Для LNG мінімальная тэмпература эксплуатацыі часта складае −162 °C або −196 °C.

• Кваліфікацыя матэрыяла па ўстойлівасці да ўдару: Матэрыялы, якія адпавядаюць стандартам ASTM A333 класа 8 або A553, лічацца папераду кваліфікаванымі для эксплуатацыі пры нізкіх тэмпературах, але вытворца павінен усё ж паказаць, што зварка не зніжае ўстойлівасці да ўдару ніж прыдатны ўзровень.

• Термічная апрацоўка пасля зваркі (PWHT): Як зазначана, термічная апрацоўка пасля зваркі звычайна не патрабуецца для сталі з 9 % нікелю ў адпаведнасці з нормамі B31.3, калі таўшчыня не перавышае пэўных межаў (напрыклад, 1,5 цалі), або калі матэрыял быў атрыманы халоднай штампоўкай за межамі вызначаных лімітаў.

Прыклад выпадку: трубаправод з нікель-стальнога сплаву з утрыманнем 9 % нікелю ў вялікім ЛАГ-агрэгаце

Узьмем у якасці прыкладу экспартную ЛАГ-ўстаноўку з праектнай магутнасцю 5 млн тон у год (MTPA). Асноўны крыйягены трубаправод у халодным блоку і злучальныя лініі ўключаюць:

• Служба: Змесціва халадагенту (MR) і ЛАГ пры тэмпературы −162 °C.

• Матэрыял: бесшовныя трубы з нікель-стальнога сплаву з утрыманнем 9 % нікелю (ASTM A333 клас 8), умоўны дыяметр ад NPS 10 да NPS 24, таўшчыня сценак ад 12 мм да 25 мм.

• Прыпоіны мета: Электроды ENiCrFe-9 (Inco-Weld 9) для ручнога зварвання TIG (GTAW) у корані шва і ручнога дугавога зварвання электродамі (SMAW) для запаўнення.

• Выпрабаванні: 100 % радыяграфічны кантроль (RT); ударная вытрымальнасць вырабных зварных швов пры тэмпературы −196 °C.

Выклікі, з якімі сутыкнуліся:

• Тэрмічныя напружанні ад расшырэння: Труба з утрыманнем 9 % нікелю, падлучаная да фланцаў з аўстэнатычнай нержавеючай сталі на кранах, патрабавала ўважлівага аналізу напружанняў. Для кампенсацыі розніцы ў перамяшчэнні былі ўключаны петлі расшырэння.

• Зварка на месцы ў арктычным клімаце: Зімовыя тэмпературы ніжэй за –30 °C патрабавалі ўстаноўкі часовай агароджы і падагравання перад зваркай, каб падтрымліваць тэмпературу паміж швамі вышэй за 10 °C.

• Супярэчлівыя абмеркаванні па паслязварачнай тэрмічнай апрацоўцы (PWHT): Для галінкі з тоўстай сценкай (25 мм) інжынерна-прасторны падрадчык патрабаваў правядзення PWHT для зніжэння засталых напружанняў. Аднак пасля вывучэння літаратуры і правядзення выпрабавальных зварных швоў каманда вызначыла, што PWHT зніжае вязкасць у зоне тэрмічнага ўплыву (HAZ). У канчатковым варыянце праекту PWHT была выключана, замест гэтага павялічана ахоп канцэнтрацыі неразрушаючага кантролю (NDE).

Праект быў паспяхова ўведзены ў эксплуатацыю, і праз пяць гадоў эксплуатацыі не было выяўлена ні аднаго выпадку трэшчын у працоўным стане — гэта пацвердзіла выбар матэрыялаў і працэдур.

Новыя тэндэнцыі: сплавы з высокім утрыманнем нікелю і прыкладная вытворчасць (аддатыўнае вытворчасць)

Па меры таго, як LNG-устаноўкі становяцца большымі і эфектыўнымі, тэхналогія матэрыялаў працягвае развівацца:

• Высоканікелевыя аўстэнітныя сталі: Новыя сплавы з утрыманнем 9–12 % нікелю і аптымізаванай мікраструктурай прапануюць паляпшаную зварачальнасць і павышаную міцнасць. Некаторыя з іх разглядаюцца ў якасці матэрыялу для тонкастанных труб вялікага дыяметра з мэтай зніжэння вагі.

• Нікелевыя пакрытыя трубы: Для экстрэмальна каразійна-агрэсіўных сродкаў (напрыклад, LNG з высокім утрыманнем CO₂ або H₂S) выкарыстоўваюцца пакрытыя знутры трубы з сплавам 625 або 825. Пакрыццё выключае неабходнасць у дарогіх цалкам нікелевых сплавах, адначасова забяспечваючы абарону ад карозіі.

• Аддатковая вытворчасць: для складаных геаметрычных форм даследуецца выкарыстанне трохмернай друкаванай апаратуры і фланцаў з нікелевых сплаў, што дазваляе хуткае стварэнне прататыпаў і скарачае тэрміны выканання замоваў. Афіцыйная кваліфікацыя для крыягенныўных умоваў працы застаецца працягваючайся задачай.

Практычныя рэкамендацыі для інжынераў

1. Абярыце падыходзячы сплаў: Для газаправодных труб для ВПГ пры тэмпературы −162 °C сталь з утрыманнем 9 % нікелю (A333 Gr 8) забяспечвае найлепшае суадносіны між міцнасцю, вязкасцю і коштам. Выкарыстоўвайце аўстэнітную нержавеючую сталь (316/316L) для трубаправодаў, якія не з’яўляюцца крытычнымі ці дзе можна кантраляваць няўзгоднасць каэфіцыентаў тэрмічнага пашырэння (CTE). Нікель-змяшаныя сплавы выкарыстоўвайце толькі для высока нагрузкаваных ці каразійна-асабліва ўстойлівых кампанентаў.

2. Кантроль параметраў зваркі: Выкарыстоўвайце працэсы з нізкім утрыманнем вадароду, падтрымлівайце тэмпературу паміж швамі ніжэй 150 °C і пазбягайце тэрмічнай апрацоўкі пасля зваркі (PWHT), калі яна не з’яўляецца абсалютна неабходнай. Афіцыйна пацвердзіце працэдуры зваркі з дапамогай ударных выпрабаванняў пры мінімальнай працоўнай тэмпературы (MDMT).

3. Правядзіце ўважлівы неразрушаючы кантроль (NDE): Радыяграфічны кантроль (RT) або фазавая масіўная ультразвукавая тэхналогія (PAUT) на ўсіх зварных швах, а таксама капілярны кантроль (PT) на канчатковых паверхнях. Разгледзьце магчымасць выкарыстання аўтаматызаванага ўльтразвукавага кантролю (AUT) для труб з тоўстай сценкай.

4. Улічвайце тэрмічнае пашырэнне: Правядзіце падрабязны аналіз напружанняў з улікам розніцы ў каэфіцыентах тэрмічнага пашырэння (CTE) паміж матэрыяламі. Выкарыстоўвайце петлі расшырэння, гармошкі ці пераходныя ўчасткі для зніжэння напружанняў.

5. Забяспечвайце поўную аднакольнасць: Захоўвайце поўныя запісы нумароў тэрмічных апрацоўак, сертыфікатаў матэрыялаў (MTR), працэдур зваркі і вынікаў неразрушальнага кантролю (NDE). Для крыягенных умоваў эксплуатацыі трасіроўка з'яўляецца неабходнай для аналізу каранёвых прычын у выпадку магчымых будучых праблем.

6. Выкарыстоўвайце палевы вопыт: Калі ў вашай арганізацыі ёсць база даных пра паводзіны матэрыялаў (як абмяркоўвалася ў папярэдняй артыкуле), выкарыстоўвайце яе для праверкі выбару матэрыялаў і працэдур зваркі ў падобных умовах эксплуатацыі.

Вывад

Устаноўкі па вадкасці ЛПГ (LNG) ставяць у экстрэмальныя ўмовы інжынерыю матэрыялаў. Экстрэмальна нізкія крыягеннія тэмпературы патрабуюць сплаваў, якія захоўваюць ударную вязкасць, міцнасць і супраціўленне расцеў, дзе большасць сталёў разбураюцца. Сістэмы трубаправодаў з нікелевымі сплавамі — асабліва сталь з утрыманнем 9 % нікеля — праказалі сваю надзейнасць на працягу дзесяцігоддзяў беззбоянай эксплуатацыі, прапануючы моцнае рашэнне для растучай глабальнай інфраструктуры ЛПГ.

Зразумеласць металаўзнавчых патрабаванняў — устойлівасці да ўдарных нагрузк, механікі разрушэння, сумяшчальнасці каэфіцыентаў тэрмічнага пашырэння (КТП) і зварачальнасці — мае вырашальнае значэнне для інжынераў, якія займаюцца праектаваннем, вытворчасцю і эксплуатацыяй гэтых сістэм. Дотрыманне ўсталяваных нормаў, выкарыстанне кваліфікаваных зварочных працэдур і збор дадзеных у паліўных умовах для непарыўнага паляпшэння дазваляюць забяспечыць бяспечную і эфектыўную працу трубаправодаў з нікель-сплаваў пры тэмпературы −162 °C і ніжэй.