사례 연구: 열교환기에서 사용된 초이중 스테인리스강 U-튜브는 316Ti 대비 5배 긴 수명을 달성했습니다. 혹독한 해양 환경에서의 성능 우수.

사례 연구: 열교환기에서 사용된 초이중 스테인리스강 U-튜브는 316Ti 대비 5배 긴 수명을 달성했습니다. 혹독한 해양 환경에서의 성능 우수.

요약설명

포괄적인 5년간의 현장 연구 북해 해양 플랫폼에서의 열교환기 성능에 대한 분석 결과 슈퍼 더플렉스 스테인리스 스틸 (UNS S32750) U-튜브는 일반적인 316Ti 스테인리스 스틸 대비 5배 더 긴 서비스 수명을 제공함 이러한 성능 우위성은 핵심 열교환 응용 분야에서 상당한 비용 절감 정지 시간 감소 및 운영 안전성 향상으로 이어짐

1 배경 및 적용 맥락

1.1 해상 작동 환경

조사 대상은 북해에 위치한 6개 해상 플랫폼 에서 운영되며, 다음 특징을 가짐:

• 고염소 환경 : 30,000-35,000 ppm 염소 농도

• 온도 변동 : 40-120°C 작동 온도

• 고압 : 50-200 bar 작동 압력

• 미생물 활동 : 황산염 환원 박테리아 존재

• 반복 하중 : 열 및 압력 변동

1.2 열교환기 사양

• 유형 : 쉘 앤 튜브 열교환기

• 서비스 : 튜브 측에서 해수 냉각, 쉘 측에서 공정 유체

• 설계 압력 : 튜브 측 60 bar, 쉘 측 40 bar

• 설계 온도 : 130°C

• 유량 : 2.5-3.5 m/s 해수 속도

2 재료 비교

2.1 재료 사양

표: 화학 조성 비교(중량%)

2.2 기계적 특성

표: 기계적 특성 비교

3 성능 비교 및 결함 분석

3.1 서비스 수명 데이터

표: 현장 성능 결과

3.2 결함 메커니즘 분석

316Ti 튜브

• 점식 부식 : 틈 부위의 깊은 피트(>2mm)

• 틈새 부식 : 침전물 아래 및 튜브 시트 인터페이스

• 응력 부식 균열 : 잔류 응력과 염소 이온에 의한 발생

• 미생물 영향 부식 : 박테리아 침전물 내부

• 마모부식 : 입구 지역 및 굽힘 부위에서

Super-Duplex S32750 튜브

• 미세한 피팅 : 8년 이상 사용 후 표면 피트(<0.1mm 깊이)

• 균열 없음 : 스트레스 부식 균열 없음

• 최소한의 틈 부식 : 외관상 손상만 있음

• 균일한 부식 속도 : <0.01 mm/년

4 근본 원인 분석

4.1 내식성 메커니즘

초저탄소 이중상 스테인리스강의 우수한 성능은 다음에서 기인합니다:

• 더 높은 PREN 값 : 316Ti의 24-28에 비해 40-45

• 이중상 미세조직 : 약 50:50 오스테나이트-페라이트

• 질소 합금화 : 피팅 부식 저항성 및 강도 향상

• 크롬 및 몰리브덴 함량 : 우수한 불활성 피막 형성

• 미세구조 안정성 : 상의 석출에 대한 저항성

4.2 기계적 성능 우위

• 높은 강도 : 벽 두께 기준 완화

• 우수한 피로 저항성 : 열 순환 환경 견딤

• 탁월한 마모 저항성 : 보호 표면막 유지

• 개선된 응력부식균열 저항성 : 해양 응용 분야에서 필수적임

5 경제 분석

5.1 총 보유 비용

*표: 10년간 열교환기당 비용 비교*

5.2 투자 수익률

• 투자 회수 기간 : 초기 비용이 더 높음에도 불구하고 <18개월

• 수익률 : 10년간 사용 기간 동안 >400%

• 다운타임 감소 : 생산 중단 80% 감소

• 유지보수 비용 감소 : 유지보수 비용 67% 절감

6 기술적 구현 고려사항

6.1 제작 및 설치

• 용접 요구사항 : 제어된 열입력 및 보호 가스

• 튜브 확장 : 과도한 냉간 가공을 피하기 위한 신중한 제어

• 청소 절차 : 철분 오염 방지

• 품질 관리 : 엄격한 비파괴 검사(NDE) 요구사항

6.2 운전 지침

• 온도 제한 : 최대 250°C 연속 운전

• 유속 권장사항 : 오염 방지를 위해 최소 4-6 m/s

• 청소 빈도 : 316Ti 대비 요구사항 완화

• 점검 주기 : 12개월 대비 36개월로 연장됨

7개의 사례 예시

7.1 플랫폼 A - 냉각수 서비스

• 서비스 : 해수 냉각, 45°C, 3.2 m/s 속도

• 316Ti 성능 : 점식 부식 및 틈 부식으로 인해 23개월 만에 고장

• S32750 성능 : 11년이 지난 후에도 계속 사용 중, 벽 두께 감소 거의 없음

• 저축 : 가동 중단 및 교체 비용 약 280만 달러 절감

7.2 플랫폼 B - 공정 냉각

• 서비스 : 탄화수소 냉각, H₂S 존재 조건 하에서 95°C

• 316Ti 성능 : 14개월 후 응력부식균열 발생

• S32750 성능 : 9년간 사용 후에도 열화 없음

• 안전성 향상 : 공정 누출 위험 제거됨

8 산업적 시사점 및 권고사항

8.1 설계 권고사항

• 재료 선택 : 염소 함유 환경에서는 S32750 사용 지정

• 벽 두께 : 높은 강도로 인해 중량을 30-40% 감소시킬 수 있음

• 부식 여유 두께 : S32750 사용 시 3mm에서 1mm로 감소 가능

• 점검 계획 : 향상된 신뢰성을 기반으로 주기 연장

8.2 조달 전략

• 수명 주기 비용 산정 : 초기 가격보다 총 비용 평가

• 공급업체 자격 심사 : 적절한 제조 인증 요구

• 품질 검증 : 엄격한 입고 검사 실행

• 문서 작업 : 완전한 추적성 및 인증 요구

9 향후 전망

9.1 기술 개발

• 첨단 제조 : 개선된 튜브 제조 공정

• 합금 개발 : 부식 저항성 향상에 대한 추가 개선

• 모니터링 기술 : 실시간 부식 모니터링 시스템

• 예지 정비 : AI 기반 고장 예측 모델

9.2 산업 동향

• 채택 증가 : 극한 환경에서의 사용 증가

• 표준화 : 더 많은 설계 사양에 포함

• 비용 감축 : 채택 증가에 따라 가격 프리미엄 감소

• 전세계 구매 가능 : 개선된 공급망과 가용성

10. 결론

현장 성능 데이터는 명확하게 입증하고 있다 초-이중상 스테인리스강 UNS S32750 제공 316Ti 대비 상당히 긴 수명 그리고 낮은 총 비용 해양 열교환기 적용 분야에서 316Ti 대비 초-이중상 스테인리스강의 수명이 5배 향상된 것은 유지보수 감소, 교체 빈도 감소, 가동 중단 최소화를 통해 상당한 경제적 이익을 가져다준다.

염소를 포함한 부식성 환경에서의 신규 프로젝트 또는 교체 적용 분야에 있어, 초-이중상 스테인리스강의 선택은 기술적 및 경제적 측면에서 가장 우수한 사례이다. 초기 재료 비용 증가는 급격히 감소한 수명 주기 비용과 향상된 운전 신뢰성에 의해 금방 상쇄된다.

추천 : 해양 환경에서의 열교환기 적용 분야, 특히 해수 냉각 또는 염소 함유 매체가 포함된 적용 분야에서는 초-이중상 스테인리스강 UNS S32750을 반드시 지정할 것.