316L 대 케미컬 탱커 화물 탱크용 듀플렉스 2205

케미컬 탱커는 전 세계 선박 중에서 기술적으로 가장 까다로운 선박 중 하나입니다. 그들은 식품 등급의 식물성 기름부터 산업용 산 및 독성 석유화학 물질까지 수백 가지의 화물을 운반합니다. - 종종 순차적인 탱크 작업을 통해 동일한 선박에 있습니다. 부식으로 인한 화물 격납 실패는 단순한 경제적 손실이 아닙니다. 그것은 환경과 안전의 재앙이다.

IMO IBC 규정(위험 화학물질을 대량으로 운반하는 선박의 건설 및 장비에 관한 국제 규정)은 화물 탱크를 나열된 화학 물질과 호환되는 재료로 제작하도록 규정하고 있습니다. 이로 인해 선박 설계자들은 대부분의 화학 화물에 선호되는 구조 및 내부식성 재료인 스테인리스강을 선택하게 되었습니다.

스테인레스강 제품군 내에서 두 가지 등급이 조선 실무를 지배합니다.

• 316L(UNS S31603, EN 1.4404): 대표적인 오스테나이트 등급으로 용접성, 인성 및 광범위한 화학적 호환성으로 평가됩니다.

• 듀플렉스 2205(UNS S32205, EN 1.4462): 이중-상(오스테나이트 + 페라이트) 등급으로 316L에 비해 약 2배의 항복 강도와 공식 및 응력 부식 균열에 대한 저항성이 현저히 우수합니다.

잘못된 등급을 선택하면 조기 교체, 휴직 시간, 규제 위반으로 인한 벌금 등 수백만 달러의 손실이 발생합니다.- 이 문서에서는 엔지니어, 조선 설계사, 조달 담당자가 방어 가능한 증거 기반 결정을 내릴 수 있도록 7가지 중요한 측면에서 성능 격차를 정량화합니다.{2}}

합금의 이해: 야금학적 배경

316L - 오스테나이트계 스테인리스강

316L18% Cr–12% Ni–2.3% Mo 오스테나이트 스테인리스강이며 탄소 함량은 최대 0.030%로 제한됩니다. 'L' 지정(저탄소)은 용접부를 입계 부식에 취약하게 만드는 결정립 경계에서의 크롬 탄화물 침전 형태인 민감화 -를 억제합니다. 몰리브덴을 추가하면 공식 저항 등가(PRE)가 약 24~26으로 높아져 해당 등급이 낮은 등급-스테인레스강을 빠르게 파괴할 수 있는 많은 산업용 화학 물질을 처리할 수 있습니다.

완전 오스테나이트 미세 구조는 316L에 탁월한 연성, 극저온(최저 -196도)에서의 인성 및 자기 중립성을 제공합니다. 이러한 특성은 성숙하고 잘 이해된 용접 절차와 결합되어 316L을 화학 공정 산업 전반의 기본 사양으로 만듭니다.

듀플렉스 2205 - 듀플렉스 스테인레스 스틸

듀플렉스 220522% Cr–5% Ni–3% Mo–0.17% N 이중 스테인리스강입니다. 그 이름은 미세 구조에서 오스테나이트와 페라이트 상이 거의 동일한 혼합물(대략 50/50)을 나타냅니다. 이 이중-상 구조는 단상 합금에서는 달성할 수 없는 특성을 부여합니다. 오스테나이트 상은 내식성과 인성에 기여하는 반면 페라이트 상은 염화물 환경에서 응력 부식 균열(SCC)에 대한 높은 강도와 ​​저항성을 제공합니다.

2205년의 질소 첨가는 특히 중요합니다. 질소는 오스테나이트 상을 안정화시키고 표준 PRE 공식에 따라 PRE를 약 16 × [%N]만큼 증가시키며 항복 강도와 인장 강도를 모두 높입니다. 결과는 34-36 -의 PRE 값으로, 이는 2205가 해수 및 염화물 서비스에 있어 '우수' 범주에 확고하게 자리잡은 수치입니다.

PRE 공식:PRE=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N(ASTM G48 기준). PRE가 높을수록=피팅 저항이 더 좋습니다. PRE > 32는 일반적으로 내해수성으로 간주됩니다.

화학 성분 비교

표 1은 케미컬 탱커 건조에 대해 가장 일반적으로 참조되는 두 가지 제품 표준인 ASTM A240(플레이트) 및 ASTM A276(바)에 지정된 대로 316L 및 Duplex 2205에 대해 인증된 화학 성분 범위를 나타냅니다. 모든 값은 중량%(wt%) 단위입니다.

표 1: 316L 및 Duplex 2205의 화학 성분|출처: ASTM A240/A240M-23 및 ASTM A276/A276M-23, ASTM International; NACE MR0175/ISO 15156-3

기계적 성질: 강도, 연성 및 인성

화물 탱크 구조는 정적 액체 압력, 동적 슬로싱 하중, 거친 바다에서의 선체 굴곡 및 가압 탱크의 경우 내부 작동 압력을 견뎌야 합니다. 따라서 선택한 재료의 기계적 특성 프로필은 벽 두께와 구조적 무게 -를 직접적으로 결정하며, 둘 다 상당한 비용 영향을 미칩니다.

표 2: 실내-온도 기계적 특성|출처: ASTM A240/A240M-23(플레이트); ASTM A276/A276M-23(바); ASTM A370(시험 방법); ASM 항공우주 사양 금속

표 2에서 중요한 점은 Duplex 2205의 2배 항복 강도 이점입니다. ASME 섹션 VIII에 따른 압력 용기 설계에서 허용 응력은 항복 강도에서 직접 파생됩니다. 이는 2205 탱크 벽이 동일한 압력 등급에서 동급의 316L 탱크보다 약 40% 더 얇게 설계될 수 있다는 것을 의미합니다.- 재료 질량, 용접 비용 및 선체 중량을 동시에 줄입니다.

그 대가는-충격 인성입니다. 316L은 극저온에서 뛰어난 샤르피 충격 값을 유지하는 반면, 2205는 약 -50도 이하의 페라이트 단계에서 연성-에서-취성 전이를 보여줍니다. 이로 인해 316L은 극저온 화물 탱크(LNG, 액체 질소, 액체 산소)에 대한 필수 선택이 되었습니다.

부식 저항

케미칼 탱커 서비스에서 부식은 수명을 제한하는 주요 -고장 메커니즘입니다. 스테인레스강 등급의 선택은 의도한 화물 및 운영 환경과 관련된 특정 부식 메커니즘을 기반으로 해야 합니다. 표 3은 6가지 부식 메커니즘의 성능을 비교합니다.

표 3: 부식 성능 비교|출처: ISO 11463(피트 평가); ASTM G48-C(틈새 부식, CPT); ASTM G36 / ISO 6957(끓는 MgCl2의 SCC); ASTM G31(일반 부식); ASTM A262 Practice E(입계); DNV 권장 사례 RP-0034(2021)

응력 부식 균열(SCC)

SCC는 틀림없이 해양 환경에서 오스테나이트계 스테인리스 강의 가장 위험한 파손 모드입니다. 이는 인장 응력(용접 또는 작업 부하로 인한 잔류), 취약한 미세 구조(오스테나이트) 및 부식성 환경(고온의 염화물)이라는 세 가지 조건이 동시에 존재할 때 발생합니다.

316L은 점성 석유화학 물질을 운반하는 가열된 화물 탱크 또는 화물 가열 코일 근접 구역에서 일반적으로 도달하는 온도인 약 60도({2}} 이상의 염화물 용액에서 SCC를 겪을 수 있습니다. Duplex 2205의 페라이트 단계는 SCC 균열 전파를 방해하여 2205가 대부분의 실제 해양 조건에서 이러한 실패 모드에 대한 저항력을 높게 만듭니다.

바닷물에 구멍을 뚫기

케미칼탱커는 바닷물 환경에서 지속적으로 운항됩니다. 탱크 외부 표면, 밸러스트 탱크 및 해수에 노출된 모든 표면에는 염화물 구멍이 생길 수 있습니다. PRE 간격(316L: 24–26 vs. 2205: 34–36)은 2205의 임계 피팅 온도(CPT)가 극적으로 더 높아진 것으로 직접적으로 해석됩니다. ASTM G48 테스트에 따르면 2205는 동일한 조건에서 316L 임계값인 약 10도보다 훨씬 높은 해수 -에서 약 40도까지 공식 저항을 유지합니다.

자주 묻는 질문

Q1: Duplex 2205는 항상 316L보다 비싸나요?

킬로그램당 원자재 비용-을 기준으로 하면 -예 - 2205는 일반적으로 20~40%의 프리미엄을 받습니다. 그러나 항복 강도가 높다는 것은 동등한 구조적 성능을 위해 필요한 중량 기준 재료가 적다는 것을 의미합니다. 더 긴 서비스 수명과 감소된 유지 관리 기능을 결합하면 2205의 20년 LCC는 까다로운 응용 분야의 경우 316L보다 낮은 경우가 많습니다.

Q2: 316L과 2205를 동일한 탱크에서 함께 용접할 수 있습니까?

예, 316L과 2205 사이의 이종 금속 용접은 두 합금 사이에 구성적 가교를 제공하는 2209 이중 필러 금속을 사용하여 기술적으로 가능합니다. 그러나 이 접근 방식을 사용하려면 갈바닉 호환성과 열{4}}영향부 특성에 대한 세심한 엔지니어링 평가가 필요합니다. 대부분의 해군 건축가는 가능한 경우 혼합{6}}합금 탱크를 피합니다.

Q3: 화학 서비스에서 2205의 최대 온도는 얼마입니까?

듀플렉스 2205는 일반적으로 연속 서비스에서 315도(600도 F) 이상에서 사용해서는 안 됩니다. 페라이트 상은 475도 취화 및 시그마{4}}상 석출에 취약해지기 때문입니다.. 316L은 산화 분위기에서 약 870도의 연속 서비스 한계를 갖습니다.

Q4: 분류 협회에서는 두 등급을 어떻게 다르게 취급합니까?

선급 협회(DNV, Lloyd's Register, Bureau Veritas, ABS)는 해당 규정에 따라 화물 탱크 사용에 대해 두 등급을 모두 승인합니다. 그러나 듀플렉스 스테인리스강은 듀플렉스 합금에 대해 특별히 인증된 용접 절차 사양(WPS) 및 절차 적격 기록(PQR)을 제출해야 합니다. 일부 사회에서는 이중 용접 시 추가 NDT(비{2}}파괴 검사)도 요구합니다.

Q5: 가장 일반적인 화물에 대해 IBC 코드 17장에 어떤 등급이 지정되어 있습니까?

IBC 코드는 일반적으로 이름으로 316L 또는 2205를 지정하지 않지만 최소 탱크 유형(1G, 1P, 2G, 2P, 3) 및 재료 호환성(예: '스테인리스 스틸 필요' 또는 '316 유형 또는 이에 상응하는 유형')을 규정합니다. 그런 다음 운영자와 설계자는 선택한 등급이 업계 표 또는 독립적인 부식 테스트를 통해 각 특정 화물에 대한 부식 성능 요구 사항을 충족하는지 확인해야 합니다.