LNG 플랜트를 위한 재료 선택: 저온-취성 극복

저온-취성이 LNG 플랜트의 결정적인 문제인 이유

액화천연가스는 대기압에서 메탄의 끓는점인 -162도(-260도 F) -에서 저장 및 운송됩니다. 이 온도에서 많은 일반 엔지니어링 재료는 거동에 있어 근본적인 변화를 겪습니다. 즉, 연성(파손되기 전 구부러짐)에서 부서지기 쉬운(경고 없이 부서짐) 상태로 전환됩니다. 연성-에서-취성 전이로 알려진 이 현상은 극저온 공학에서 가장 위험한 파손 모드 중 하나입니다.

LNG 시설의 취성 고장으로 인한 결과는 심각합니다. 통제되지 않은 LNG 방출은 폭발 가능성이 있는 가연성 구름으로 증발할 수 있으며, 점화되면 - 진화하기 매우 어려운 수영장 화재처럼 연소될 수 있습니다. 1944년 클리블랜드 LNG 탱크 참사는 니켈이 부족한 강철로 만든 탱크로 인해 128명이 사망하고 동네 전체가 파괴된 사건이다. 이 사건은 오늘날에도 여전히 LNG 재료 선택을 지배하는 기본 원칙을 확립했습니다. 올바른 합금은 선택 사항이 아닙니다.

저온-취화 뒤에 숨겨진 야금술

금속의 인성은 응력을 받을 때 결정면을 따라 재조직(미끄러짐)하는 원자의 능력에서 비롯됩니다. 저온에서는 이러한 원자 이동성이 감소합니다. 탄소강 및 페라이트/마르텐사이트 스테인리스강을 포함한 체{2}}BCC(체심 입방체) 금속 -의 경우 - 슬립이 DBTT 아래에서 너무 제한되어 금속이 에너지를 흡수할 수 있는 것보다 균열이 더 빨리 전파됩니다. 그 결과 재료의 정격 인장 강도보다 훨씬 낮은 응력 수준에서 갑작스럽고 치명적인 파손이 발생합니다.

면{0}}FCC(면심 입방체) 금속은 다르게 동작합니다. 결정 구조는 극저온에서도 원자 슬립을 가능하게 하여 인성이 절대 영도까지 유지됩니다. 이것이 오스테나이트 스테인리스강(FCC)과 알루미늄 합금(FCC)이 LNG 배관의 주요 선택인 이유입니다. - 그들은 단순히 DBTT가 없습니다.

BCC 금속(탄소강, 페라이트계 SS):특별히 합금하지 않는 한 극저온 환경에서 위험한 날카로운 DBTT -를 나타냅니다.

FCC 금속(304L/316L SS, 알루미늄 합금):DBTT 없음 - −269도에서 견고함을 유지합니다. LNG 배관을 위한 첫 번째 선택.

고-니켈 페라이트 합금(9% Ni 강):니켈 첨가를 통해 DBTT를 -196도 이하로 억제합니다.- 대형 저장 탱크용 엔지니어링 솔루션입니다.

극저온에서의 재료 성능: 비교 데이터

아래 표는 LNG 플랜트 서비스에 가장 일반적으로 지정되는 7가지 재료에 대한 표준화된 저온 기계적 특성을 나타냅니다. 모든 최소값은 ASTM 또는 동등한 EN 표준에 따른 것입니다.

출처: ASTM A353, A553, A312, A240, B241, F1684; ASME 섹션 VIII Div.1; EN 14620. CVN=샤르피 V-노치 충격 에너지. 모든 값은 최소 코드-필수 수치입니다. 실제 인증된 값은 일반적으로 더 높습니다.

구역-별-구역 자재 선택 결정 가이드

LNG 플랜트는 하나의 균일한 환경이 아닙니다. - 배터리 한계의 주변 온도부터 냉각 상자 및 저장 탱크의 -162도까지의 온도 구배를 포괄합니다. 구역마다 요구되는 재료가 다릅니다. - 잠깐이라도 - 어떤 영역에서든 잘못된 재료를 사용하면 취성 파손 위험이 발생합니다. 아래 매트릭스는 영역- 기반 선택에 대한 기본 참조입니다.

PWHT=후-용접 열처리. HAZ=열-영향을 받는 지역. BOG=끓이기-가스를 꺼냅니다. RT=방사선 검사. 사양은 참고용입니다. 항상 프로젝트-별 설계 코드 및 소유자 엔지니어링 표준을 기준으로 확인하세요.

극저온 재료 선택의 세 가지 기둥

최소 설계 온도 이하에서 샤르피 V-노치(CVN) 충격 테스트 없이는 극저온 재료 사양이 완성되지 않습니다. CVN 테스트는 해당 온도에서의 인성을 직접적으로 나타내는 -를 파괴하기 전에 표준 노치 시편이 흡수하는 에너지를 측정합니다. 탄소강 및 저-합금강의 경우 필요한 최소 에너지는 일반적으로 27줄(20ft-lb)입니다. 오스테나이트계 스테인리스강의 경우 일반적으로 -196도에서 100J 이상의 값이 달성됩니다. 열-관련 CVN 인증이 없는 재료는 허용되지 않습니다.

인성은 미량 화학에 매우 민감합니다. 황 및 인 불순물은 저온에서 페라이트강을 취성화시킵니다. 9% Ni 강철의 경우, 제작 중 변형률-취화를 방지하기 위해 질소 함량을 0.01% 미만으로 제어해야 합니다. 오스테나이트계 스테인리스 강의 경우, 탄소는 용접 중 민감화를 방지하기 위해 최대 0.03%("L" 등급 지정)로 제한되어야 합니다. X-선 형광(XRF) 또는 광학 방출 분광학 -을 사용하는 PMI(양성 물질 식별) -는 낮은 등급의 재료가 대체되지 않았는지 확인하기 위해 설치 전에 100% 합금 부품에 대해 수행되어야 합니다.-

용접부는 모든 압력 시스템에서 가장 취약한 위치이며, 극저온에서는 더욱 그렇습니다. 용접의 열{1}영향부(HAZ)는 결정 구조를 변경하고 인성을 감소시킬 수 있는 빠른 열 주기를 경험합니다. 극저온 서비스를 위한 모든 용접 절차 사양(WPS)에는 최소 설계 온도에서 용접 금속 및 HAZ에 대한 CVN 테스트와 함께 절차 인증 기록(PQR)이 포함되어야 합니다. 9% Ni 강철의 경우, 특히 니켈 필러가 전체 극저온 범위에 걸쳐 인성을 유지하기 때문에 필러 금속은 일반적으로 조성을 맞추기보다는 니켈{5}}합금 기반(ENiCrMo-6 또는 ENiCrFe-9)입니다.

필수 테스트 요구사항: 요약

아래 표에는 LNG 플랜트 서비스에 대한 자재 적격성을 관리하는 중요한 테스트, 적용 가능한 표준 및 승인 기준이 통합되어 있습니다.

참조된 표준은 최신 ASTM/EN/ASME 버전입니다. 프로젝트-별 검사 및 테스트 계획(ITP)은 더 엄격한 요구사항을 요구할 수 있습니다. 항상 적용 가능한 설계 코드 -(일반적으로 공정 배관의 경우 ASME B31.3, 저장 탱크의 경우 API 625/EN 14620)를 준수하십시오.

5가지 일반적인 재료 선택 실수 - 및 이를 방지하는 방법

실수 1:충격 테스트 없이 -29도 이하의 탄소강을 사용합니다.

표준 탄소강(A106 Gr.B)은 충격- 테스트를 거치지 않았으며 DBTT를 예측할 수 없습니다. 항상 A333 Gr.6(충격-테스트를 거쳐 -46도) 또는 극저온-등급 대안을 -29도 이하의 온도에 사용하세요. 예를 들어 -와 같이 플랜트 냉각 중에 이 임계값 - 아래로 일시적인 이탈이 발생해도 부서지기 쉬운 균열이 발생할 수 있습니다.

실수 2:304 SS와 304L SS는 서로 바꿔 사용할 수 있다고 가정합니다.

극저온 서비스에서는 'L' 지정이 중요합니다. 표준 304(최대 0.08% C)는 용접 HAZ에서 감작 위험이 있으며, 미량 수분에서 입계 부식에 취약한 크롬{3}} 고갈 영역을 생성합니다. 용접된 극저온 배관의 경우 항상 304L 또는 316L을 지정하십시오.

실수 3:창고의 '인증된' 자재에 대한 PMI를 건너뜁니다.

창고나 제조 공장에서{0}}합금 등급 간의 혼합은 극저온 고장의 원인으로 기록되어 있습니다. 9% Ni강으로 잘못 식별된 탄소강 파이프 조각은 시각적으로 구별할 수 없습니다. 설치 시점의 PMI는 종이 문서가 포착할 수 없는 오류를 포착합니다.

실수 4:극저온 플랜지 조인트에 표준 볼트 체결 재료를 사용합니다.

표준 ASTM A193 B7 스터드(합금강)는 극저온 등급이 아닙니다. ASTM A320 L7 스터드와 A194 Gr.4 또는 Gr.7 너트를 지정하세요. 이 너트는 −101도까지 충격-테스트를 거쳤습니다. -162도의 LNG 서비스에는 ASTM A320 B8M(316 SS) 볼트 체결이 필요합니다.

실수 5:설계 중 열 순환 분석이 부적절합니다.

LNG 플랜트는 안정된-상태 온도를 유지하지 않습니다. 시운전 중 냉각 및 예열 주기-, 계획된 가동 중단 및 긴급 상황-은 모든 구성 요소에 열 스트레스를 가합니다. 정상-상태에서 적절한 인성을 갖는 재료는 반복적인 열 순환을 통해 피로 손상을 축적할 수 있습니다. 안전 여유를 제공하기 위해 신뢰할 수 있는 최저 작동 온도보다 최소 10도 낮은 최소 설계 온도를 갖는 재료를 지정합니다.

자주 묻는 질문

316L 스테인레스 스틸-162도에서 배관, 펌프, 피팅류에 탁월합니다. 그러나 크고 두꺼운 벽으로 둘러싸인 압력 용기인 - - 9% Ni 강철과 Invar 멤브레인이 표준 솔루션입니다. 그 이유는 수만 입방미터를 수용하는 탱크에 필요한 규모의 용접성, 제작 용이성 및 극저온 인성을 보다 비용 효율적으로 결합한-- 극저온 인성을 제공하기 때문입니다.

9% Ni 강철(ASTM A553)은 완전 밀폐형 이중벽 탱크에서 내부 쉘로 사용되며 일반적으로 두께는 20~50mm이며 LNG와 직접 접촉합니다. Invar(Fe-36Ni)는 열팽창 계수가 매우 낮으며 열 주기 동안 균열 없이 멤브레인이 구부러지고 변형되는 얇은 멤브레인 탱크 설계(예: GTT의 Mark III 및 No.96 시스템)에 사용됩니다. 둘 다 -196도로 검증되었습니다. 선택은 탱크 설계 철학과 라이센스 계약에 따라 결정됩니다.

예. 알루미늄 합금 5083(ASTM B241)은 LNG 콜드박스, 열교환기, ISO 컨테이너 내부 용기에 널리 사용됩니다. −196도에서 우수한 인성을 유지하고 밀도가 낮으며(사하중 감소) 비자성입니다-. 신중한 설계 분석 없이 약 25bar를 초과하는 고압 애플리케이션에는 적합하지 않지만-중압 극저온 서비스에는 입증되고 비용 효율적인 선택입니다.

결론

LNG 플랜트의 저온{0}}취성을 극복하는 것은 하나의 범용 재료를 찾는 문제가 아닙니다. - 이는 각 플랜트 영역을 올바른 합금에 매핑하고, 엄격한 테스트를 통해 해당 합금을 검증하고, 비용을 지불한 특성을 보존하기 위해 제조 및 용접을 제어하는 ​​문제입니다. 의사결정 프레임워크는 명확합니다.

모든 시스템과 구성요소의 최소 설계 온도를 식별합니다.

CVN 충격 데이터를 통해 DBTT가 해당 온도보다 낮은 것으로 확인된 재료를 선택하세요.

배관에는 FCC 재질(오스테나이트계 SS, 알루미늄)을 선택하십시오. 대형 탱크의 경우 9% Ni 또는 Invar.

설치 시 100% 합금 부품에 대해 PMI를 지정하고 시행합니다.

용접 금속 및 HAZ에 대한 극저온 CVN 테스트를 통해 모든 용접 절차를 인증합니다.

열 마진 적용: 신뢰할 수 있는 최저 작동 온도보다 최소 10도 낮게 설계합니다.

일관되게 적용하면 이 프레임워크는 역사적으로 업계에서 가장 비용이 많이 들고 위험한 사고를 야기했던 중대한{0}}관련 실패 모드를 제거합니다. 올바른 재료 사양에 대한 초기 투자는 항상 단일 현장 오류로 인한 비용보다 적습니다.

ASTM A312 / A182 - 오스테나이트계 스테인리스강 파이프 및 피팅

ASTM A353 / A553 - 9% 니켈 강판(이중 및 단일 노멀라이즈 및 템퍼링)

ASTM A320 / A194 - 저온-온도 합금강 볼트 체결

ASTM B241 - 알루미늄 합금 5083 이음매 없는 파이프 및 이음매 없는 압출 튜브

ASME B31.3 - 공정 배관 코드

ASME 섹션 VIII Div.1, 파트 UHA - 오스테나이트계 스테인리스강에 대한 규칙

API 625 - 냉동 액화 가스 저장용 탱크 시스템

EN 14620 - 현장 설계 및 제조-수직형 LNG 저장 탱크 건설

NFPA 59A - LNG 생산, 저장 및 취급 표준

비소성 융합 용접 압력 용기에 대한 BS PD 5500 - 사양

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