Seleção de materiais para usinas de GNL: superando a fragilidade em baixas-temperaturas

Por que a fragilidade-em baixas temperaturas é o desafio que define as usinas de GNL

O gás natural liquefeito é armazenado e transportado a −162 graus (−260 graus F) - o ponto de ebulição do metano à pressão atmosférica. A esta temperatura, muitos materiais de engenharia comuns sofrem uma mudança fundamental no comportamento: eles passam de dúcteis (dobrando antes de quebrar) para frágeis (quebrando sem aviso). Esse fenômeno, conhecido como transição dúctil-para{6}}frágil, é um dos modos de falha mais perigosos na engenharia criogênica.

As consequências de uma falha frágil numa instalação de GNL são graves. Uma liberação descontrolada de GNL pode vaporizar em uma nuvem inflamável com potencial explosivo, ou - se inflamada - queimar como um incêndio que é extraordinariamente difícil de extinguir. O desastre do tanque Cleveland LNG em 1944, que resultou de um tanque feito de aço contendo níquel insuficiente, matou 128 pessoas e destruiu um bairro inteiro. Esse evento estabeleceu o princípio fundamental que ainda hoje rege a seleção de materiais de GNL: a liga certa não é opcional.

A metalurgia por trás da fragilização-a baixa temperatura

A resistência dos metais deriva da capacidade dos átomos de se reorganizarem (deslizar) ao longo dos planos cristalinos quando estressados. Em baixas temperaturas, essa mobilidade atômica diminui. Para metais-cúbicos de corpo centrado (BCC) - incluindo aço carbono e aços inoxidáveis ​​ferríticos/martensíticos - o escorregamento torna-se tão restrito abaixo do DBTT que as trincas se propagam mais rápido do que o metal pode absorver energia. O resultado é uma fratura súbita e catastrófica em níveis de tensão bem abaixo da resistência à tração nominal do material.

Metais-cúbicos de face centrada (FCC) se comportam de maneira diferente. Sua estrutura cristalina permite o deslizamento atômico mesmo em temperaturas criogênicas, de modo que a resistência é mantida até zero absoluto. É por isso que os aços inoxidáveis ​​austeníticos (FCC) e as ligas de alumínio (FCC) são as principais escolhas para tubulações de GNL - eles simplesmente não possuem DBTT.

Metais BCC (aço carbono, SS ferrítico):exibem um DBTT agudo - perigoso em serviço criogênico, a menos que seja especialmente ligado.

Metais FCC (304L/316L SS, ligas de alumínio):nenhum DBTT - permanece resistente em -269 graus. Primeira escolha para tubulação de GNL.

Ligas ferríticas com alto-níquel (aço com 9% Ni):DBTT suprimido abaixo de -196 graus através da adição de níquel - a solução de engenharia para grandes tanques de armazenamento.

Desempenho do material em temperaturas criogênicas: dados comparativos

A tabela abaixo apresenta propriedades mecânicas padronizadas de baixa-temperatura para os sete materiais mais comumente especificados para serviços em usinas de GNL. Todos os valores mínimos são de acordo com ASTM ou padrões EN equivalentes.

Fontes: ASTM A353, A553, A312, A240, B241, F1684; ASME Seção VIII Div.1; EN 14620. CVN=Charpy V-Energia de impacto de entalhe. Todos os valores são valores mínimos-exigidos pelo código; os valores reais certificados são normalmente mais elevados.

Guia de decisão de seleção de material zona{0}}por{1}}zona

Uma planta de GNL não é um ambiente uniforme - ela abrange um gradiente de temperatura desde o ambiente nos limites da bateria até -162 graus na caixa fria e nos tanques de armazenamento. Zonas diferentes exigem materiais diferentes. Usar o material errado em qualquer zona - mesmo que brevemente - cria um risco de fratura frágil. A matriz abaixo é sua referência principal para seleção-com base em zona.

PWHT=Tratamento térmico pós-soldagem. HAZ=Zona afetada pelo calor-. BOG=fervura-com gás. RT=Testes Radiográficos. As especificações são indicativas; sempre verifique os códigos de projeto{11}específicos do projeto e os padrões de engenharia do proprietário.

Os três pilares da seleção de materiais criogênicos

Nenhuma especificação de material criogênico está completa sem o teste de impacto Charpy V-Notch (CVN) na temperatura mínima de projeto ou abaixo dela. O teste CVN mede a energia que uma amostra entalhada padrão absorve antes de fraturar - um indicador direto de tenacidade naquela temperatura. Para aços carbono e de baixa{4}}liga, a energia mínima necessária normalmente é de 27 Joules (20 pés-lb). Para aços inoxidáveis ​​austeníticos, valores acima de 100 J a -196 graus são alcançados rotineiramente. Não aceite materiais sem certificação CVN específica-de calor.

A tenacidade é altamente sensível a traços químicos. Impurezas de enxofre e fósforo fragilizam os aços ferríticos em baixas temperaturas. Para aço com 9% de Ni, o teor de nitrogênio deve ser controlado abaixo de 0,01% para evitar fragilização por deformação durante a fabricação. Para aços inoxidáveis ​​austeníticos, o carbono deve ser limitado a 0,03% no máximo (a designação de grau “L”) para evitar sensibilização durante a soldagem. A identificação positiva de materiais (PMI) - usando fluorescência de raios X (XRF) ou espectroscopia de emissão óptica - deve ser realizada em 100% dos componentes de liga antes da instalação para verificar se nenhum material de grau inferior- foi substituído.

As soldas são os locais mais vulneráveis ​​em qualquer sistema de pressão, e ainda mais em temperaturas criogênicas. A zona-afetada pelo calor (HAZ) de uma solda passa por um ciclo térmico rápido que pode alterar a estrutura do grão e reduzir a tenacidade. Cada especificação de procedimento de soldagem (WPS) para serviço criogênico deve incluir registros de qualificação de procedimento (PQRs) com testes CVN em metal de solda e HAZ na temperatura mínima de projeto. Para aço com 9% de Ni, os metais de adição são normalmente à base de liga-de níquel (ENiCrMo-6 ou ENiCrFe-9) em vez de uma composição correspondente, especificamente porque a carga de níquel retém a tenacidade em toda a faixa criogênica.

Requisitos de teste obrigatórios: resumo

A tabela abaixo consolida os testes críticos, padrões aplicáveis ​​e critérios de aceitação que regem a qualificação de materiais para serviço na planta de GNL.

Os padrões referenciados são edições atuais da ASTM/EN/ASME. Os planos de inspeção e teste (ITPs) específicos-do projeto podem impor requisitos mais rigorosos. Sempre concilie com o código de projeto aplicável - normalmente ASME B31.3 para tubulação de processo, API 625/EN 14620 para tanques de armazenamento.

Cinco erros comuns na seleção de materiais - e como evitá-los

Erro 1:Usando aço carbono abaixo de -29 graus sem teste de impacto.

O aço carbono padrão (A106 Gr.B) não é testado-de impacto e tem um DBTT imprevisível. Sempre use A333 Gr.6 (testado-de impacto para -46 graus) ou uma alternativa de grau-criogênico para temperaturas abaixo de -29 graus. Mesmo uma excursão temporária abaixo deste limite - durante o resfriamento da planta, por exemplo - pode iniciar uma rachadura frágil.

Erro 2:Supondo que 304 SS e 304L SS sejam intercambiáveis.

No serviço criogênico, a designação 'L' é importante. O padrão 304 (máx. 0,08% C) apresenta risco de sensibilização na ZTA da solda, criando zonas esgotadas-de cromo, suscetíveis à corrosão intergranular em vestígios de umidade. Sempre especifique 304L ou 316L para tubulação criogênica soldada.

Erro 3:Ignorando o PMI em material “certificado” do armazém.

Misturas-entre tipos de ligas no armazém ou na fábrica são uma causa documentada de falhas criogênicas. Um pedaço de tubo de aço carbono identificado erroneamente como aço com 9% Ni é visualmente indistinguível. O PMI, no ponto de instalação, detecta erros que a documentação em papel não consegue.

Erro 4:Usando materiais de aparafusamento padrão para juntas flangeadas criogênicas.

Os pinos padrão ASTM A193 B7 (liga de aço) não são classificados para temperaturas criogênicas. Especifique pinos ASTM A320 L7 e porcas A194 Gr.4 ou Gr.7, que são testados-para impacto em -101 graus. Para serviço de GNL a -162 graus, é necessário aparafusamento ASTM A320 B8M (316 SS).

Erro 5:Análise inadequada de ciclos térmicos durante o projeto.

As usinas de GNL não permanecem na temperatura-estacionária. Os ciclos de resfriamento e aquecimento-- durante o comissionamento, paradas planejadas e emergências - impõem tensões térmicas em todos os componentes. Um material com tenacidade adequada em estado-estacionário pode acumular danos por fadiga por meio de ciclos térmicos repetidos. Especifique materiais com uma temperatura mínima de projeto pelo menos 10 graus abaixo da temperatura operacional mais baixa confiável para fornecer uma margem de segurança.

Perguntas frequentes

Aço inoxidável 316Lé excelente para tubulações, bombas e conexões a -162 graus. No entanto, para tanques de contenção primária -, que são vasos de pressão grandes e com paredes{3}}espessas, - 9% de aço Ni e membrana Invar são as soluções padrão porque oferecem uma combinação mais econômica-de capacidade de soldagem,{6}}facilidade de fabricação e resistência criogênica na escala necessária para tanques com capacidade para dezenas de milhares de metros cúbicos.

O aço com 9% de Ni (ASTM A553) é usado em tanques de-contenção total-de parede dupla como revestimento interno, normalmente com 20 a 50 mm de espessura, em contato direto com o GNL. Invar (Fe-36Ni) tem um coeficiente de expansão térmica extraordinariamente baixo e é usado em projetos de tanques de membrana fina (como os sistemas Mark III e No.96 da GTT) onde a membrana flexiona e deforma durante ciclos térmicos sem rachar. Ambos são verificados em -196 graus; a escolha é motivada pela filosofia de projeto de tanques e acordos de licenciamento.

Sim. A liga de alumínio 5083 (ASTM B241) é amplamente utilizada para caixas frias de GNL, trocadores de calor e vasos internos de contêineres ISO. Ele mantém boa tenacidade a -196 graus, tem baixa densidade (reduzindo a carga morta) e não é-magnético. Ele não é adequado para aplicações de alta-pressão acima de aproximadamente 25 bar sem uma análise cuidadosa do projeto, mas para serviços criogênicos de-pressão moderada é uma escolha comprovada e-com boa relação custo-benefício.

Conclusão

Superar a fragilidade-de baixa temperatura em uma planta de GNL não é uma questão de encontrar um material universal - é uma questão de mapear cada zona da planta para a liga certa, verificar essa liga através de testes rigorosos e controlar a fabricação e a soldagem para preservar as propriedades pelas quais você pagou. O quadro de decisão é claro:

Identifique a temperatura mínima de projeto para cada sistema e componente.

Selecione materiais cujo DBTT seja confirmado como estando abaixo dessa temperatura pelos dados de impacto do CVN.

Escolha materiais FCC (SS austenítico, alumínio) para tubulação; 9% Ni ou Invar para tanques grandes.

Especifique e aplique o PMI em 100% dos componentes de liga na instalação.

Qualifique todos os procedimentos de soldagem com testes criogênicos de CVN em metal de solda e HAZ.

Aplique uma margem térmica: projete pelo menos 10 graus abaixo da temperatura operacional mais baixa confiável.

Aplicada de forma consistente, essa estrutura elimina os modos de falha-relacionados a materiais que historicamente causaram os incidentes mais caros e perigosos do setor. O investimento inicial na especificação correta do material é sempre menor que o custo de uma única falha em campo.

Tubos e conexões de aço inoxidável austenítico ASTM A312 / A182 -

Placa de aço níquel ASTM A353 / A553 - 9% (normalizada dupla e simples e temperada)

ASTM A320 / A194 - parafusamento de liga de aço para baixa-temperatura

Tubo sem costura de liga de alumínio 5083 ASTM B241 - e tubo extrudado sem costura

Código de tubulação de processo ASME B31.3 -

ASME Seção VIII Div.1, Parte UHA - Regras para aço inoxidável austenítico

API 625 - Sistemas de tanques para armazenamento refrigerado de gás liquefeito

PT 14620 - Projeto e fabricação de local-Tanques verticais de armazenamento de GNL construídos

NFPA 59A - Norma para Produção, Armazenamento e Manuseio de GNL

Especificação BS PD 5500 - para vasos de pressão soldados por fusão não queimados

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