Welche Probleme können bei LNG Edelstahlrohren in einer Niedrigtemperaturumgebung auftreten?

LNG-Stahlrohre aus Edelstahl zeigen im Vergleich zu Normalbedingungen erheblichen Unterschieden in ihrer Leistung, wenn sie einer Temperatur von -162°C ausgesetzt werden. Die Hauptprobleme drehen sich um die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, strukturelles Verformungsversagen, verringerte Dichtungszuverlässigkeit und Kompatibilitätsstörungen im System. Die genauen Details sind wie folgt: 

1. Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften: Unzureichende Zähigkeit führt zu sprödem Bruch

Niedrige Temperaturen können die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von Edelstahl verändern, was das Kernrisiko für Rohrleitungsunfälle darstellt: 

Niedrigtemperaturversprödung: Wenn die Niedrigtemperaturzähigkeit (Stoßarbeit) des Rohrmaterials oder der Schweißnaht den Standards nicht entspricht (z. B. niedriger als die Anforderung von ≥27J, wie in GB/T 24593 festgelegt), wechselt das Material bei niedrigen Temperaturen vom "zähen Zustand" in den "spröden Zustand". Unter leichten äußeren Kräften (z. B. Vibration, Stoß) kann plötzlich ein spröder Bruch auftreten, ohne jegliche Warnung. Insbesondere in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ) der Schweißnaht ist das Risiko der Versprödung aufgrund der groben Kornstruktur noch höher. 

Unausgeglichenheit zwischen Stärke und Plastizität: Tiefe Temperaturen führen dazu, dass die Streckgrenze und die Zugfestigkeit von Edelstahl erhöht werden, aber die Dehnung und die Querschnittsverminderung deutlich abnehmen (beispielsweise ist die Dehnung von 316L-Edelstahl bei -162°C etwa 30 % niedriger als bei Raumtemperatur), was dazu führt, dass die Verformungsbeständigkeit des Rohrs geschwächt wird. Wenn im System Restspannungen vorhanden sind (z. B. die Spannung, die durch erzwungene Stoßschweißung während der Installation entsteht), kann dies leicht zu lokalen Rissen führen. 

2. Strukturverformung und Spannungsschäden: Kombinierter Schaden durch Kältekontraktion und Vibration

Unter LNG-Bedingungen können "plötzlicher Temperaturabfall" und "Systemvibration" irreversible strukturelle Schäden an den Rohrmaterialien verursachen: 

Kaltkontraktion und Spannungskonzentration: Der Ausdehnungskoeffizient von Edelstahl ist relativ hoch (beispielsweise ist der von 316L etwa 16,5×10⁻⁶/°C). Wenn die Temperatur von 25°C auf -162°C sinkt, kann die Kontraktionsmenge pro 10 Metern Rohrlänge bis zu 29 mm betragen. Wenn nicht genug Kompensation vorhanden ist (z. B. wenn kein Kompensator oder kein natürlicher Kompensationsabschnitt vorgesehen ist), wird die Kontraktionskraft sich an der Flansch-, Ventil-Schnittstelle oder der Schweißnaht konzentrieren, was dazu führt, dass die Schnittstelle verformt, die Schweißnaht reißt und sogar die Schnittstelle von Anlagenteilen wie Lagertanks und Pumpengehäusen auseinandergezogen wird. 

Erhöhter Verschleiß und Ermüdung durch Vibration: Der Betrieb von Pumpen und Kompressoren im LNG-System erzeugt kontinuierliche Vibrationen. Bei tiefen Temperaturen erhöht sich die Steifigkeit der Rohre und die Dämpfung nimmt ab, wodurch die Vibrationsenergie leichter an die Stützpunkte oder Verbindungsbereiche übertragen wird. Langzeitvibrationen können dazu führen, dass die Isolierdichtungen (z. B. Polytetrafluorethylen) zwischen Rohrschellen und Rohren verschleißen, was zu direktem Metallkontakt führt (Kältebrücken verursacht); gleichzeitig bilden sich an Schweißnähten und Biegungen aufgrund von "Vibrationsermüdung" Mikrorisse, die allmählich zu makroskopischen Leckagen werden. 

3. Versagen der Dichtungszuverlässigkeit: Versagen der Dichtungsstruktur bei tiefen Temperaturen

Das Dichtungssystem ist die Kernschutzkomponente der LNG-Rohrleitung. Tiefe Temperaturen können das Versagen von Dichtungsteilen oder Verbindungsstrukturen verursachen: 

Rissbildung und Schrumpfung von Dichtungskomponenten: Gewöhnliche Gummidichtungskomponenten (z. B. Nitrilkautschuk) verlieren bei tiefen Temperaturen ihre Elastizität und reißen. Selbst für tiefenemperaturbeständige Dichtungskomponenten (z. B. EPDM, FKM) schrumpfen sie aufgrund tiefer Temperaturen, was zu unzureichender Kompression führt - wenn bei der Installation bei Normaltemperatur kein Schrumpfungsausgleich vorgesehen ist, treten an der Dichtfläche Spalten auf, die zu LNG-Leckagen führen (wenn das Leckagemenge die Explosionsgrenze erreicht, besteht die Gefahr von Verbrennung und Explosion). 

Flanschverbindungslockerung: Wenn das Bolzenmaterial nicht mit dem Rohrmaterial übereinstimmt (z. B. werden Kohlenstoffstahlbolzen mit Edelstahlflanschen verwendet), wird die Differenz in den Schrumpfungsbeträgen zwischen den beiden bei niedrigen Temperaturen (der lineare Ausdehnungskoeffizient von Kohlenstoffstahl beträgt ungefähr 13×10⁻⁶/℃, was niedriger ist als der von Edelstahl) dazu führen, dass die Vorspannkraft des Bolzens abnimmt und der Druck auf der Dichtfläche des Flansches sinkt; außerdem ist die Zähigkeit des Bolzens bei niedrigen Temperaturen unzureichend, und nach wiederholtem Kälteschrumpfen und Wärmeausdehnung kann es zu einem "Sprödbruch" kommen, der direkt die Dichtstruktur beschädigt. 

4. Probleme mit der Systemkompatibilität: Fehlfunktion aufgrund der Wechselwirkung zwischen Materialien und Medium

In niedrigen Temperaturumgebungen wird die Wechselwirkung zwischen dem Rohrmaterial und dem internen Medium des Systems sowie anderen Komponenten verstärkt, was zu Funktionsstörungen führt: 

Elektrochemische Korrosion und Kältebrückenkorrosion: Wenn die Stützkomponenten und Befestigungselemente aus Kohlenstoffstahl (anstatt aus kältebeständigem Edelstahl) hergestellt sind, bildet sich beim Kontakt mit dem Edelstahlrohr ein "elektrochemisches Paar". Bei niedrigen Temperaturen wirkt die Spurenfeuchtigkeit im LNG (die auch nach der Trocknungsbehandlung noch verbleiben kann) als Elektrolyt und beschleunigt die Korrosion des Kohlenstoffstahls. Gleichzeitig verursacht der direkte Kontakt zwischen den Metallen eine "Kältebrücke", was dazu führt, dass die Kälte vom Rohr auf die Stützstruktur übertragen wird. Wasser in der Luft kondensiert auf der Oberfläche der Stützkomponenten zu Eis und verstärkt die Korrosion und die Vereisung der Struktur weiter. 

Verunreinigungen gefrieren und verstopfen: Wenn die Rohrmaterialien vor der Installation nicht gründlich entfettet und getrocknet wurden (mit Restöl, Eisenabrieb und Feuchtigkeit), werden diese Verunreinigungen bei tiefen Temperaturen zu harten Partikeln gefrieren. Einerseits werden diese Partikel, wenn sie mit dem Flüssigerdgas (LNG) strömen, das Pumpenlaufrad und die Ventildichtflächen abnutzen, was die Lebensdauer der Ausrüstung verkürzt. Andererseits können feine Partikel die Durchflussmesser und die Drosselbohrungen des Sicherheitsventils verstopfen, was dazu führt, dass der Systemdruck unkontrollierbar wird oder die Messung fehlschlägt.