Welche Anwendungsbeschränkungen haben 304/304L Edelstahlrohre im LNG-System?

Das 304/304L Edelstahlrohr hat aufgrund seiner gewissen Tieftemperaturzähigkeit und Korrosionsbeständigkeit Anwendungen in einigen Tieftemperaturbereichen. Allerdings hat es in der LNG-(Flüssigerdgas, mit einer Betriebstemperatur von ungefähr -162℃) Anlage erhebliche Leistungsmängel und seine Anwendung ist streng eingeschränkt. Im Folgenden wird ausführlich von den Aspekten der Tieftemperaturzähigkeit, des Korrosionsrisikos und der mechanischen Eigenschaften erläutert: 

1. Unzureichende Tieftemperaturzähigkeit mit dem Risiko eines spröden Bruchs

Kernproblem: Unter den LNG-Betriebsbedingungen bei -162℃ erfüllt die Kerbschlagzähigkeit von 304/304L nicht die Sicherheitsanforderungen. 

Die Sprödübergangstemperatur (DBTT) von 304 Edelstahl (nicht stabilisierter Stahl) ist relativ hoch und liegt typischerweise zwischen -100℃ und -70℃. Wenn die Temperatur auf -162℃ sinkt, wird seine Schlagarbeit (Ak) scharf auf unter 20J (sogar unter 10J) abnehmen, was weit unter dem Ak ≥ 40J-Anforderung für LNG-Systeme liegt (gemäß ASME B31.3 und anderen Standards). Dies macht es anfällig für spröde Brüche ohne plastische Verformung, was möglicherweise zu schwerwiegenden Unfällen wie Lecks führt. 

Die Tieftemperaturzähigkeit von 304L (Kohlenstoffarmer Typ) ist etwas besser als die von 304, aber es kann immer noch nicht das Problem des spröden Übergangs vollständig überwinden. Die Schlagzähigkeit bei -162℃ schwankt erheblich, und die Zähigkeit der wärmebeeinflussten Zone (HAZ) beim Schweißen ist noch deutlicher, wodurch es schwierig ist, die Tieftemperatur-Schlagversuche (z. B. den V-Kerbschlagversuch) zu bestehen.  

Vergleich: Die üblicherweise in LNG-Systemen verwendeten Materialien wie 304Lmod (modifiziertes 304L), 316L und 9%-Ni-Stahl haben eine DBTT (Deformationsinduzierte Zerstörungstemperatur) von bis unter -196℃. Bei -162℃ bleibt die Schlagarbeit über 80J, wodurch das Risiko eines spröden Bruchs effektiv vermieden wird.  

2. Begrenzte Beständigkeit gegen Tieftemperaturkorrosion, anfällig für Verunreinigungsangriffe

Obwohl Methan die Hauptkomponente im LNG-System ist, kann es Spuren von H₂S, CO₂, Feuchtigkeit usw. enthalten. Bei tiefen Temperaturen neigt es dazu, korrosive Medien zu bilden (z. B. bildet die Mischung aus flüssigem Wasser und H₂S eine saure Lösung). Die Korrosionsbeständigkeit von 304/304L reicht nicht aus, um dies zu bewältigen:  

Sulfid-Spannungskorrosionsrissbildung (SSCC): Obwohl der Cr-Gehalt (18 - 20%) in 304/304L einen passiven Film bilden kann, ist der passive Film in einer niedertemperierten und hochdruckigen Umgebung mit Anwesenheit von H₂S leicht zu zerstören, und seine austenitische Struktur hat eine höhere Empfindlichkeit gegenüber SSCC. Langzeitgebrauch kann zu interkristallinen oder transkristallinen Rissen führen.

Lochfraß- und Spaltkorrosion: Wenn im System Spuren von Chloridionen vorhanden sind (z. B. die durch Leckage bei der Kühlung mit Meerwasser eingeschleppt werden), ist das Lochfraßwiderstandsequivalent (PREN ≈ 18 - 20) von 304/304L relativ niedrig, weit niedriger als das von 316L (PREN ≈ 24 - 26). Es ist bei niedrigen Temperaturen (mit höherer Ionenaktivität) eher anfällig für Lochfraßkorrosion, insbesondere an den Spalten von Flanschen und Ventilen. 

III. Einschränkungen der Schweiß- und Verarbeitungseigenschaften

Versprödung der Schweißnaht: Beim Schweißen von 304/304L bildet sich, wenn keine geeignete Schutzmaßnahme ergriffen wird, leicht eine Widmanstätten-Struktur oder Ferritsegregation, was zu einer weiteren Abnahme der Zähigkeit der Schweißnaht bei niedrigen Temperaturen führt. Darüber hinaus kann die Korrosionsbeständigkeit der Schweißzone aufgrund des Verlusts von Cr und Ni verringert werden, wodurch sie zu einem Schwachpunkt in Bezug auf Korrosion wird.

Der Einfluss der Kaltverfestigung: LNG-Pipelines erfordern häufig Biegen und Formen während der Kaltverarbeitung. Nach der Kaltverarbeitung neigt 304/304L dazu, Eigenspannungen zu erzeugen, und die austenitische Struktur kann teilweise in Martensit umwandeln (insbesondere 304), was zu einer Verschlechterung der Tieftemperaturzähigkeit führt und das Risiko von Spannungskorrosionsrissbildung erhöht. 

IV. Klare Grenzen von Standards und Spezifikationen

Internationale Entwurfsstandards für LNG-Systeme (z. B. ASME B31.3, EN 13480, API 620) haben strenge Anforderungen an die Materialien: 

Die spezifische Anforderung ist, dass die Tieftemperatur-Schlagzähigkeit des für die Tieftemperatureinrichtungen verwendeten Stahls -196℃ erfüllen muss: Ak ≥ 27J (der Mindestwert), und 304/304L kann diese Norm normalerweise nicht erfüllen.

Für Pipelines, die mit schwefelhaltigem LNG in Kontakt kommen, sollte niedriglegierter hochfester Stahl, der gegen SSCC beständig ist, oder nickelbasierte Legierungen verwendet werden. 304/304L wird aus der Hauptauswahl ausgeschlossen, da es empfindlich gegen SSCC ist. 

Zusammenfassung: Die Anwendungsfälle von 304/304L in LNG-Systemen sind begrenzt.

Es kann nur in nicht-kernigen, niederdruckigen, kurzzeitigen Hilfsabschnitten eingesetzt werden (z. B. bei den temperaturkonstanten Zubehöranschlussrohren von LNG-Speichertanks und den Instrumentenleitungen, die von der Kältezone entfernt sind), und es muss die Reinheit des Mediums (ohne H₂S, Cl⁻) und die Arbeitstemperatur (nicht niedriger als -100℃) streng kontrolliert werden.

Die Kernsysteme (z. B. Tieftemperaturspeichertanks, Haupttransportleitungen, Pumpen- und Ventilan schlussrohre) müssen spezielle Tieftemperaturstähle (z. B. 9% Ni-Stahl) oder hochlegierte Edelstähle (z. B. 316L, 304Lmod) verwenden, um Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.