Какие ограничения применения имеют стальные трубы из нержавеющей стали 304/304L в системе СПГ?

Труба из нержавеющей стали 304/304L благодаря своей определенной низкотемпературной вязкости и коррозионной стойкости имеет применение в некоторых низкотемпературных областях. Однако в системе СПГ (жидкий природный газ, с рабочей температурой около -162℃) ее характеристики имеют значительные недостатки, и применение строго ограничено. Ниже приводится подробное описание с точки зрения низкотемпературной вязкости, риска коррозии и механических свойств: 

1. Недостаточная низкотемпературная вязкость с риском хрупкого разрушения

Основная проблема: В условиях работы с СПГ при -162℃ ударная вязкость стали 304/304L не соответствует требованиям безопасности. 

Температура хрупкого перехода (DBTT) нержавеющей стали 304 (нестабилизированная сталь) относительно высока, обычно находится в диапазоне от -100℃ до -70℃. Когда температура снижается до -162℃, энергия ударного поглощения (Ak) резко снижается до менее 20Дж (даже менее 10Дж), что значительно ниже требования Ak ≥ 40Дж для систем СПГ (в соответствии с стандартами ASME B31.3 и др.). Это делает ее склонной к хрупкому разрушению без пластической деформации, что может привести к серьезным авариям, таким как утечки. 

Холодоупругость 304L (низкоуглеродистый тип) немного лучше, чем у 304, но она все еще не может полностью преодолеть проблему хрупкого перехода. Влияние ударной прочности при -162℃ сильно колеблется, а хрупкость термически затронутой зоны (ТЗЗ) при сварке еще более выражена, что делает сложным прохождение низкотемпературных ударных испытаний (например, испытания на удар по образцу с V-образным надрезом). 

Сравнение: Широко используемые материалы в системах СПГ, такие как 304Lmod (модифицированный 304L), 316L и 9% никелевая сталь, имеют ТХП (Температура хрупкого перехода, индуцированного деформацией) до -196℃ и ниже. При -162℃ ударная вязкость остается выше 80Дж, эффективно предотвращая риск хрупкого разрушения. 

2. Ограниченное сопротивление низкотемпературной коррозии, восприимчивость к воздействию примесей

Хотя метан является основным компонентом в системе СПГ, он может содержать следовые количества H₂S, CO₂, влаги и т.д. При низких температурах легко образуются коррозионно-активные агенты (например, смесь жидкой воды и H₂S образует кислый раствор). Сопротивление коррозии 304/304L недостаточно для противодействия этому: 

Коррозионно-растрескивание под воздействием сернистых соединений (СССС): Хотя содержание Cr (18 - 20%) в 304/304L может образовать пассивную пленку, в условиях низких температур и высокого давления при наличии H₂S эта пассивная пленка легко разрушается, и аустенитная структура имеет более высокую чувствительность к СССС. Долгосрочное использование может привести к образованию межкристаллитных или транскристаллитных трещин.

Пункционное и щелевое коррозирование: Если в системе присутствует след хлорид-ионов (например, попавших при утечке морской воды при охлаждении), эквивалент стойкости к пунктионному коррозированию (PREN ≈ 18 - 20) у 304/304L относительно низкий, гораздо ниже, чем у 316L (PREN ≈ 24 - 26). С большей вероятностью оно подвергается пунктионному коррозированию при низких температурах (при большей ионной активности), особенно в щелях фланцев и клапанов. 

III. Ограничения сварочных и обработочных свойств

Образование хрупкости в сварных соединениях: При сварке 304/304L, если не обеспечить надлежащую защиту, легко образуется структура Видманштеттена или сегрегация феррита, что приводит к дальнейшему снижению вязкости сварного соединения при низких температурах. Кроме того, коррозионная стойкость сварной зоны может снизиться из-за потерь Cr и Ni, и она становится слабым местом по отношению к коррозии.

Влияние холодной деформационной упрочнения: Трубы для сжиженного природного газа (СПГ) часто требуют изгиба и формования во время холодной обработки. После холодной обработки 304/304L склонна к образованию остаточных напряжений, и аустенитная структура может частично превратиться в мартенсит (особенно 304), что приводит к ухудшению низкотемпературной вязкости и увеличивает риск коррозионного растрескивания под напряжением. 

IV. Ясные ограничения стандартов и спецификаций

Международные стандарты проектирования систем СПГ (например, ASME B31.3, EN 13480, API 620) имеют строгие требования к материалам: 

Конкретное требование заключается в том, что низкотемпературная ударная вязкость стали, используемой для низкотемпературного оборудования, должна соответствовать -196℃: Ak ≥ 27Дж (минимальное значение), и 304/304L обычно не может соответствовать этому стандарту.

Для труб, контактирующих с серосодержащим СПГ, следует использовать низколегированную высокопрочную сталь, стойкую к коррозионному растрескиванию под напряжением в сероводородсодержащей среде (СССК), или никелевые сплавы. 304/304L исключена из основных вариантов выбора из-за своей чувствительности к СССК. 

Обзор: Применение 304/304L в системах СЖГ ограничено.

Его можно использовать только в неключевых, низконапорных, вспомогательных участках с коротким циклом работы (например, в трубопроводах подключения термостатирующих аксессуаров для емкостей для СЖГ и в трубопроводах приборов, которые находятся вне зоны низких температур), при этом необходимо строго контролировать чистоту среды (без H₂S, Cl⁻) и рабочую температуру (не ниже -100℃).

В ключевых системах (например, в криогенных емкостях, основных транспортных трубопроводах, трубопроводах подключения насосов и клапанов) необходимо использовать специальную криогенную сталь (например, 9% никелевую сталь) или высоколегированную нержавеющую сталь (например, 316L, 304Lmod), чтобы обеспечить безопасность и надежность.