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

Труба из нержавеющей стали 304/304L, благодаря определенной низкотемпературной вязкости и коррозионной стойкости, применяется в некоторых низкотемпературных областях. Однако в системе СПГ (жидкий природный газ, с рабочей температурой около -162°C) ее характеристики имеют значительные недостатки, и ее 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: При условиях работы СПГ при -162°C 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°C до -70°C. Когда температура снижается до -162°C, ее ударная энергия поглощения (Ak) резко снижается до менее 20 Дж (даже менее 10 Дж), что значительно ниже требования Ak ≥ 40 Дж для систем СПГ (в соответствии со 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.

Холодостойкость 304L (низкоуглеродистый тип) немного лучше, чем у 304, но она все еще не может полностью преодолеть проблему хрупкого перехода. Ударная прочность 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 насечкой). 

Сравнение: Широко используемые материалы в системах СПГ, такие как 304Lmod (модифицированный 304L), 316L и 9% никелевая сталь, имеют температуру деформационного разрушения (DBTT) до -196℃ и ниже. При -162℃ ударная энергия остается выше 80 Дж, эффективно исключая риск хрупкого разрушения. 

2. Ограниченная стойкость к низкотемпературной коррозии, восприимчивость к воздействию примесей

Хотя в системе СПГ основной компонент - метан, в ней могут содержаться следовые количества H₂S, CO₂, влаги и т.д. При низких температурах они могут образовывать коррозионные агенты (например, смесь жидкой воды и H₂S образует кислый раствор). Антикоррозионные свойства 304/304L недостаточны для борьбы с этим: 

Коррозионно-усталостной разрыв в присутствии сульфидов (SSCC): Несмотря на то, что содержание Cr (18 - 20%) в 304/304L может образовывать пассивирующую пленку, в условиях низкой температуры и высокого давления при наличии H₂S эта пленка легко разрушается, а аустенитная структура имеет более высокую чувствительность к SSCC. При длительной эксплуатации могут образоваться межзеренные или транскристаллические трещины.

Пitting и щелевой коррозия: Если в системе присутствует след хлорид-ионов (например, попавших при утечке морской воды при охлаждении), то эквивалент стойкости к пайтингу (PREN ≈ 18 - 20) 304/304L относительно низкий, гораздо ниже, чем у 316L (PREN ≈ 24 - 26). При низких температурах (с более высокой ионной активностью) материал более склонен к пайтингу, особенно в щелях фланцев и кранов.

III. Ограничения сварочных и обработочных свойств

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

Влияние холодной упрочняющей обработки: Трубы для сжиженного природного газа (СПГ) часто требуют изгиба и формообразования в холодных условиях. После холодной обработки сталь 304/304L склонна к образованию остаточных напряжений, и аустенитная структура может частично превратиться в мартенсит (особенно в случае стали 304), что приводит к ухудшению низкотемпературной вязкости и увеличивает риск коррозионного растрескивания под напряжением. 

IV. Ясные ограничения стандартов и спецификаций

Международные стандарты по проектированию 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 сталь 304/304L обычно не соответствует этому стандарту.

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

Резюме: Применение 304/304L в системах СПГ ограничено.

Его можно использовать только в неключевых, низконапорных, малосрочных вспомогательных участках (например, в трубопроводах постоянной температуры для аксессуаров танков для хранения СПГ и в трубопроводах приборов, отдаленных от низкотемпературной зоны), при этом необходимо строго контролировать чистоту среды (без H₂S, Cl⁻) и рабочую температуру (не ниже -100℃).

В ключевых системах (например, в криогенных танках для хранения, основных транспортных трубопроводах, трубопроводах для соединения насосов и клапанов) необходимо использовать специальную криогенную сталь (например, 9% никелевую сталь) или высоколегированную нержавеющую сталь (например, 316L, 304Lmod) для обеспечения безопасности и надежности.