ما هي وعاء ضغط منخفض درجة الحرارة؟ التصميم والمواد والتطبيقات

الإجابة على السؤال الأساسي:ما هي وعاء ضغط منخفض درجة الحرارة، وما هي المواد والتعديلات التصميمية التي تتطلبها للعمل الآمن تحت -46 درجة مئوية؟وعاء ضغط منخفض درجة الحرارة هو عبارة عن عبارة عن عبارة عن عبارة عن عبارة مشفرة في القسم الثامن من ASME مصممة للخدمة تحت -46 درجة مئوية (العتبة التي ينتقل فيها الفولاذ الكربوني إلى السلوك الهش).تتطلب مواد ذات صلابة منخفضة درجة الحرارةالحد الأدنى لدرجة حرارة المعدن المصمم (MDMT) يحدد اختيار المواد: أقل من -46 درجة مئوية ، فولاذ الكربون الدقيق المعيار (SA-516 Gr.70N) مع اختبار تأثير Charpy V-notch (CVN) حسب قسم ASME VIII UG-84 مطلوبتحت -104 درجة مئوية ، يتم استخدام فولاذ نيكل بنسبة 9٪ (SA-353) أو فولاذ غير المقاوم للصدأ الأوستنيتي (304L / 316L) ؛ تحت -196 درجة مئوية ، فقط الفولاذ الأوستنيتي ، الألومنيوم (5083) ، أو فولاذ نيتون بنسبة 9٪ مناسبة للغاز الطبيعي المسال (-162 درجة مئوية)الأكسجين السائل (-183 درجة مئوية)، وخدمة النيتروجين السائل (-196 درجة مئوية).

1مبادئ التصميم الأساسية لخدمة درجات الحرارة المنخفضة

Low-temperature vessel design centers on preventing brittle fracture—a catastrophic failure mode where a crack propagates at near-sonic velocity through the vessel wall with no measurable plastic deformationثلاثة مبادئ معدنية وتصميم تحكم عملية آمنة:

• ** التحقق من صلابة الاصطدام من الدرجة الخامسة:**يفرض القسم الثامن من ASME UG-84 اختبار تأثير CVN عند MDMT أو أقل من ذلك. يتم ضرب عينة الاختبار (10 * 10 * 55 مم مع حفرة V 2 مم ، معدة إلى ASTM E23) بمطرقة البندول.يجب أن تتجاوز الطاقة الممتصة (بالجول) الحد الأدنى للقيمة المحددة بناءً على سمك المادةبالنسبة لـ SA-516 Gr.70N عند -46 °C ، يبلغ الحد الأدنى لـ CVN 18-27 J (اعتمادًا على السماكة). بالنسبة لـ 9٪ Ni الفولاذ (SA-353) عند -196 °C ، يمكن تحقيق قيم CVN من 40-70 J بسبب مرحلة austenite المستقرة.* التوسع الجانبي * (حد أدنى 0.38 ملم) و * مظهر كسر القطع * (حد أدنى 70% للعينات الكاملة الحجم) توفر معايير قبول ثانوية.
• **تحكم في درجة حرارة الانتقال من الصمغ إلى الهش (DBTT):**تعرض معادن BCC (مكونة من مكعبات مركزية الجسم) الصلب الكربوني والصلب ذات السبائك المنخفضة والصفات الفيرريتية الكرومية DBTT حيث يتحول وضع الكسر من الدكتيل (الاندماج الميكروويدي) إلى الهش (الانفصال).فولاذ الكربون DBTT حوالي -20 °C إلى -40 °C، لذلك الخدمة تحت -46 درجة مئوية تتطلب إما مواد أوستينيتية (هيكل FCC ، لا يوجد DBTT) أو فولاذ 9٪ Ni ، الذي يقلل إضافة النيكل DBTT إلى أقل من -196 درجة مئوية.* 50% FATT (درجة حرارة انتقال ظهور الكسر) *، حيث يتم ملاحظة كسر 50 ٪ قابلة للتلاعب و 50 ٪ هشة، يجب أن يكون 15-30 درجة مئوية على الأقل أقل من MDMT.5 أو أكثر دقة) وتطبيع المعالجة الحرارية خفض DBTT من 10-20 درجة مئوية.
• ** إدارة الإجهاد الحراري والتوسع التفاضلي:**تتعرض الأوعية المنخفضة درجة الحرارة لتوسع حراري متفاوت شديد بين الأوعية الداخلية الباردة والسترة أو الدعامات الخارجية ذات درجة الحرارة المحيطة.بالنسبة للوعاء الداخلي من فولاذ نايتين 9٪ عند -162 °C والوعاء الخارجي من فولاذ الكربون عند +20 °C، فإن الانكماش التفاضلي يبلغ طوله حوالي 2.7 ملم / م ، مما يتطلب اتصالات مرنة (أقواس أو أنابيب معدنية مرنة) على جميع الأنابيب.* قسم ASME الثامن الملحق 3* يتناول تصميم السترات الداعمة لحاويات البرد: يجب أن يتضمن التقاطع بين السترة والقشرة مقطع انتقال حراري للحد من الإجهاد الحراري إلى أقل من قوة الانسحاب في درجة حرارة المعدن. عزل مسحوق بيرليت (الاستقبال الحراري 0.02-0.04 W/mK في الفراغ) يملأ الفضاء الحلقية بين السفن الداخلية والخارجية لحاويات تخزين الغاز الطبيعي المسال ذات الجدران المزدوجة.

2أنواع أساسية من أوعية الضغط منخفضة درجة الحرارة

يتم تصنيف الأوعية منخفضة درجة الحرارة حسب الغاز المسال الذي تحتوي عليه ، والMDMT المقابلة ، واستراتيجية المواد.ثلاثة فئات تطبيق رئيسية تمثل غالبية المنشآت الصناعية:

• ** سفن تخزين وتجهيز الغاز الطبيعي المسال (MDMT -162 درجة مئوية):**تخزن هذه الخزانات ذات الجدران المزدوجة ذات القاع المسطح (1000-200000 م3) الغاز الطبيعي المسال عند -162 درجة مئوية.الحاوية الداخلية مصنوعة من فولاذ نايتين 9٪ (SA-353) بسماكة الجدران من 10-25 ملم للحاويات الضغطية المصنعة في المتجر تصل إلى 500 م 3، أو الفولاذ المقاوم للصدأ 304L لحاويات العملية الأصغر. تحتوي الحاوية الخارجية (فولاذ الكربون) على عزل فراغ بيرليت ، مما يقلل من معدل الغليان إلى 0.05-0.1% يوميًا لحاويات التخزين الكبيرة.القسم الثامن من ASME القسم 1 مع الملحق (المتطلبات الإضافية لدرجة الحرارة الباردة) أو API 620 المرفق Q يحكم التصميم، مع فحص 100% UT لجميع اللحام وتخفيف التوتر PWHT في 550-585 ° C (تحت درجة حرارة Ac1 للحفاظ على هيكل مجهري معتدل نيتروولين 9٪ من الصلب).
• **أوعية معالجة الغازات المشوية (MDMT -104°C إلى -196°C):**هذه الأوعية ASME تخدم وحدات فصل الهواء (ASU) وصناديق البرد الإيثيلين ومحطات سائل النيتروجين. للخدمة حتى -104 درجة مئوية (تبريد الإيثيلين) ، 3.5% من الصلب النيتروجيني (SA-203 Gr.D) أو 304L من الفولاذ المقاوم للصدألخدمة -196 درجة مئوية (النيتروجين السائل، والأكسجين، والآرغون) ، يتم استخدام 304L / 316L أو الألومنيوم 5083-O austenitic بالكامل لأن هذه المعادن FCC ليس لديها DBTT.,6-12 م3 من الحجم) تحل محل مبادلات القشرة والأنابيب من أجل الضيقة. متوسط الحرارة النوعية للصلب الني 9٪ عند -162 درجة مئوية هو 0.45 kJ / kgK (مقارنة مع 0.50 في الحرارة المحيطة).و معامل الانكماش الحراري هو 1.2*10−5 /°C، والتي تتطلب مقاطع انتقال حرارية في نقاط الدعم.
• **أوعية الهيدروجين السائل والهيليوم (MDMT -253°C إلى -270°C):تستخدم هذه الأوعية ذات درجة الحرارة المنخفضة للغاية الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 304L أو 316L للهيدروجين السائل (-253 درجة مئوية) والفولاذ الأوستنيتي أو الألومنيوم للهيليوم السائل (-269 درجة مئوية).التصميم المعزول بالفراغ (الوعاء الداخلي مع عزل متعدد الطبقات)، 30-100 طبقة داخل غلاف خارجي مغطى بالفراغ) يقلل من تسرب الحرارة إلى < 1 واط/م2.حيث أن الحرارة الكامنة لتبخر الهيليوم هي 2 فقط.18 kJ/L (مقارنة بـ 226 kJ/L للغاز الطبيعي المسال). معدلات الانبعاث من 0.3-1.0% يوميًا هي نموذجية لسفن النقل التي تبلغ مساحتها 10-50 متر مكعب مع فتحة تنفيس فعالة.

مصفوفة مقارنة مواد سفن الضغط منخفضة درجة الحرارة

الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: ما هي الحد الأدنى لدرجة حرارة المعدن المصممة (MDMT) ولماذا هي حاسمة؟

الجواب: MDMT هي أدنى درجة حرارة المعدن التي من المتوقع أن تعمل فيها السفينة تحت الضغط ، بما في ذلك بدء التشغيل وإيقاف التشغيل والظروف غير الطبيعية.يتطلب قسم ASME الثامن أن جميع مواد تحمل الضغط قد تحقق صلابة تأثير Charpy V-notch عند أو أقل من MDMTتشغيل سفينة من فولاذ الكربون تحت MDMT لها خطر كسر كاسحة هشة - شق ينتشر بسرعة قريبة من الصوت من خلال الجدار دون تشوه بلاستيكي سابق.يتم ختم MDMT على لوحة اسم السفينة ولا يجوز تجاوزها دون تحليل هندسي حسب ASME القسم الثامن UG-20 ((f) أو الحالة 2216.

س: لماذا يتم استخدام فولاذ نيكل بنسبة 9٪ لسفن تخزين الغاز الطبيعي المسال بدلاً من الفولاذ المقاوم للصدأ؟

ج: يقدم فولاذ النيون بنسبة 9٪ (SA-353) توازنًا مثاليًا: لديه DBTT أقل من -196 °C (مناسب للغاز الطبيعي المسال عند -162 °C) ، وقوة أعلى من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (515 MPa مقابل 205 MPa لـ 304L ،مما يسمح بجدران أرق وأقل تكلفة)، وانخفاض الانكماش الحراري من الصفات الأوستينيتية (الحد من الإجهاد الحراري في الدعم). إضافة 9٪ من الني يثبت مرحلة الأوستينيت المتبقية بين مصفوفة مارتنسيت المشددة ،توفير صلابة درجة حرارة منخفضة.9٪ من الصلب نيتروهيدروليك يكلف حوالي 3٪ من فولاذ الكربون ولكن فقط 0.5٪ من الفولاذ المقاوم للصدأ ، مما يجعله الخيار الاقتصادي لحاويات تخزين الغاز الطبيعي المسال الكبيرة.

س: ما هو العزل المتعدد الطبقات (MLI) وكيف يقلل من تسرب الحرارة في الأوعية التخفيفية؟

ج: يتكون MLI من 30-100 طبقة متناوبة من ورق الألومنيوم عالية الانعكاس (12-25 ميكرومتر سميكة) ومواد المسافة ذات التوصيل المنخفض (ورق زجاجي أو شبكة بوليستر، سميكة 0.05-0.15 ميكرومتر) ،مثبتة في حلقة الفراغ بين الأوعية الداخلية والخارجيةكل طبقة من الألواح تعكس 95-97٪ من الأشعة تحت الحمراء، ومع 30 + طبقات، يتم تقليل نقل الحرارة الإشعاعية المتبقية بنسبة 200-300 * مقارنة مع الفراغ العاري.التوصيل الحراري الفعّال لمصعد MLI مثبت بشكل صحيح في فراغ كبير (<10-3 mbar) هو 0.00005-0.0002 W / mK، وتحقيق معدلات الغليان من 0.05-0.1% / يوم لحاويات الغاز الطبيعي المسال الكبيرة و 0.3-1.0% / يوم لسفن نقل LH2 الأصغر.

س: ما هي استثناءات اختبار تأثير ASME وكيف تنطبق على سفن درجات الحرارة المنخفضة؟

ج: يقدم قسم ASME الثامن UG-20 ((f) والشكل UCS-66 إعفاءات من اختبار الأثر على أساس سمك المادة و MDMT:المواد الرقيقة (< 10 ملم) يمكن أن تكون معفاة من درجات حرارة منخفضة إلى -48 درجة مئوية لأن *درجة الحرارة المرجعية* (المشتقة من سمك)، قوة العائد، والجهد المطبق) أعلى من DBTT. ومع ذلك، بالنسبة للأوعية التي تعمل تحت -46 °C،الاستثناءات نادرًا ما تكون قابلة للتطبيق ✓ اختبار الأثر في MDMT إلزامي لمعظم السماكة ومستويات المواد.الحالة رقم 2216 تسمح بتقليل MDMT دون اختبار تأثير إذا كان تحليل ميكانيكا الكسر (باستخدام مخطط تقييم الفشل * حسب API 579-1/ASME FFS-1) يظهر تحمل عيب كافلكن هذا يتطلب تحليل هندسي متقدم وقبول تنظيمي.

العلامات:مفاعل الفولاذ المقاوم للصدأ,نظام المفاعل الكيميائي,المفاعل الكيميائي الصناعي