ظرف فشار دمای پایین چیست؟ طراحی، مواد و کاربرد

جواب دادن به سوال اصلي:ظرف فشار دمای پایین چیست و برای عملکرد ایمن در زیر -46 درجه سانتیگراد به چه مواد و تغییرات طراحی نیاز دارد؟یک ظرف فشار دمای پایین یک ظرف با کد بخش VIII ASME است که برای استفاده در زیر -46 °C (پایینی که فولاد کربن به رفتار شکننده می پردازد) طراحی شده است.که نیاز به مواد با مقاومت ثابت در دمای پایین دارندحداقل دمای طراحی فلز (MDMT) انتخاب مواد را تعیین می کند: زیر -46 °C، فولاد کربن دانه نازک استاندارد (SA-516 Gr.70N) با آزمایش ضربه Charpy V-notch (CVN) بر اساس بخش VIII ASME UG-84 مورد نیاز است.زیر -104°C، از فولاد نیکل 9٪ (SA-353) یا فولاد ضد زنگ austenitic (304L / 316L) استفاده می شود. زیر -196°C، تنها فولاد austenitic، آلومینیوم (5083) یا فولاد 9٪ Ni برای LNG (-162°C) مناسب است.اکسیژن مایع (-183°C)، و سرویس نیتروژن مایع (-196 °C).

1اصول اصلی طراحی برای خدمات دمای پایین

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 deformationسه اصل متالورژیک و طراحی، عملیات ایمن را کنترل می کنند:

• **بررسي سختي ضربه در درجه V Charpy:**بخش VIII ASME UG-84 آزمایشات ضربه CVN را در سطح MDMT یا پایین تر از آن انجام می دهد. نمونه آزمایش (10 * 10 * 55 میلی متر با 2 میلی متر V-notch، به ASTM E23 ماشینکاری شده) با یک چکش آویزان ضربه می زند.انرژی جذب شده (در ژول) باید از حداقل مقدار مشخص شده بر اساس ضخامت مواد بیشتر باشد.برای SA-516 Gr.70N در -46 ° C ، حداقل CVN 18-27 J است (بسته به ضخامت). برای فولاد 9٪ Ni (SA-353) در -196 ° C ، مقادیر CVN 40-70 J به دلیل فاز استیستنیت پایدار قابل دستیابی است.*افزایش جانبی* (حداقل 0.38 میلی متر) و * ظاهر شکستگی برش* (حداقل 70٪ برای نمونه های کامل) معیارهای پذیرش ثانویه را ارائه می دهند.
• **کنترل دمای انتقال دوکتیل به شکننده (DBTT):**فلزات BCC (بدن محور مکعب) ٪ فولاد کربن، فولاد آلاینده کم و درجه کروم فرریت ٪ نشان دهنده DBTT است که در آن حالت شکستگی از انعطاف پذیر (تلاش میکروویید) به شکننده (شکاف) تغییر می کند.DBTT فولاد کربن حدود -20°C تا -40°C است.، بنابراین سرویس زیر -46 ° C نیاز به مواد austenitic (ساختاری FCC، بدون DBTT) یا فولاد 9٪ Ni دارد، که اضافه کردن نیکل DBTT را به زیر -196 ° C کاهش می دهد.*50٪ FATT (درجات انتقال ظاهر شکستگی) *، که در آن 50٪ شکستگی انعطاف پذیر و 50٪ شکستگی شکننده مشاهده می شود، باید حداقل 15-30 ° C زیر MDMT باشد.5 و یا بهتر) و درمان گرما عادی DBTT را با 10-20 °C کاهش می دهد..
• ** مدیریت فشار حرارتی و گسترش تفاوتی:**ظرف های با دمای پایین، گسترش حرارتی متغیر شدید بین ظرف داخلی سرد و ژاکت یا پشتیبانی های بیرونی با دمای محیط را تجربه می کنند.برای یک ظرف داخلی از فولاد 9٪ نیل در -162 °C و یک ظرف بیرونی از فولاد کربن در +20 °C، انقباض تفاوتی تقریباً 2.7 میلی متر طول دارد و نیاز به اتصال انعطاف پذیر (بلو یا لوله های فلزی انعطاف پذیر) در تمام لوله ها دارد.*ASME بخش هشتم، افزونه 3* به طراحی کمربند های حمایتی برای ظروف سرد اشاره دارد: اتصال کمر به پوسته باید شامل یک بخش انتقال حرارتی باشد تا فشار حرارتی را در دمای فلز به زیر مقاومت کششی محدود کند..02-0.04 W/mK در خلاء) فضای حلقه ای را بین ظروف داخلی و خارجی برای مخازن ذخیره سازی LNG دو دیواره ای پر می کند.

2انواع اصلی ظروف فشار دمای پایین

ظروف با دمای پایین بر اساس گاز مایع موجود در آنها، MDMT مربوطه و استراتژی مواد طبقه بندی می شوند.سه دسته اصلی کاربرد اکثریت تاسیسات صنعتی را تشکیل می دهند:

• **بحرهای ذخیره سازی و پردازش LNG (MDMT -162°C):**این مخازن دو دیواره ای (۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰۰ متر مکعب ظرفیت) گاز طبیعی مایع را در دمای -۱۶۲ درجه سانتیگراد ذخیره می کنند.ظرف داخلی از فولاد 9٪ نی (SA-353) با ضخامت دیواره 10-25 میلی متر برای ظرف های تحت فشار تا 500 m3 است، یا فولاد ضد زنگ 304L برای ظروف فرآیند کوچکتر. ظروف بیرونی (فولاد کربن) حاوی عایق خلاء پرلیت است که میزان جوش را برای مخازن بزرگ ذخیره سازی به 0.05-0.1٪ در روز کاهش می دهد.بخش VIII ASME بخش 1 با ضمیمه (تطلبات اضافی دمای سرد) یا API 620 ضمیمه Q طراحی را تنظیم می کند، با بررسی UT 100٪ از تمام جوش ها و PWHT تخفیف استرس در 550-585 ° C (در زیر دمای Ac1 برای حفظ میکروساخت سخت 9٪ Ni فولاد).
• **حاویه های پردازش گاز کریوجنیک (MDMT -104°C تا -196°C):**این ظروف ASME برای واحد های جداسازی هوا (ASU) ، جعبه های سرد اتیلن و کارخانه های مایع سازی نیتروژن استفاده می شوند.D) یا فولاد ضد زنگ 304L مشخص شده استبرای سرویس در درجه حرارت -196 °C (نیتروژن مایع، اکسیژن، آرگون) ، کاملا austenitic 304L / 316L یا آلومینیوم 5083-O استفاده می شود، زیرا این فلزات FCC DBTT ندارند.,6-12 m3 حجم) جایگزین مبادلات پوسته و لوله برای فشرده سازی می شوند. * میانگین گرما مشخص* فولاد 9٪ Ni در -162 ° C 0.45 kJ / kgK (در مقابل 0.50 در محیط) است.و ضریب انقباض حرارتی 1 است.2*10−5 /°C، نیاز به بخش های انتقال حرارتی در نقاط پشتیبانی.
• **حاویه های هیدروژن مایع و هلیوم (MDMT -253°C تا -270°C):این ظروف با دمای بسیار پایین از فولاد ضد زنگ austenitic 304L یا 316L برای هیدروژن مایع (-253 ° C) و فولاد austenitic یا آلومینیوم برای هلیوم مایع (-269 ° C) استفاده می کنند.طراحی عایق خلاء (حاویه داخلی با عایق چند لایه ای)برای هلیوم مایع، *سوپر ایزولاسیون* به دست آوردن جریان حرارتی 0.5-2.0 W/m2 ضروری است.چون گرما پنهان تبخیر هلیوم فقط 2.18 kJ/L (در مقابل 226 kJ/L برای LNG). نرخ جوش 0.3-1.0% در روز برای کشتی های حمل و نقل 10-50 m3 با تهویه فعال است.

ماتریس مقایسه مواد ظرف فشار دمای پایین

سوالات متداول (FAQ)

سوال: حداقل دمای طراحی فلز (MDMT) چیست و چرا بسیار مهم است؟

ج: MDMT پایین ترین دمای فلزی است که در آن انتظار می رود ظرف تحت فشار کار کند، از جمله راه اندازی، خاموش کردن و شرایط غیرطبیعی.بخش VIII ASME مستلزم این است که تمام مواد تحت فشار دارای مقاومت ضربه Charpy V-notch در سطح یا زیر MDMT باشند.. کار کردن یک ظرف فولاد کربن در زیر MDMT خطر شکست شکننده فاجعه بار - شکستگی گسترش در سرعت نزدیک به صوتی از طریق دیوار بدون تغییر پلاستیکی قبلی.MDMT بر روی صفحه نام کشتی چاپ شده و نباید بدون تجزیه و تحلیل مهندسی بر اساس بخش VIII ASME UG-20 ((f) یا کد مورد 2216 تجاوز شود..

س: چرا فولاد ۹٪ نیکل برای کشتی های ذخیره سازی LNG به جای فولاد ضد زنگ استفاده می شود؟

A: فولاد 9٪ Ni (SA-353) تعادل مطلوبی را فراهم می کند: DBTT زیر -196 ° C (برای LNG در -162 ° C مناسب) ، قدرت بالاتر از فولاد ضد زنگ austenitic (515 MPa در مقابل 205 MPa برای 304L) ،اجازه می دهد دیواره های نازک تر و هزینه های پایین تر)، و انقباض حرارتی پایین تر از انواع آستنیت (کاهش استرس حرارتی در پشتیبانی). اضافه کردن 9٪ Ni فاز آستنیت نگه داشته شده را بین ماتریس مارتنسیت تمپر شده پایدار می کند ،ارائه مقاومت در دمای پایین.9٪ از فولاد نیل تقریباً 3٪ فولاد کربن و تنها 0.5٪ فولاد ضد زنگ را هزینه می کند ، و این باعث می شود که گزینه اقتصادی برای مخازن بزرگ ذخیره سازی LNG باشد.

سوال: عایق چند لایه ای (MLI) چیست و چگونه از آن برای کاهش نشت گرما در ظروف کریوجنیک استفاده می شود؟

A: MLI شامل 30 تا 100 لایه متناوب از ورق آلومینیوم بسیار بازتاب دهنده (12-25 μm ضخامت) و مواد فاصله رسان کم رسانایی (کاغذ شیشه ای یا شبکه پلی استر، ضخامت 0.05 تا 0.15 میلی متر) است.نصب شده در حلقه خلاء بین ظرف های داخلی و خارجیهر لایه فولیک 95 تا 97 درصد از اشعه مادون قرمز را منعکس می کند و با 30+ لایه، انتقال گرما تابش باقیمانده در مقایسه با خلاء خالی 200 تا 300 کاهش می یابد.رسانایی حرارتی موثر MLI به درستی نصب شده در خلاء بالا (<10-3 mbar) 0 است.00005-0.0002 W/mK، به دست آوردن نرخ های جوش 0.05-0.1%/روز برای مخازن بزرگ LNG و 0.3-1.0%/روز برای کشتی های کوچک تر LH2.

سوال: معافیت از آزمایشات ضربه ASME چیست و چگونه برای ظروف دمای پایین اعمال می شود؟

A: بخش VIII ASME UG-20 ((f) و شکل UCS-66 معافیت از آزمایش ضربه بر اساس ضخامت مواد و MDMT را ارائه می دهند:مواد نازک (< 10 میلی متر) ممکن است در دمای پایین تر از -48 °C معاف شوند زیرا دمای مرجع (از ضخامت مشتق می شود)، قدرت کششی و فشار اعمال شده) بالاتر از DBTT است.معافیت ها به ندرت اعمال می شوند ✓ آزمایش ضربه در MDMT برای اکثر ضخامت ها و انواع مواد اجباری است.کد مورد 2216 اجازه کاهش MDMT را بدون آزمایش ضربه می دهد اگر تجزیه و تحلیل مکانیک شکستگی (با استفاده از * نمودار ارزیابی شکست* مطابق با API 579-1/ASME FFS-1) نشان دهد که تحمل نقص کافی است، اما این نیاز به تجزیه و تحلیل مهندسی پیشرفته و پذیرش قانونی دارد.

برچسب ها:راکتور فولاد ضد زنگ,سیستم راکتور شیمیایی,راکتور شیمیایی صنعتی