O que é um recipiente de pressão de baixa temperatura?

Respondendo à questão central:O que é um recipiente de pressão a baixa temperatura e que materiais e modificações de projeto é necessário para uma operação segura abaixo de -46°C?Um recipiente de pressão a baixa temperatura é um recipiente codificado na secção VIII da ASME concebido para ser utilizado a menos de -46°C (o limiar de transição do aço carbono para o comportamento frágil),Requerendo materiais com resistência verificada a baixas temperaturasA temperatura mínima de projecto do metal (MDMT) determina a selecção do material: abaixo de -46°C, aço carbono de grão fino normalizado (SA-516 Gr.70N) com ensaio de impacto Charpy V-notch (CVN) é exigido de acordo com a secção VIII da ASME UG-84Para a produção de gás natural líquido (GNL) são adequados apenas aços austeníticos, de alumínio (5083) ou de níquel (Ni) de 9% abaixo de -104°C.oxigénio líquido (-183°C), e nitrogénio líquido (-196°C).

1Princípios básicos de conceção para serviços de baixa temperatura

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 deformationTrês princípios metalúrgicos e de concepção regem a operação segura:

• ** Verificação da dureza de impacto de graus Charpy V:**A secção VIII da norma ASME UG-84 impõe um ensaio de impacto CVN no ou abaixo do MDMT. O espécime de ensaio (10*10*55 mm com uma entalhe em V de 2 mm, trabalhado em conformidade com a norma ASTM E23) é atingido por um martelo de pêndulo;A energia absorvida (em joules) deve exceder o valor mínimo especificado com base na espessura do material.Para SA-516 Gr.70N a -46°C, o CVN mínimo é de 18-27 J (dependendo da espessura).A expansão lateral (mínimo 0).38 mm) e * aparência de fratura de cisalhamento* (mínimo 70% para amostras de tamanho completo) fornecem critérios de aceitação secundários.
• **Control de temperatura de transição do dúctil para o frágil (DBTT):**Os metais BCC (cubicos centrados no corpo) “aço carbono, aço de baixa liga e cromo ferrítico” apresentam um DBTT em que o modo de fratura muda de dúctil (coalescência microvoide) para quebradiço (clivagem).A DBTT de aço carbono é aproximadamente de -20°C a -40°C, portanto, o serviço abaixo de -46 °C requer materiais austeníticos (estrutura FCC, sem DBTT) ou aço 9% Ni, cuja adição de níquel reduz o DBTT para abaixo de -196 °C.A *50% FATT (temperatura de transição da aparência da fratura) *, quando se observa uma fractura de 50% dúctil e de 50% frágil, deve estar, pelo menos, a 15-30°C abaixo da MDMT.5 ou mais finos) e o tratamento térmico normalizador reduzem o DBTT em 10-20°C..
• ** Gestão da tensão térmica e da expansão diferencial:**Os recipientes de baixa temperatura experimentam uma expansão térmica diferencial extrema entre o recipiente interno frio e a jaqueta ou suportes externos de temperatura ambiente.Para um recipiente interno de aço de 9% de níquel a -162°C e um recipiente externo de aço carbono a +20°C, a contração diferencial é de aproximadamente 2,7 mm/m de comprimento, exigindo ligações flexíveis (bolhas ou mangueiras metálicas flexíveis) em todas as tubulações.* A secção VIII do apêndice 3* da ASME aborda a concepção das saias de suporte para recipientes frios: a junção entre a saia e a concha deve incluir uma secção de transição térmica para limitar a tensão térmica a uma resistência inferior à resistência de rendimento à temperatura do metal..02-0,04 W/mK no vácuo) preenche o espaço anular entre os recipientes interno e externo dos tanques de armazenamento de GNL de parede dupla.

2Principais tipos de recipientes de pressão a baixa temperatura

Os recipientes de baixa temperatura são categorizados pelo gás liquefeito que contêm, o MDMT correspondente e a estratégia do material.Três grandes categorias de aplicações representam a maioria das instalações industriais:

• ** Navios de armazenamento e processamento de GNL (MDMT -162°C):**Estes reservatórios de parede dupla e fundo plano (capacidade de 1.000-200.000 m3) armazenam gás natural liquefeito a -162 °C.O recipiente interior é de aço 9% Ni (SA-353) com espessuras de parede de 10-25 mm para recipientes a pressão fabricados em oficina até 500 m3O recipiente exterior (aço carbono) contém isolamento de vácuo de perlita, reduzindo a taxa de evaporação para 0,05-0,1% por dia para grandes tanques de armazenamento.ASME Secção VIII Divisão 1 com Apêndice (requisitos suplementares de temperatura fria) ou API 620 Apêndice Q rege o projeto, com exame UT de 100% de todas as soldas e PWHT de alívio de tensão a 550-585°C (abaixo da temperatura Ac1 para preservar a microstrutura temperada do aço 9% Ni).
• **Vasos de processamento de gás criogénico (MDMT -104°C a -196°C):**Estes recipientes ASME servem unidades de separação de ar (ASU), caixas frias de etileno e plantas de liquefação de nitrogênio.D) ou 304L de aço inoxidávelPara o serviço a -196 °C (azoto líquido, oxigénio, argônio), é utilizado 304L/316L ou alumínio 5083-O totalmente austenítico, uma vez que estes metais FCC não têm DBTT.,O calor específico médio* do aço 9% Ni a -162°C é de 0,45 kJ/kgK (contra 0,50 em ambiente),e o coeficiente de contração térmica é 1.2*10−5/°C, exigindo secções de transição térmica nos pontos de apoio.
• **Recipientes de hidrogénio e hélio líquidos (MDMT -253°C a -270°C):Esses recipientes de temperatura ultra-baixa usam aço inoxidável austenítico 304L ou 316L para hidrogênio líquido (-253°C) e aço ou alumínio austenítico para hélio líquido (-269°C).O projeto isolado a vácuo (recipiente interno com isolamento multicamadas MLI de folha de alumínio alternada e papel de vidroPara o hélio líquido, é essencial uma superisolação de 0,5-2,0 W/m2 de fluxo térmico.Como o calor latente da vaporização do hélio é apenas 2As taxas de evaporação de 0,3-1,0% por dia são típicas para embarcações de transporte de 10 a 50 m3 com ventilação de alívio ativo.

Matriz de comparação de materiais para recipientes de baixa temperatura e pressão

Perguntas Frequentes (FAQ)

P: Qual é a temperatura mínima de projeto do metal (MDMT) e por que é crítica?

R: A MDMT é a temperatura do metal mais baixa na qual se espera que o recipiente funcione sob pressão, incluindo arranque, desligamento e condições anormais.A secção VIII da ASME exige que todos os materiais suportadores de pressão tenham a resistência ao impacto Charpy V-notch verificada em ou abaixo do MDMTO funcionamento de um recipiente de aço carbono abaixo do seu MDMT corre o risco de uma catastrófica fratura frágil - uma rachadura que se propaga a velocidade quase sónica através da parede sem deformação plástica prévia.O MDMT é estampado na placa de identificação do navio e não pode ser excedido sem uma análise de engenharia de acordo com a secção VIII da ASME UG-20 (f) ou o código 2216..

P: Por que é usado aço de níquel 9% para navios de armazenamento de GNL em vez de aço inoxidável?

A: O aço 9% Ni (SA-353) proporciona um equilíbrio ideal: tem um DBTT inferior a -196°C (adequado para GNL a -162°C), maior resistência do que o aço inoxidável austenítico (rendimento 515 MPa vs 205 MPa para 304L,permitindo paredes mais finas e menor custo)A adição de 9% de Ni estabiliza a fase de austenita retida entre a matriz de martensita temperada,fornecendo resistência a baixas temperaturasO aço de níquel de 9% custa aproximadamente 3% de aço carbono, mas apenas 0,5% de aço inoxidável, tornando-o a escolha económica para grandes tanques de armazenamento de GNL.

P: O que é o isolamento multicamadas (MLI) e como ele reduz o vazamento de calor em vasos criogênicos?

A: O MLI consiste em 30-100 camadas alternadas de folha de alumínio altamente refletora (de 12 a 25 μm de espessura) e material de separação de baixa condutividade (papel de vidro ou rede de poliéster, de 0,05-0,15 mm de espessura),Instalado no anel de vácuo entre os recipientes internos e externosCada camada de folha reflete 95-97% da radiação infravermelha e, com mais de 30 camadas, a transferência de calor radiativo residual é reduzida em 200-300* em comparação com o vácuo nu.A condutividade térmica efetiva de um MLI devidamente instalado em vácuo elevado (< 10−3 mbar) é de 0.00005-0.0002 W/mK, atingindo taxas de evaporação de 0,05-0,1%/dia para grandes tanques de GNL e 0,3-1,0%/dia para embarcações de transporte de LH2 menores.

Q: Quais são as isenções dos ensaios de impacto ASME e como se aplicam a recipientes de baixa temperatura?

A: A secção VIII da ASME UG-20 (f) e a figura UCS-66 fornecem isenções de ensaio de impacto com base na espessura do material e no MDMT:Os materiais finos (< 10 mm) podem ser isentos a temperaturas tão baixas como -48°C, porque a temperatura de referência (derivada da espessura)No entanto, para embarcações que operam a menos de -46°C, a temperatura máxima máxima de um recipiente é de -50°C.Excepções raramente aplicáveis  Os ensaios de impacto no MDMT são obrigatórios para a maioria das espessuras e dos tipos de materiais.Código Caso 2216 permite reduzir a MDMT sem ensaio de impacto se uma análise da mecânica da fratura (usando o diagrama de avaliação de falhas* de acordo com a API 579-1/ASME FFS-1) demonstrar uma tolerância adequada a falhas, mas isso requer uma análise avançada de engenharia e aceitação regulatória.

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