Что такое низкотемпературный сосуд?

Отвечая на главный вопрос:Что такое низкотемпературный сосуд под давлением и какие материалы и модификации конструкции требуются для безопасной работы ниже -46°C?Низкотемпературный сосуд под давлением - это сосуд, кодированный в разделе VIII ASME, предназначенный для эксплуатации ниже -46 °C (порог, при котором углеродистая сталь переходит к хрупкому поведению),требующие материалов с проверенной низкотемпературной прочностью* Минимальная конструкционная температура металла (MDMT) * определяет выбор материала: ниже -46°C, нормализованная тонкозерновая углеродистая сталь (SA-516 Gr.70N) с Charpy V-notch (CVN) испытание на столкновение по ASME раздел VIII UG-84 требуется; ниже -104°C используется 9% никелевая сталь (SA-353) или аустенитная нержавеющая сталь (304L/316L); ниже -196°C для СПГ (-162°C) подходят только аустенитные стали, алюминий (5083) или 9% Ни сталь,жидкий кислород (-183°C), и жидкий азот (-196°C).

1Основные принципы проектирования для низкотемпературной службы

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 deformationТри металлургических и конструкторских принципа регулируют безопасную эксплуатацию:

• ** Проверка прочности при ударе с видоизменением Charpy V:**Раздел VIII UG-84 ASME требует испытания CVN на столкновении на МДМТ или ниже. Испытательный образец (10*10*55 мм с 2 мм V-защелком, обработанный по ASTM E23) удаляется маятником маятника;поглощенная энергия (в джоулях) должна превышать минимальное значение, определяемое на основе толщины материалаДля SA-516 Gr.70N при -46°C минимальный CVN составляет 18-27 J (в зависимости от толщины).*боровое расширение* (минимум 0.38 мм) и *появление перелома срезки* (не менее 70% для образцов полного размера) обеспечивают вторичные критерии принятия.
• **Управление температурой перехода от пластиковой до хрупкой (DBTT):**BCC (body-centered cubic) металлы √ углеродистая сталь, низколегированная сталь и хром-феритические классы √ демонстрируют DBTT, где режим перелома переходит от пластичного (микроводообразного слияния) к хрупкому (расщеплению).Углеродистая сталь DBTT приблизительно от -20°C до -40°C, поэтому для эксплуатации ниже -46°C требуются либо аустенитные материалы (структура FCC, отсутствие DBTT), либо сталь на 9% Ни, добавление никеля которой снижает DBTT до уровня ниже -196°C.*50% FATT (температура перехода при появлении перелома) *, где наблюдается 50-процентный пластичный и 50-процентный хрупкий перелом, должен быть не менее 15-30°C ниже MDMT.5 и более тонкие) и нормализация тепловой обработки снижают DBTT на 10-20°C.
• **Управление тепловым напряжением и дифференциальным расширением:**Посуды с низкой температурой испытывают экстремальное дифференциальное тепловое расширение между холодным внутренним сосудом и внешней одеждой или опорами при температуре окружающей среды.Для внутренней емкости из 9% Ни стали при температуре -162 °C и внешней емкости из углеродистой стали при температуре +20 °C, дифференциальное сокращение составляет примерно 2,7 мм/м длины, что требует гибких соединений (подвесов или гибких металлических шлангов) на всех трубах.* Раздел VIII приложения 3* к ASME посвящен проектированию подпорных пластов для холодовых сосудов: соединительное устройство "полоска-кожура" должно включать в себя тепловую переходную секцию, чтобы ограничить тепловое напряжение ниже прочности нагрева при температуре металла..02-0,04 W/mK в вакууме) заполняет кольцевое пространство между внутренними и внешними сосудами для двухстенных резервуаров для хранения СПГ.

2Основные типы низкотемпературных сосудов под давлением

Низкотемпературные сосуды классифицируются по содержанию сжиженного газа, соответствующему МДМТ и стратегии материала.Три основные категории применения представляют большинство промышленных установок:

• **Корабли для хранения и переработки СПГ (MDMT -162°C):**Эти двустворчатые танки с плоским дном (1000-200000 м3) хранят сжиженный природный газ при температуре -162 °C.Внутренняя емкость состоит из 9% Ни стали (SA-353) с толщиной стенки 10-25 мм для цеховых сосудов под давлением до 500 м3Внешний сосуд (углеродистая сталь) содержит вакуумную изоляцию перлита, снижающую скорость отваривания до 0,05-0,1% в день для больших резервуаров хранения.ASME раздел VIII раздел 1 с приложением (дополнительные требования к холодной температуре) или API 620 Приложение Q регулирует конструкцию, с 100% UT-исследованием всех свар и PWHT для снятия напряжения при 550-585°C (ниже температуры Ac1 для сохранения терпеливой микроструктуры 9% Ни стали).
• **Склад для криогенной обработки газа (MDMT -104°C - -196°C):**Для эксплуатации до -104°C (этиленовое охлаждение), 3,5% Ни сталь (SA-203 Gr.D) или 304L из нержавеющей сталиДля работы при -196°C (жидкий азот, кислород, аргон) используется полностью аустенитный 304L/316L или алюминий 5083-O, так как эти металлы FCC не имеют DBTT.,Средняя удельная теплота 9% Ни стали при -162°C составляет 0,45 кДж/кгК (против 0,50 при окружающей среде).и коэффициент теплового сокращения равен 1.2*10−5 /°C, требующие тепловых переходных секций в точках опоры.
• **Упаковки с жидким водородом и гелием (MDMT от -253°C до -270°C):Эти сосуды с очень низкой температурой используют аустенитную нержавеющую сталь 304L или 316L для жидкого водорода (-253 ° C) и аустенитную сталь или алюминий для жидкого гелия (-269 ° C).Вакуумно-изолированная конструкция (внутренняя емкость с многослойной изоляцией) MLI из чередующихся алюминиевой фольги и стеклянной бумагиДля жидкого гелия необходима *суперизоляция* для достижения теплового потока 0,5-2,0 Вт/м2.поскольку скрытое тепло испарения гелия составляет всего 2.18 кДж/л (против 226 кДж/л для СПГ).

Сравнительная матрица материалов низкотемпературных сосудов давления

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос: Что такое минимальная конструктивная температура металла (MDMT) и почему она имеет решающее значение?

О: MDMT - это самая низкая температура металла, при которой сосуд должен работать под давлением, включая запуск, остановку и аномальные условия.Раздел VIII ASME требует, чтобы все материалы, несущие давление, имели проверенную прочность Charpy V-notch на уровне MDMT или нижеРабота с сосудом из углеродистой стали ниже MDMT рискует катастрофическим ломким переломом - трещиной, распространяющейся с почти звуковой скоростью через стенку без предварительного пластического деформации.МДМТ помечается на табличке с наименованием судна и не может быть превышена без технического анализа по разделу VIII ASME UG-20 ((f) или коду 2216..

Вопрос: Почему для судов хранения СПГ вместо нержавеющей стали используется 9% никелевая сталь?

A: 9% Ни сталь (SA-353) обеспечивает оптимальный баланс: она имеет DBTT ниже -196 ° C (подходит для СПГ при -162 ° C), более высокая прочность, чем аустенитная нержавеющая сталь (доходность 515 MPa против 205 MPa для 304L,позволяет более тонкие стены и более низкие затраты), и более низкое тепловое сокращение, чем аустенитные сорта (снижение теплового напряжения на опорах).обеспечивает низкотемпературную прочность. 9% Ни сталь стоит примерно 3% углеродистой стали, но только 0,5% нержавеющей стали, что делает ее экономичным выбором для больших резервуаров для хранения СПГ.

Вопрос: Что такое многослойная изоляция (MLI) и как она уменьшает утечку тепла в криогенных сосудах?

A: MLI состоит из 30-100 чередующихся слоев высокоотражающей алюминиевой фольги (толщиной 12-25 мкм) и низкопроводящего распределительного материала (стеклянная бумага или полиэфирная сетка толщиной 0,05 - 0,15 мм),устанавливается в вакуумном кольце между внутренними и внешними сосудамиКаждый слой фольги отражает 95-97% инфракрасного излучения, а с 30+ слоями остаточная передача радиационного тепла уменьшается на 200-300* по сравнению с голой вакуумом.Эффективная теплопроводность правильно установленного MLI в условиях высокого вакуума (<10−3 mbar) равна 00,00005-0,0002 W/mK, достигая скорости отваривания 0,05-0,1%/день для больших танков СПГ и 0,3-1,0%/день для меньших транспортных судов LH2.

Вопрос: Каковы исключения из испытаний на удар ASME и как они применяются к низкотемпературным сосудам?

A: В разделе VIII ASME UG-20 (f) и на рисунке UCS-66 предусмотрены исключения из испытаний на удар на основе толщины материала и MDMT:Тонкие материалы (< 10 мм) могут быть освобождены при температуре до -48°C, поскольку *референтная температура* (приводится из толщины)Однако для сосудов, работающих ниже -46°C,исключения редко применяются ≈ испытания на ударах на МДМТ обязательны для большинства толщин и материалов.Код Случай 2216 позволяет уменьшить MDMT без испытаний на удар, если анализ механики перелома (с использованием диаграммы оценки неисправности* по API 579-1/ASME FFS-1) показывает адекватную допустимость ошибок, но для этого требуется продвинутый инженерный анализ и одобрение регулирующих органов.

Тэги:Реактор из нержавеющей стали,Система химического реактора,Промышленный химический реактор