ภาชนะความดันอุณหภูมิต่ํา คืออะไร?

ตอบคําถามหลัก:กระปุกความดันอุณหภูมิต่ําคืออะไร และมันต้องการวัสดุและการปรับปรุงการออกแบบอย่างไร เพื่อให้ใช้งานได้อย่างปลอดภัย ต่ํากว่า -46 °C?เรือความดันอุณหภูมิต่ํา คือ เรือที่มีรหัสตามมาตรา 8 ของ ASME ที่ถูกออกแบบให้ใช้งานต่ํากว่า -46 °C (ขั้นต่ําที่เหล็กก๊าบอนเปลี่ยนเป็นความเปราะบาง)ต้องการวัสดุที่มีความแข็งแกร่งในอุณหภูมิต่ําที่ตรวจสอบความร้อนของโลหะที่ได้รับการออกแบบอย่างต่ําสุด (MDMT) กําหนดการเลือกวัสดุ: ต่ํากว่า -46 °C, โลหะคาร์บอนแกรนละเอียดแบบปกติ (SA-516 Gr.70N) กับการทดสอบการกระแทก Charpy V-notch (CVN) ตาม ASME ตอนที่ VIII UG-84; ต่ํากว่า -104 °C ใช้เหล็กนิเคิล 9% (SA-353) หรือเหล็กไร้ขัด austenitic (304L/316L) ต่ํากว่า -196 °C ใช้เหล็ก austenitic, อลูมิเนียม (5083) หรือเหล็ก Ni 9% เท่านั้นสําหรับ LNG (-162 °C)ออกซิเจนเหลว (-183°C), และบริการไอนิโตรเจนเหลว (-196 °C)

1หลักการออกแบบพื้นฐานสําหรับบริการอุณหภูมิต่ํา

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 deformationหลักการด้านโลหะและการออกแบบ 3 ประการควบคุมการทํางานอย่างปลอดภัย

• **การตรวจสอบความแข็งแรงต่อการกระแทกแบบ Charpy V-notch:**ASME ตอนที่ VIII UG-84 ต้องการการทดสอบการกระแทก CVN ที่หรือต่ํากว่า MDMT ตัวอย่างการทดสอบ (10 * 10 * 55 มม.พลังงานที่ดูดซึม (ในยูล) ต้องเกินค่าขั้นต่ําที่กําหนดขึ้นจากความหนาของวัสดุสําหรับ SA-516 Gr.70N ในอุณหภูมิ -46 °C ค่า CVN ขั้นต่ําคือ 18-27 J (ขึ้นอยู่กับความหนา) สําหรับเหล็ก 9% Ni (SA-353) ในอุณหภูมิ -196 °C ค่า CVN 40-70 J สามารถบรรลุได้เนื่องจากระยะออสเตนไตที่มั่นคง*การขยายด้านข้าง* (ขั้นต่ํา 0.38 มิลลิเมตร) และ *ลักษณะของหักตัด* (อย่างน้อย 70% สําหรับตัวอย่างขนาดใหญ่) ให้เกณฑ์การยอมรับที่สอง
• ** การควบคุมอุณหภูมิการเปลี่ยนจากกระชับเป็นกระชับ (DBTT):**โลหะ BCC (ผสมผสานศูนย์กลางตัว) โลหะคาร์บอนสแตนเลส สแตนเลสสแตนเลสต่ํา และเกรดโครมัมเฟอริทิก แสดง DBTT โดยรูปแบบการแตกเปลี่ยนจาก ductile (microvoid coalescence) เป็น brittle (cleavage)สแตนเลสคาร์บอน DBTT ประมาณ -20 °C ถึง -40 °C, ดังนั้นการใช้งานต่ํากว่า -46 ° C ต้องใช้วัสดุ austenitic (โครงสร้าง FCC, ไม่มี DBTT) หรือเหล็ก 9% Ni, ซึ่งการเพิ่มนีเคิลลด DBTT ต่ํากว่า -196 ° C.* 50% FATT (อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงการปรากฏของหัก) *, ในกรณีที่สังเกตเห็นการหักที่มีความยืดหยุ่น 50% และหักที่เปราะบาง 50% ต้องมีอุณหภูมิที่ต่ํากว่า MDMT อย่างน้อย 15-30 °C การปฏิบัติของเมล็ดละเอียด (ASTM E112, ขนาดเมล็ดหมายเลข5 หรือละเอียดกว่า) และการรักษาความร้อนปกติลด DBTT โดย 10-20 °C.
• ** การจัดการความเครียดทางความร้อนและการขยายความแตกต่าง:**ถังอุณหภูมิต่ําประสบการขยายความร้อนที่แตกต่างกันอย่างมากระหว่างถังภายในที่หนาวเย็นและเสื้อภายนอกที่อุณหภูมิแวดล้อมหรือรองรับสําหรับภาชนะภายในจากสแตนเลส 9% Ni ที่ -162 °C และภาชนะภายนอกจากสแตนเลสคาร์บอนที่ +20 °C, ความยาวการหดตัวของความแตกต่างประมาณ 2.7 mm / m, จําเป็นต้องมีการเชื่อมต่อที่ยืดหยุ่น (เบลล์หรือเชือกโลหะยืดหยุ่น) บนท่อทั้งหมด.* ASME ภาค VIII รายการ 3* เกี่ยวกับการออกแบบกระโปรงรองรับสําหรับภาชนะเย็น: การเชื่อมโยงกระโปรง-กระโปรงต้องมีส่วนเปลี่ยนความร้อนเพื่อจํากัดความเครียดทางความร้อนต่ํากว่าความแข็งแรงในการผลิตในอุณหภูมิโลหะ.02-0.04 W/mK ในล้าง) เติมพื้นที่วงกลมระหว่างภาชนะภายในและภายนอกสําหรับถังเก็บ LNG มีผนังสอง

2ประเภทหลักของภาชนะความดันอุณหภูมิต่ํา

ถังอุณหภูมิต่ําถูกแบ่งประเภทโดยก๊าซเหลวที่อยู่ในมัน, MDMT ที่ตรงกัน, และกลยุทธ์วัสดุประเภทการใช้งานหลักสามประเภท เป็นส่วนใหญ่ของอุปกรณ์อุตสาหกรรม:

• **เรือเก็บและแปรรูป LNG (MDMT -162°C):**ถังปูนล่างเรียบสองผนังนี้ (ความจุ 1,000-200,000 m3) เก็บก๊าซธรรมชาติเหลวในอุณหภูมิ -162 °Cภาชนะภายในเป็นเหล็กไน 9% (SA-353) ความหนาผนัง 10-25 มิลลิเมตรสําหรับภาชนะความดันที่ผลิตในโรงงานสูงถึง 500 m3, หรือสแตนเลส 304L สําหรับภาชนะกระบวนการขนาดเล็กภาชนะภายนอก (สแตนเลสคาร์บอน) เนื้อหาเปอร์ลิตแอนโดลิสเมนต์, ลดอัตราการต้มลง 0.05-0.1% ต่อวันสําหรับถังเก็บของขนาดใหญ่ASME ตอนที่ VIII ภาค 1 กับข้อจํากัด (ความต้องการเพิ่มเติมของอุณหภูมิเย็น) หรือ API 620 ข้อจํากัด Q กําหนดการออกแบบ, ด้วยการตรวจสอบ UT 100% ของสแตนเลสทั้งหมดและ PWHT การบรรเทาความเครียดที่ 550-585 °C (ต่ํากว่าอุณหภูมิ Ac1 เพื่ออนุรักษ์โครงสร้างเล็ก ๆ ของเหล็ก Ni 9%
• **ภาชนะการแปรรูปก๊าซไครโอเจน (MDMT -104 °C ถึง -196 °C):**ภาชนะ ASME เหล่านี้ใช้หน่วยแยกอากาศ (ASU), กล่องเย็นเอธีเลน, และโรงงานหล่อลื่นไนโตรเจน. สําหรับการใช้งานต่ําถึง - 104 ° C (ความเย็นเอธีเลน), เหล็ก Ni 3.5% (SA-203 Gr.D) หรือ 304L สแตนเลสสําหรับการใช้งาน -196 °C (ไนโตรเจนเหลว, ไอน้ําออกซิเจน, อาร์กอน) ใช้ 304L / 316L austenitic หรืออะลูมิเนียม 5083-O เนื่องจากโลหะ FCC เหล่านี้ไม่มี DBTT,ความร้อนเฉพาะเฉลี่ยของเหล็กไน 9% ที่ -162 °C คือ 0.45 kJ/kgK (เทียบกับ 0.50 ในสภาพแวดล้อม)และสัมพันธ์ *การหดตัวทางความร้อน* คือ 1.2*10−5 / °C จําเป็นต้องมีส่วนเปลี่ยนความร้อนที่จุดรองรับ
• **ภาชนะไฮโดรเจนและฮีเลียมเหลว (MDMT -253 °C ถึง -270 °C):ถังอุณหภูมิต่ําสุดเหล่านี้ใช้สแตนเลส austenitic 304L หรือ 316L สําหรับไฮโดรเจนเหลว (-253 °C) และสแตนเลส austenitic หรืออลูมิเนียมสําหรับเฮลียัมเหลว (-269 °C)การออกแบบแบบแอนโดลกันแอก (ภาชนะภายในที่มีการแอนโดลกันหลายชั้น), 30-100 ชั้น ภายในเปลือกภายนอกที่เคลือบด้วยระยะว่าง) ลดการรั่วไหลของความร้อนเป็น < 1 W / m2 สําหรับฮีเลียมเหลว,เนื่องจากความร้อนที่ซ่อนอยู่ของการปั๊มของเฮลียูมีเพียง 2.18 kJ/L (เทียบกับ 226 kJ/L สําหรับ LNG) อัตราการไหลออกของ 0.3-1.0% ต่อวันเป็นปกติสําหรับเรือขนส่ง 10-50 m3 ที่มีช่องอากาศอ่อนแอ

วัสดุของภาชนะความดันอุณหภูมิต่ํา แมตริกซ์การเปรียบเทียบ

คําถามที่พบบ่อย (FAQ)

คําถาม: อุณหภูมิขั้นต่ําในการออกแบบโลหะ (MDMT) คืออะไร และทําไมมันจึงสําคัญ?

A: MDMT คืออุณหภูมิโลหะต่ําสุดที่คาดว่าภาชนะจะทํางานภายใต้ความดัน รวมถึงการเริ่มต้น การปิด และสภาพผิดปกติASME ตอนที่ VIII ต้องการให้วัสดุบรรทุกความดันทั้งหมดได้รับการตรวจสอบความแข็งแกร่งการกระแทก Charpy V-notch ที่เท่ากับหรือต่ํากว่า MDMTการทํางานของเรือเหล็กคาร์บอนที่ต่ํากว่า MDMT ของมันเสี่ยงความแตกหักที่เป็นอุบัติเหตุMDMT จะถูกประทับบนป้ายชื่อของเรือ และไม่ควรเกินโดยไม่ผ่านการวิเคราะห์ทางวิศวกรรมตาม ASME ภาค VIII UG-20 ((f) หรือ Code Case 2216.

คําถาม: ทําไมเหล็กไนเคิล 9% จึงถูกใช้สําหรับเรือเก็บ LNG แทนเหล็กไร้ขัด?

A: สแตนเลส 9% Ni (SA-353) ให้ความสมดุลที่ดีที่สุด: มันมี DBTT ต่ํากว่า -196 ° C (เหมาะสําหรับ LNG ที่ -162 ° C), ความแข็งแรงสูงกว่าสแตนเลส austenitic (ผลิต 515 MPa เทียบกับ 205 MPa สําหรับ 304L,ทําให้ผนังบางและต้นทุนต่ํากว่า), และการหดตัวทางความร้อนที่ต่ํากว่าคุณภาพ austenitic (ลดความเครียดทางความร้อนที่รองรับ) การเพิ่ม 9% Ni ทําให้ความมั่นคงของช่วง austenite ที่ถูกเก็บไว้ระหว่างเมทริกซ์มาร์เทนไซต์ที่แข็งแรงให้ความแข็งแรงในอุณหภูมิต่ําสแตนเลสไน 9% ราคาประมาณ 3* สแตนเลสคาร์บอน แต่เพียง 0.5* สแตนเลส ทําให้มันเป็นทางเลือกที่ประหยัดสําหรับถังเก็บ LNG ใหญ่

คําถาม: การกันความร้อนหลายชั้น (MLI) คืออะไร และมันจะลดการรั่วไหลของความร้อนในภาชนะ cryogenic ได้อย่างไร?

A: MLI ประกอบด้วย 30-100 ชั้นที่สลับกันของแผ่นอัลลูมิเนียมที่มีความสะท้อนแสงสูง (หนา 12-25 μm) และวัสดุระยะที่มีความสามารถในการนําไฟต่ํา (กระดาษแก้วหรือเครือพอลิเอสเตอร์หนา 0.05-0.15 mm)ติดตั้งในวงแหวนว่างระหว่างภาชนะภายในและภายนอกแต่ละชั้นแผ่นสะท้อนแสงอินฟราเรด 95-97% และมี 30+ ชั้น การถ่ายทอดความร้อนจากการรังสีที่เหลือลดลง 200-300 * เมื่อเทียบกับว่างเปล่าความสามารถในการนําความร้อนที่มีประสิทธิภาพของ MLI ที่ติดตั้งอย่างถูกต้องในระดับความว่างสูง (< 10−3 mbar) คือ 00.00005-0.0002 W/mK โดยสามารถบรรลุอัตราการไหลออกของ 0.05-0.1%/วันสําหรับถัง LNG ใหญ่และ 0.3-1.0%/วันสําหรับเรือขนส่ง LH2 เล็ก ๆ น้อย ๆ

คําถาม: ข้อยกเว้นในการทดสอบการกระแทกของ ASME คืออะไร และมันใช้ได้อย่างไรกับภาชนะอุณหภูมิต่ํา?

A: ข้อความของ ASME ตอนที่ VIII UG-20 (f) และรูป UCS-66 ให้การยกเว้นการทดสอบการกระแทกที่พัฒนาขึ้นจากความหนาของวัสดุและ MDMT:วัสดุบาง (< 10 มม) สามารถได้รับการยกเว้นในอุณหภูมิต่ําถึง -48 °C เนื่องจาก *อุณหภูมิมาตรฐาน* (มาจากความหนา), ความแข็งแรงการออกกําลัง, และความเครียดที่ใช้) มากกว่า DBTT.การทดสอบการกระแทกที่ MDMT เป็นความจํากัดสําหรับความหนาและประเภทวัสดุส่วนใหญ่.รหัสกรณี 2216 ยอมให้ลด MDMT โดยไม่ต้องทดสอบการกระแทก หากการวิเคราะห์เครื่องกลการหัก (ใช้แผนภูมิการประเมินความล้มเหลว* ตาม API 579-1/ASME FFS-1) แสดงให้เห็นถึงความอดทนต่อความบกพร่องที่เพียงพอแต่มันต้องมีการวิเคราะห์วิศวกรรมที่ก้าวหน้า และการยอมรับของกฎหมาย

แท็ก:ระบบปฏิกิริยาเหล็กไร้ขัด,ระบบปฏิกิริยาเคมี,ระบบปฏิกิริยาเคมีอุตสาหกรรม