Guía de materiales para aplicaciones criogénicas y GNL - Conocimiento

Los sistemas criogénicos y de gas natural licuado (GNL) funcionan a temperaturas tan bajas como -196 grados (-321 grados F) - lo suficientemente frías como para hacer que el acero al carbono común sea quebradizo y peligroso. Seleccionar el material adecuado no es una preferencia; es un imperativo de seguridad. Los aceros inoxidables austeníticos y las aleaciones con alto contenido de níquel-mantienen una dureza excepcional a estas temperaturas extremas, lo que los convierte en los materiales elegidos en toda la cadena de valor del GNL: plantas de licuefacción, tanques de almacenamiento, tuberías criogénicas, terminales de regasificación y buques flotantes de GNL (FLNG).

Material Guide for LNG and Cryogenic Applications

Esta guía proporciona a los ingenieros, equipos de adquisiciones y gerentes de proyectos una referencia concisa para los grados de acero inoxidable y aleaciones de níquel más especificados en GNL y servicio criogénico - que cubre propiedades mecánicas clave, estándares aplicables y áreas de aplicación típicas.

Los aceros al carbono y ferríticos de baja-aleación experimentan una transición dúctil-a-frágil (DBT) cuando las temperaturas bajan. Por debajo del punto DBT -, que para el acero al carbono común puede llegar a 0 grados, - la energía de impacto cae bruscamente y el material puede fracturarse sin previo aviso. Este fenómeno es responsable de fracasos históricos catastróficos, incluido el desastre de la melaza de 1919, donde un gran tanque de acero se rompió en un clima frío, matando a 21 personas.

Los aceros inoxidables austeníticos contienen estructuras cristalinas cúbicas centradas en las caras-(FCC) que no presentan una transición dúctil-a-frágil. En realidad, su dureza mejora a medida que disminuye la temperatura, razón por la cual están exigidos por códigos como ASME B31.3 y EN 13480 para servicio criogénico.

304L (UNS S30403): El acero inoxidable criogénico más utilizado. La "L" indica bajo contenido de carbono (menor o igual a 0,03 %), lo que evita la sensibilización durante la soldadura - un requisito crítico para las tuberías y sistemas de almacenamiento de GNL soldados. La resistencia mínima a la tracción es de 485 MPa, con un valor de impacto Charpy que se mantiene por encima de 100 J a -196 grados.

316L (UNS S31603): Agrega entre un 2 % y un 3 % de molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión por picaduras y grietas, lo que lo convierte en la opción preferida para plataformas de GNL en alta mar, terminales costeras y cualquier entorno donde la exposición al cloruro sea una preocupación. El límite elástico típico es de 170 MPa como mínimo a temperatura ambiente y aumenta a temperaturas más bajas.

Grados 321(titanio-estabilizado) y347(niobio-estabilizado) están diseñados para servicios que combinan exposición criogénica con ciclos de temperatura elevada--, por ejemplo, intercambiadores de calor que oscilan entre temperaturas de licuefacción y temperaturas de proceso. Los elementos estabilizadores retienen el carbono, evitando la precipitación de carburo de cromo en los límites de los granos y preservando la resistencia a la corrosión en amplios rangos de temperatura.

Cuando las condiciones de corrosión son más agresivas - como el procesamiento de gases ácidos, servicios ácidos o agua de mar,-los componentes FLNG humedecidos - con alto contenido-de níquel ofrecen un rendimiento superior que los aceros inoxidables austeníticos por sí solos no pueden igualar.

Aleación 825Contiene entre un 38 y un 46 % de níquel, entre un 19,5 y un 23,5 % de cromo, entre un 2,5 y un 3,5 % de molibdeno y cobre, lo que proporciona una excelente resistencia a los ácidos oxidantes y reductores. Está ampliamente especificado para equipos de procesamiento de GNL expuestos a H₂S y CO₂, conforme a ASTM B424 (placa) y ASTM B425 (barra). Su número equivalente de resistencia a las picaduras (PREN) normalmente supera los 30, superando con creces el rendimiento del 316L estándar.

Con mayor o igual a 58 % de níquel, 20 a 23 % de cromo y 8 a 10 % de molibdeno,Aleación 625es el material estándar para bandas flexibles y revestimientos en cascos FLNG. Su resistencia a la tracción supera los 830 MPa en estado recocido y conserva su ductilidad total a -196 grados. La aleación 625 cumple con ASTM B443 (placa) y ASTM B446 (barra/varilla) y también está calificada según NACE MR0175/ISO 15156 para servicio amargo.

Aleación 600proporciona una combinación con alto contenido de níquel-cromo (mayor o igual a 72 % Ni, 14–17 % Cr) con excelente resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) en intercambiadores de calor criogénicos y cajas frías. Está especificado según ASTM B166 (barra) y ASTM B168 (placa) y sigue siendo un-material de referencia para intercambiadores de calor de-caja fría-y-tubos en trenes de separación de aire y licuefacción de GNL.

La siguiente tabla resume los grados especificados más comúnmente, su temperatura mínima de servicio, estándares rectores, contenido de níquel y aplicación principal.

Calificación	Temperatura mínima (grados)	Estándar clave	Ni contenido	Aplicación primaria
304L	−196 grados	ASTM A240/A182	8–12 %	Tanques de GNL, tuberías, estructurales.
316L	−196 grados	ASTM A240/A276	10–14 %	GNL marino, tuberías de proceso
321	−196 grados	ASTM A240/A182	9–12 %	Servicio dual de alta-temperatura + criogénico
347	−196 grados	ASTM A240/A182	9–13 %	Tubería crioestabilizada
Aleación 825	−196 grados	ASTM B424/B425	38–46 %	Servicio-agrio de GNL y gas ácido
Aleación 625	−196 grados	ASTM B443/B446	Mayor o igual al 58 %	Elevadores flexibles, FLNG
Aleación 600	−196 grados	ASTM B166/B168	Mayor o igual al 72 %	Intercambiadores de calor, cajas frías.
9 % Ni Acero	−196 grados	ASTM A553 Tipo I	9 %	Carcasa del tanque de almacenamiento de GNL

Tabla 1: Grados de acero inoxidable y aleaciones de níquel para aplicaciones criogénicas y de GNL.

Al especificar materiales para GNL o servicio criogénico, los ingenieros deben evaluar los siguientes factores:

Key Material Selection Criteria

Temperatura de diseño: Verifique que el grado seleccionado mantenga la energía de impacto Charpy adecuada (generalmente mayor o igual a 27 J según ASME) a la temperatura mínima de diseño.

Entorno corrosivo: los entornos ricos en cloruro-o con gas-ácido requieren grados de aleación-más altos, como 316L, aleación 825 o aleación 625.

Soldabilidad: los grados con bajo contenido de carbono ("L") o los grados estabilizados previenen la sensibilización. Todas las soldaduras a tope en servicio criogénico deben ser recocidas por solución-cuando sea práctico.

Los códigos aplicables: ASME VIII Div. 1, ASME B31.3 Capítulo IX (tuberías de baja-temperatura), EN 13458 (recipientes criogénicos estáticos) y el Código IGC (para buques de GNL) especifican los materiales permitidos.

Forma del producto: Las placas, tuberías, barras, accesorios y piezas forjadas deben cumplir con sus respectivas especificaciones ASTM/ASME SB/SA.

El acero inoxidable y las aleaciones de níquel aparecen en toda la cadena de valor del GNL:

Tanques de almacenamiento de GNL: Carcasas interiores de acero al níquel al 9 % (ASTM A553) o acero inoxidable 304L; estructuras de soporte y tuberías en 304L / 316L.

Tuberías y sistemas de tuberías criogénicos: Tubería cédula 10S a 80S en 304L / 316L según ASME B36.19; Accesorios según ASTM A403.

Intercambiadores de calor y cajas frías: tubos, cabezales y componentes de carcasa en 321, 347 o aleación 600, según el ciclo de temperatura.

Bombas, válvulas e instrumentación: Piezas fundidas en CF-3M (equivalente a 316L) o CF-8M; internos en Aleación 625 para válvulas criogénicas de alta presión.

Estructuras de FLNG y GNL marino: plataformas revestidas, elevadores flexibles y tuberías de refrigeración por aspersión-en aleación 625 o 316L.

ASTM A240 / ASME SA-240 - Placas, láminas y tiras de acero inoxidable

ASTM A276 / A479 / ASME SA-479 - Barras y perfiles de acero inoxidable

ASTM A182 / ASME SA-182 - Bridas y accesorios de acero inoxidable forjado

ASTM A403 / ASME SA-403 - Accesorios de tubería de acero inoxidable forjado

ASTM B424 / B443 / B166 - Placa de aleación de níquel (Aleación 825, 625, 600)

ASTM B425 / B446 / B166 - Barra de aleación de níquel (Aleación 825, 625, 600)

ASME B31.3 Capítulo IX - Diseño de tuberías criogénicas

ES 13458 - Recipientes a presión criogénicos estáticos

NACE MR0175 / ISO 15156 - Calificación de servicio-agrio

Cada decisión sobre el material debe validarse según la norma ASME, ASTM, EN o de la sociedad de clasificación aplicable y verificarse con datos de pruebas de impacto a la temperatura mínima de diseño. En caso de duda,consultar proveedor JN.