Selección de materiales para plantas de GNL: superar la fragilidad-de baja temperatura

Por qué la fragilidad-de las bajas temperaturas es el desafío decisivo de las plantas de GNL

El gas natural licuado se almacena y transporta a -162 grados (-260 grados F) - el punto de ebullición del metano a presión atmosférica. A esta temperatura, muchos materiales de ingeniería comunes experimentan un cambio fundamental en su comportamiento: pasan de ser dúctiles (doblarse antes de romperse) a quebradizos (romperse sin previo aviso). Este fenómeno, conocido como transición dúctil-a-frágil, es uno de los modos de falla más peligrosos en la ingeniería criogénica.

Las consecuencias de una falla frágil en una instalación de GNL son graves. Una liberación incontrolada de GNL puede vaporizarse formando una nube inflamable con potencial explosivo, o - si se enciende - quemarse como un incendio que es extraordinariamente difícil de extinguir. El desastre del tanque de GNL de Cleveland en 1944, que resultó de un tanque hecho con acero que no contenía suficiente níquel, mató a 128 personas y destruyó un vecindario entero. Ese evento estableció el principio fundamental que aún rige la selección de materiales para el GNL en la actualidad: la aleación correcta no es opcional.

La metalurgia detrás de la fragilización por baja-temperatura

Los metales obtienen su dureza de la capacidad de los átomos para reorganizarse (deslizarse) a lo largo de los planos cristalinos cuando están bajo tensión. A bajas temperaturas, esta movilidad atómica disminuye. Para los metales -cúbicos centrados en el cuerpo (BCC) -, incluidos el acero al carbono y los aceros inoxidables ferríticos/martensíticos -, el deslizamiento se vuelve tan restringido por debajo del DBTT que las grietas se propagan más rápido de lo que el metal puede absorber energía. El resultado es una fractura repentina y catastrófica a niveles de tensión muy por debajo de la resistencia a la tracción nominal del material.

Los metales cúbicos centrados en la cara-(FCC) se comportan de manera diferente. Su estructura cristalina permite el deslizamiento atómico incluso a temperaturas criogénicas, por lo que la tenacidad se mantiene hasta el cero absoluto. Esta es la razón por la que los aceros inoxidables austeníticos (FCC) y las aleaciones de aluminio (FCC) son las principales opciones para las tuberías de GNL -, simplemente no tienen un DBTT.

Metales BCC (acero al carbono, SS ferríticos):exhiben un DBTT agudo - peligroso en servicio criogénico a menos que estén especialmente aleados.

Metales FCC (304L/316L SS, aleaciones de aluminio):ningún DBTT - sigue siendo resistente a -269 grados. Primera opción para tuberías de GNL.

Aleaciones ferríticas con alto contenido de níquel-(9% acero Ni):DBTT suprimió por debajo de -196 grados mediante la adición de níquel - la solución de ingeniería para grandes tanques de almacenamiento.

Rendimiento del material a temperaturas criogénicas: datos comparativos

La siguiente tabla presenta propiedades mecánicas estandarizadas a baja-temperatura para los siete materiales más comúnmente especificados para el servicio de plantas de GNL. Todos los valores mínimos corresponden a ASTM o normas EN equivalentes.

Fuentes: ASTM A353, A553, A312, A240, B241, F1684; ASME Sección VIII Div.1; EN 14620. CVN=Charpy V-Energía de impacto de muesca. Todos los valores son códigos mínimos-cifras requeridas; Los valores certificados reales suelen ser más altos.

Guía de decisión de selección de materiales zona-por-zona

Una planta de GNL no es un entorno uniforme - sino que abarca un gradiente de temperatura desde la temperatura ambiente en los límites de la batería hasta -162 grados en la caja fría y los tanques de almacenamiento. Diferentes zonas exigen diferentes materiales. Usar el material incorrecto en cualquier zona - incluso brevemente - crea un riesgo de fractura frágil. La siguiente matriz es su referencia principal para la selección basada en la zona-.

PWHT=Post-Tratamiento térmico de soldadura. HAZ=Calor-Zona afectada. BOG=Hervir-Gas. RT=Pruebas radiográficas. Las especificaciones son indicativas; Verifique siempre con códigos de diseño específicos del proyecto-y estándares de ingeniería del propietario.

Los tres pilares de la selección de materiales criogénicos

Ninguna especificación de material criogénico está completa sin la prueba de impacto Charpy V-Notch (CVN) a la temperatura mínima de diseño o por debajo de ella. Las pruebas CVN miden la energía que absorbe una muestra con muescas estándar antes de fracturarse -, un indicador directo de dureza a esa temperatura. Para aceros al carbono y de baja-aleación, la energía mínima requerida suele ser de 27 julios (20 pies-lb). Para los aceros inoxidables austeníticos, habitualmente se alcanzan valores superiores a 100 J a -196 grados. No acepte materiales sin certificación CVN específica de calor-.

La dureza es muy sensible a los rastros químicos. Las impurezas de azufre y fósforo fragilizan los aceros ferríticos a bajas temperaturas. Para acero con 9 % de Ni, el contenido de nitrógeno debe controlarse por debajo del 0,01 % para evitar la fragilización por deformación durante la fabricación. Para los aceros inoxidables austeníticos, el carbono debe limitarse a un máximo de 0,03% (la designación de grado "L") para evitar la sensibilización durante la soldadura. La identificación positiva de materiales (PMI) - mediante fluorescencia de rayos X-(XRF) o espectroscopia de emisión óptica - se debe realizar en el 100 % de los componentes de aleación antes de la instalación para verificar que no se haya sustituido por ningún material de menor-calidad.

Las soldaduras son los lugares más vulnerables en cualquier sistema de presión, y aún más a temperaturas criogénicas. La zona afectada por el calor-(HAZ) de una soldadura experimenta un ciclo térmico rápido que puede alterar la estructura del grano y reducir la tenacidad. Cada especificación de procedimiento de soldadura (WPS) para servicio criogénico debe incluir registros de calificación de procedimiento (PQR) con pruebas CVN en metal de soldadura y HAZ a la temperatura mínima de diseño. Para el acero con un 9 % de Ni, los metales de aporte suelen estar basados ​​en aleaciones de níquel-(ENiCrMo-6 o ENiCrFe-9) en lugar de una composición equivalente, específicamente porque el aporte de níquel conserva la tenacidad en todo el rango criogénico.

Requisitos de prueba obligatorios: de un vistazo

La siguiente tabla consolida las pruebas críticas, las normas aplicables y los criterios de aceptación que rigen la calificación de materiales para el servicio de la planta de GNL.

Las normas a las que se hace referencia son ediciones actuales de ASTM/EN/ASME. Los planes de inspección y prueba (ITP) específicos del proyecto- pueden imponer requisitos más estrictos. Siempre concilie con el código de diseño aplicable - típicamente ASME B31.3 para tuberías de proceso, API 625/EN 14620 para tanques de almacenamiento.

Cinco errores comunes en la selección de materiales - y cómo evitarlos

Error 1:Usar acero al carbono por debajo de -29 grados sin pruebas de impacto.

El acero al carbono estándar (A106 Gr.B) no se somete a pruebas-de impacto y tiene un DBTT impredecible. Utilice siempre A333 Gr.6 (probado-de impacto a -46 grados) o una alternativa de grado criogénico-para temperaturas inferiores a -29 grados. Incluso una excursión temporal por debajo de este umbral - durante el enfriamiento de la planta, por ejemplo -, puede iniciar una grieta frágil.

Error 2:Suponiendo que 304 SS y 304L SS sean intercambiables.

En el servicio criogénico, la designación 'L' es importante. El estándar 304 (máximo 0,08 % C) corre el riesgo de sensibilización en la zona afectada por el calor de la soldadura, lo que crea zonas empobrecidas en cromo-susceptibles a la corrosión intergranular en trazas de humedad. Especifique siempre 304L o 316L para tuberías criogénicas soldadas.

Error 3:Saltarse el PMI en material 'certificado' del almacén.

Las mezclas-entre grados de aleaciones en el almacén o el taller de fabricación son una causa documentada de fallas criogénicas. Un trozo de tubería de acero al carbono identificado erróneamente como acero con 9% Ni es visualmente indistinguible. El PMI en el momento de la instalación detecta errores que la documentación en papel no puede detectar.

Error 4:Uso de materiales de pernos estándar para uniones con bridas criogénicas.

Los pernos estándar ASTM A193 B7 (acero de aleación) no están clasificados para temperaturas criogénicas. Especifique los pernos ASTM A320 L7 y las tuercas A194 Gr.4 o Gr.7, que se someten a pruebas de impacto-a -101 grados. Para servicio de GNL a -162 grados, se requieren pernos ASTM A320 B8M (316 SS).

Error 5:Análisis de ciclos térmicos inadecuado durante el diseño.

Las plantas de GNL no permanecen en un estado-de temperatura estable. Los ciclos de enfriamiento y calentamiento-- durante la puesta en servicio, las paradas planificadas y las emergencias - imponen tensiones térmicas en todos los componentes. Un material con una tenacidad adecuada en estado-estable puede acumular daños por fatiga a través de ciclos térmicos repetidos. Especifique materiales con una temperatura mínima de diseño de al menos 10 grados por debajo de la temperatura de funcionamiento más baja creíble para proporcionar un margen de seguridad.

Preguntas frecuentes

acero inoxidable 316Les excelente para tuberías, bombas y accesorios a -162 grados. Sin embargo, para los tanques de contención primaria -, que son recipientes a presión grandes y de paredes-gruesas, - 9% de acero Ni y membrana Invar son las soluciones estándar porque ofrecen una combinación más rentable-efectiva de soldabilidad-, facilidad de fabricación y resistencia criogénica a la escala requerida para tanques que contienen decenas de miles de metros cúbicos.

El acero con un 9 % de Ni (ASTM A553) se utiliza en tanques de-contención total y doble-pared como capa interior, normalmente de 20 a 50 mm de espesor, directamente en contacto con el GNL. Invar (Fe-36Ni) tiene un coeficiente de expansión térmica extraordinariamente bajo y se utiliza en diseños de tanques de membrana delgada (como los sistemas Mark III y No.96 de GTT) donde la membrana se flexiona y deforma durante los ciclos térmicos sin agrietarse. Ambos están verificados a -196 grados; La elección está determinada por la filosofía de diseño del tanque y los acuerdos de licencia.

Sí. La aleación de aluminio 5083 (ASTM B241) se usa ampliamente para cajas frías de GNL, intercambiadores de calor y recipientes interiores de contenedores ISO. Mantiene una buena tenacidad a -196 grados, tiene baja densidad (lo que reduce la carga muerta) y no es-magnético. No es adecuado para aplicaciones de alta-presión superior a aproximadamente 25 bar sin un análisis de diseño cuidadoso, pero para servicios criogénicos de presión-moderada es una opción probada y rentable-.

Conclusión

Superar la fragilidad a baja-temperatura en una planta de GNL no es cuestión de encontrar un material universal -, sino de mapear cada zona de la planta con la aleación correcta, verificar esa aleación mediante pruebas rigurosas y controlar la fabricación y la soldadura para preservar las propiedades por las que usted pagó. El marco de decisión es claro:

Identifique la temperatura mínima de diseño para cada sistema y componente.

Seleccione materiales cuyo DBTT esté por debajo de esa temperatura según los datos de impacto CVN.

Elija materiales FCC (SS austenítico, aluminio) para las tuberías; 9% Ni o Invar para tanques grandes.

Especificar y hacer cumplir el PMI en el 100 % de los componentes de aleación durante la instalación.

Califique todos los procedimientos de soldadura con pruebas criogénicas CVN en metal de soldadura y HAZ.

Aplique un margen térmico: diseñe al menos 10 grados por debajo de la temperatura de funcionamiento más baja creíble.

Si se aplica de manera consistente, este marco elimina los modos de falla-relacionados con materiales que históricamente han causado los incidentes más costosos y peligrosos de la industria. La inversión inicial en la especificación correcta del material es siempre menor que el costo de una sola falla en el campo.

ASTM A312 / A182 - Tuberías y accesorios de acero inoxidable austenítico

ASTM A353 / A553 - 9% Placa de acero al níquel (doble y simple normalizada y templada)

ASTM A320/A194 -Pernos de acero de aleación de baja-temperatura

Tubería sin costura y tubo extruido sin costura de aleación de aluminio ASTM B241 - 5083

Código de tubería de proceso ASME B31.3 -

ASME Sección VIII Div.1, Parte UHA - Reglas para acero inoxidable austenítico

API 625 - Sistemas de tanques para almacenamiento de gas licuado refrigerado

ES 14620 - Diseño y fabricación del sitio-Tanques verticales de almacenamiento de GNL construidos

NFPA 59A - Norma para la producción, almacenamiento y manipulación de GNL

BS PD 5500 - Especificación para recipientes a presión soldados por fusión sin cocer

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