LNG プラントの材料選択: 低温脆性の克服- - 知識

LNG プラントの低温脆性を克服するには、エンジニアは延性-から-脆性への転移温度（DBTT）が動作温度である摂氏-よりもはるかに低い材料を選択する必要があります。実証済みの解決策は、9% ニッケル鋼（一次格納タンク）、オーステナイト系ステンレス鋼グレード 304L および 316L（プロセス配管）、アルミニウム合金 5083 です。 (コールドボックスと ISO コンテナ)、薄膜タンク用のインバー膜合金。-各材料は、ASME または EN コードの要件に従って、最低設計温度で衝撃試験を行う必要があります。

Material Selection for LNG Plants Overcoming Low-Temperature Brittleness

液化天然ガスは、大気圧におけるメタンの沸点である -162 度 (-260 度 F) - で保管および輸送されます。この温度では、多くの一般的なエンジニアリング材料の挙動が根本的に変化します。つまり、延性 (破損する前に曲がる) から脆性 (警告なしに砕ける) に移行します。この現象は延性から脆性への転移として知られており、極低温工学における最も危険な故障モードの 1 つです。

LNG 施設における脆性破損の影響は深刻です。 LNG が制御されずに放出されると、蒸発して爆発の可能性を伴う可燃性の雲になる可能性があり、点火すると - - が消火が非常に困難なプール火災として燃焼する可能性があります。 1944 年のクリーブランド LNG タンク事故は、ニッケルが不足した鋼鉄で作られたタンクに起因し、128 人が死亡し、近隣地域全体が破壊されました。この出来事は、今日でも LNG 材料の選択を支配する基本原則を確立しました。つまり、適切な合金は任意ではありません。

Why Low-Temperature Brittleness Is the Defining Challenge of LNG Plants

キーの定義:延性-から-脆性への転移温度（DBTT）は、それを下回ると材料が大きな塑性変形を伴わずに突然破壊する温度です。材料が極低温使用に対して安全であるのは、その DBTT が最低動作温度を十分に下回っている場合のみであり、シャルピー V- ノッチ (CVN) 衝撃試験によって確認されています。

金属は、応力がかかったときに結晶面に沿って原子が再組織化する (滑る) 能力からその靭性を引き出します。低温では、この原子移動度は低下します。炭素鋼やフェライト系/マルテンサイト系ステンレス鋼を含む体心立方晶（BCC）金属- - の場合、DBTT 以下では滑りが非常に制限されるため、金属がエネルギーを吸収するよりも早く亀裂が伝播します。その結果、材料の定格引張強度を大幅に下回る応力レベルで、突然の壊滅的な破壊が発生します。

-面心立方晶（FCC）金属は異なる挙動をします。その結晶構造により、極低温でも原子の滑りが可能になるため、靭性は絶対ゼロまで維持されます。これが、オーステナイト系ステンレス鋼 (FCC) とアルミニウム合金 (FCC) が LNG 配管の主な選択肢である理由です - これらには単純に DBTT がありません。

BCC金属（炭素鋼、フェライトSS）：特別に合金化されていない限り、極低温使用では危険な鋭い DBTT - を示します。

FCC 金属 (304L/316L SS、アルミニウム合金):DBTT - は -269 度で厳しいままです。 LNG配管の第一候補です。

高ニッケルフェライト合金（9% Ni 鋼）:DBTT は、大型貯蔵タンク向けのエンジニアリングソリューションであるニッケルの添加により -196 度未満に抑制されました。-。

以下の表は、LNG プラントでの使用に最も一般的に指定されている 7 つの材料の標準化された低温機械的特性を示しています。{0}すべての最小値は ASTM または同等の EN 規格に準拠しています。

材料	分。設計温度	CVNの靭性	伸長	一次 LNG 用途
炭素鋼(A516-70)	-29 度 (-20 度 F)	27 J @ -29 度	21%	常温貯蔵タンク
3.5% ニッケル鋼 (A203 Gr.E)	-101 度 (-150 度 F)	27 J @ -101 度	21%	エチレン・プロピレン容器
9%ニッケル鋼(A353/A553)	−196度（−320度F）	34 J @ -196 度	20%	LNG一次格納容器
304/304L SS (A312 TP304)	−269度（−452度F）	>100 J @ -196 度	40%	極低温配管および継手
316L SS (A312 TP316L)	−269度（−452度F）	>100 J @ -196 度	40%	極低温配管、ポンプケーシング
インバー (Fe-36Ni、F1684)	−196度（−320度F）	素晴らしい	30%	メンブレンLNGタンクシステム
アルミニウム合金 5083 (B241)	−196度（−320度F）	良い	16%	LNG貯蔵、ISOコンテナ

出典: ASTM A353、A553、A312、A240、B241、F1684。 ASME セクション VIII Div.1; EN 14620. CVN=シャルピー V-ノッチ衝撃エネルギー。すべての値はコードに必要な最小値です-。実際の認定値は通常、これより高くなります。

LNG プラントは 1 つの均一な環境ではありません -。バッテリー限界の周囲温度からコールドボックスと貯蔵タンクの -162 度までの温度勾配に及びます。ゾーンが異なれば、必要な材料も異なります。ゾーン - に不適切な材料を使用すると、たとえ短期間でも - 使用すると、脆性破壊の危険が生じます。以下のマトリックスは、ゾーンに基づいた選択の主な参考資料です。{7}

プラントゾーン	温度範囲	推奨素材	主な仕様に関する注意事項
供給ガス入口/スラッグキャッチャー	0度～−20度	炭素鋼 A333 Gr.6	ASME B31.3;限られたPWHTが必要
予冷セクション（MR）-	−20度〜−80度	3.5% ニッケル鋼または 304L SS	ASME VIII Div.1 UHA に従って衝撃試験済み
液化コールドボックス	−80度〜−165度	304L / 316L SS;アル 5083	完全な CVN テスト (分)設計温度
LNG貯蔵タンク（内部）	-162 度 (-260 度 F)	9% Ni 鋼またはインバー膜	EN 14620 / API 625;縫い目は 100% RT
LNG貯蔵タンク（外側）	アンビエント	プレストレストコンクリートまたは CS	シェル間の熱障壁
LNG ポンプと配管 (タンク内)	−162度	304L / 316L SS;アル 5083	ASTM A182 F304L フランジ;低温ボルト締め-
BOGコンプレッサーサクション	−100度〜−162度	304L SS または Al 6061-T6	-非磁性、低温テスト済み-
LNGローディングアーム	−162度	316L SS、Al または 9%Ni フィッティング付き	API 1540;極低温スイベルジョイント

PWHT=溶接後の熱処理。- HAZ=熱-影響区域。 BOG=ガスを沸騰させます。- RT=放射線検査。仕様は参考値です。常にプロジェクト固有の設計コードとオーナーのエンジニアリング基準に照らして検証してください。{11}

ピラー 1 - は衝撃試験により靭性を検証

極低温材料の仕様は、最低設計温度以下でのシャルピー V- ノッチ (CVN) 衝撃試験なしには完成しません。 CVN 試験では、標準のノッチ付き試験片が破断する前に吸収するエネルギーを測定します -。これは、その温度での靭性の直接的な指標です。炭素鋼および低合金鋼の場合、通常、最小必要エネルギーは 27 ジュール (20 フィート-ポンド) です。オーステナイト系ステンレス鋼の場合、-196 度で 100 J を超える値が日常的に達成されます。熱特有の CVN 認定のない材料は受け入れないでください。-

柱 2 - 合金化学制御

靭性は微量の化学反応に非常に敏感です。硫黄とリンの不純物は、低温でフェライト鋼を脆化させます。 9% Ni 鋼の場合、製造中のひずみ時効脆化を防ぐために、窒素含有量を 0.01% 未満に制御する必要があります。{4}オーステナイト系ステンレス鋼の場合、溶接中の鋭敏化を防ぐために、炭素は最大 0.03% (「L」グレード指定) に制限する必要があります。蛍光 X- 線 (XRF) または発光分光法 - を使用したポジティブ材料同定 (PMI) - を、取り付け前に合金部品の 100% に対して実行して、低グレードの材料が置き換えられていないことを確認する必要があります。-}。

柱 3 - の溶接品質と認定

溶接部は、あらゆる圧力システムにおいて最も脆弱な場所であり、極低温ではさらに脆弱になります。溶接部の熱影響部 (HAZ) は急速な熱サイクルにさらされ、結晶粒構造が変化し、靭性が低下する可能性があります。極低温サービスのすべての溶接手順仕様書 (WPS) には、最低設計温度での溶接金属および HAZ に対する CVN 試験を含む手順認定記録 (PQR) が含まれている必要があります。 9% Ni 鋼の場合、特にニッケルフィラーは極低温範囲全体にわたって靱性を維持するため、フィラー金属は通常、適合する組成ではなくニッケル-合金ベース (ENiCrMo-6 または ENiCrFe-9) になります。

以下の表は、LNG プラントサービスの材料認定を管理する重要なテスト、適用される規格、および合格基準をまとめたものです。

テストの種類	標準	適用時	合格基準
シャルピー V-ノッチ (CVN)	ASTM E23 / EN ISO 148	最低設計温度において	受け入れる: 27 J (フェライト) 以上。 100J以上（オーステナイト系）
落下-重りによる引裂試験	ASTM E436	9% Ni および低合金鋼-	100%せん断破壊の外観
引張（低温）-	ASTM A370	極低温グレードでは -196 度	UTS と収量は最小値を満たす必要があります。 @試験温度
硬度（ビッカース/ブリネル）	ASTM E92 / E10	溶接HAZ;投稿-PWHT	HV 10 BS PD 5500 あたり最大 350
放射線撮影（RT）	ASTM E94 / EN ISO 17636	すべての完全溶け込み突合せ溶接	ASME B31.3 または EN 13480 に基づく承認
超音波(UT)	ASTM E164	プレートと重い壁の付属品	フェーズドアレイ UT は厚いセクションに推奨されます-
液体浸透剤 (PT)	ASTM E165	オーステナイトSS最終面	表面の亀裂を検出します。アセトンで掃除する
ポジティブマテリアル ID (PMI)	ASTM E1476 (XRF)	取り付け時のすべての合金コンポーネント	Ni、Cr、Mo 含有量を確認します。全数検査

参照されている規格は、最新の ASTM / EN / ASME 版です。プロジェクト固有の検査およびテスト計画（ITP）では、より厳しい要件が課される場合があります。{1}常に該当する設計コード - と一致させてください。通常、プロセス配管の場合は ASME B31.3、貯蔵タンクの場合は API 625 / EN 14620。

Five Common Material Selection Mistakes and How to Avoid Them

間違い1:衝撃試験なしで-29度以下の炭素鋼を使用。

標準炭素鋼（A106 Gr.B）は衝撃試験が行われておらず、予測できない DBTT を示します。- -29 度以下の温度では、常に A333 Gr.6 (-46 度まで衝撃試験済み) または極低温-グレードの代替品を使用してください。プラントの冷却中にこのしきい値 - を下回る一時的な異常でも、たとえば - によって脆性亀裂が発生する可能性があります。

間違い2:304 SS と 304L SS が交換可能であると仮定します。

極低温サービスでは、「L」指定が重要です。標準 304 (最大 0.08% C) は、溶接 HAZ で鋭敏化する危険性があり、微量水分での粒界腐食の影響を受けやすいクロム欠乏ゾーンが生成されます。-溶接極低温配管の場合は必ず304Lまたは316Lをご指定ください。

間違い3:倉庫からの「認定済み」素材の PMI をスキップします。

倉庫や製造工場での合金グレード間の取り違えが、極低温故障の原因であることが文書化されています。{0} 9% Ni 鋼と誤認された炭素鋼パイプの一部は、視覚的には区別できません。 PMI は、インストール時に紙のドキュメントでは検出できないエラーを検出します。

間違い4:極低温フランジジョイントに標準ボルト材を使用。

標準 ASTM A193 B7 スタッド (合金鋼) は極低温に対応していません。 ASTM A320 L7 スタッドと A194 Gr.4 または Gr.7 ナットを指定し、-101 度までの衝撃試験が行われています。- -162 度での LNG サービスの場合、ASTM A320 B8M (316 SS) ボルト締めが必要です。

間違い5:設計中の不適切な熱サイクル解析。

LNG プラントは定常温度を維持しません。-試運転、計画停止、緊急時におけるクールダウンおよびウォームアップサイクル - - - は、すべてのコンポーネントに熱ストレスを与えます。定常状態で適切な靭性を備えた材料は、熱サイクルを繰り返すと疲労損傷が蓄積する可能性があります。{6}}安全マージンを確保するために、最低設計温度が信頼できる最低動作温度より少なくとも 10 度低い材料を指定します。

貯蔵タンクを含む LNG プラント全体に 316L ステンレス鋼を使用できますか?

316Lステンレス鋼-162 度の配管、ポンプ、継手に最適です。ただし、大きくて厚い-壁の圧力容器である-の場合、- 9% Ni鋼とインバー膜が標準ソリューションです。これらは、数万立方メートルを保持するタンクに必要な規模で、-溶接能力、製造の容易さ、極低温靱性のよりコスト効率の高い組み合わせを提供するためです-。

LNGタンク用の9%Ni鋼とインバーの違いは何ですか?

9% Ni 鋼 (ASTM A553) は、完全封じ込め二重壁タンク内で LNG と直接接触する内殻として通常 20 ～ 50 mm 使用されています。-インバール (Fe-36Ni) は熱膨張係数が非常に低く、薄膜タンク設計 (GTT の Mark III や No.96 システムなど) で使用され、熱サイクル中に亀裂が生じることなく膜が屈曲および変形します。どちらも -196 度まで検証されています。選択はタンクの設計哲学とライセンス契約によって決まります。

LNGの極低温配管に適したアルミニウム合金はありますか?

はい。アルミニウム合金 5083 (ASTM B241) は、LNG コールドボックス、熱交換器、ISO コンテナ内容器などに広く使用されています。 −196度でも良好な靭性を維持し、密度が低く（死荷重が減少する）、非磁性です。これは、慎重な設計分析を行わない限り、約 25 バールを超える高圧用途には適しません。しかし、中圧の極低温サービスでは、実証済みの費用対効果の高い選択肢です。-

LNG プラントの低温脆性を克服することは、1 つの普遍的な材料を見つけることではありません -。各プラントゾーンを適切な合金にマッピングし、厳格な試験を通じてその合金を検証し、支払った特性を維持するために製造と溶接を制御することが重要です。意思決定の枠組みは明確です。

すべてのシステムおよびコンポーネントの最低設計温度を特定します。

CVN衝撃データによりDBTTがその温度以下であることが確認された材料を選択してください。

配管には FCC 材質 (オーステナイト SS、アルミニウム) を選択してください。大型タンクの場合は 9% Ni またはインバー。

設置時に合金コンポーネントの 100% に対して PMI を指定して適用します。

溶接金属と HAZ に対する極低温 CVN 試験により、すべての溶接手順を認定します。

熱マージンを適用します。信頼できる最低動作温度より少なくとも 10 度低く設計します。

このフレームワークを一貫して適用すると、これまで業界で最もコストが高く危険なインシデントを引き起こしてきた重大な障害モードが排除されます。{0}正しい材料仕様への先行投資は、単一の現場での故障のコストよりも常に低くなります。

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参考文献と適用規格

ASTM A312 / A182 - オーステナイト系ステンレス鋼のパイプおよび継手

ASTM A353 / A553 - 9% ニッケル鋼板 (二重および単一の正規化および焼戻し)

ASTM A320 / A194 -低温合金鋼ボルト締め

ASTM B241 - アルミニウム合金 5083 継目無管および継目無押出管

ASME B31.3 - プロセス配管コード

ASME セクション VIII Div.1、パート UHA - オーステナイト系ステンレス鋼の規則

冷凍液化ガス貯蔵用 API 625 - タンクシステム

JP 14620 - サイトの設計と製造-建設された垂直 LNG 貯蔵タンク

NFPA 59A - LNG の生産、貯蔵、および取り扱いに関する規格

BS PD 5500 - 未焼成溶融溶接圧力容器の仕様