Bei niedrigen Temperaturen ist die entscheidende Eigenschaft eines Stahlrohrs nicht die Zugfestigkeit, sondern die Zähigkeit. Ferritischer Stahl, der sich bei Umgebungsbedingungen duktil verhält, kann spröde brechen, sobald er unter seine Übergangstemperatur abgekühlt wird, und ein spröder Riss breitet sich viel schneller aus, als jedes Inspektions- oder Wartungsprogramm reagieren kann. Deshalb werden kryogene Rohrleitungen ausgewählt, getestet und inspiziert, wobei die Bruchkontrolle das Hauptziel ist.
Warum Zähigkeit das Tieftemperaturdesign bestimmt
Jede kryogene Linie muss nachweisen, dass das Material bei der niedrigsten möglichen Temperatur, einschließlich Störungen und Notfällen, nicht spröde versagt. Dieser Beweis stammt aus Charpy-V-Kerbschlagversuchen, die bei der vorgesehenen Metalltemperatur gemäß ASTM E23 durchgeführt wurden, wobei die absorbierte Energie und die seitlichen Ausdehnungsgrenzen durch die maßgebliche Rohrspezifikation festgelegt wurden. Auch andere Eigenschaften spielen eine Rolle: Die Wärmekontraktion muss durch die Anordnung ausgeglichen werden, und die Wärmeleitfähigkeit beeinflusst, wie viel Isolierung die Leitung benötigt.
Qualitäten und Spezifikationen für den kryogenen Einsatz
| Grad | Spezifikation | Typische Auslegungstemperatur | Typischer Service |
|---|---|---|---|
| A333 Klasse 1 | ASTM A333 / ASME SA-333 | Bis etwa -45 Grad | Rohrleitungen aus Kohlenstoffstahl für niedrige Temperaturen |
| A333 Klasse 6 | ASTM A333 / ASME SA-333 | Bis etwa -45 Grad | LNG- und Niedertemperatur-Prozesslinien, normalisiert |
| A333 Klasse 3 | ASTM A333 / ASME SA-333 | Bis etwa -100 Grad | Kühlbox und Kühlleitungen |
| A333 Klasse 8 | ASTM A333 / ASME SA-333 | Bis etwa -195 Grad | Übertragung von flüssigem Stickstoff und flüssigem Wasserstoff |
| 304L, 316L austenitisch, nahtlos und geschweißt | ASTM A312, ASTM A358 | Bis etwa -196 Grad | LNG-Lagerung und -Transfer, Wärmetauscherleitungen |
| P355NL Niedertemperaturrohr | EN 10216-4 | Bis etwa -50 Grad | Europäische Tieftemperatur-Prozessrohrleitungen |
| Tieftemperatur-Pipeline-Stahlrohr | GB/T 18984 | Bis etwa -45 Grad | Inländische LNG- und Kälteversorgungsleitungen |
Die Auslegungstemperatur in der Tabelle folgt der in der jeweiligen Spezifikation geforderten Schlagtesttemperatur; Der genaue aufgenommene Energiebedarf und die anzuwendende Prüftemperatur sind der in der Bestellung genannten Ausgabe der Norm zu entnehmen.
Gelenke, Stützen und thermische Kontraktion
Die Länge einer Kryoleitung ändert sich während des Abkühlens erheblich, und diese Bewegung muss absorbiert und nicht eingeschränkt werden. Schweißverbindungen werden bevorzugt, da sie von Natur aus dicht sind und Stumpfschweißnähte normalerweise eine vollständige Durchdringung aufweisen. Wo verschraubte Flansche unvermeidbar sind, wird eine thermische Trennung eingeführt, damit keine Wärme in den kalten Bereich geleitet wird, und die Dichtungen werden im Hinblick auf Flexibilität bei Betriebstemperatur ausgewählt. Dehnungsschlaufen, Federaufhänger und Gleitstützen vervollständigen die Anordnung, und eine Analyse der Rohrleitungsbelastung bestätigt, dass die Düsenbelastungen an Pumpen und Behältern akzeptabel bleiben.
Isoliersysteme
Vakuumummantelte Rohre bieten bei gegebener Dicke den geringsten Wärmeverlust und sind in Transferleitungen für flüssiges Helium und flüssigen Wasserstoff üblich. Für LNG-Leitungen mit größerem Durchmesser wird stattdessen Perlit, Schaumglas oder Polyurethanschaum mit Dampfsperre verwendet. Welches System auch immer gewählt wird, die Isolierung muss die Kontraktion des Innenrohrs tolerieren, dem Eindringen von Feuchtigkeit standhalten und die Außenfläche über dem Taupunkt halten, damit sich kein Eis auf der Ummantelung bildet.
Inspektion und Prüfung
Bei der Abnahmeprüfung kryogener Rohrleitungen werden in der Regel die Ergebnisse des Schlagtests mit einer vollständigen Rückverfolgbarkeit der Schmelzzahlen, einer Röntgen- oder Ultraschallprüfung von Umfangsschweißnähten gemäß den ASME B31.3-Regeln, einer hydrostatischen oder pneumatischen Festigkeitsprüfung und einem Helium-Massenspektrometer-Lecktest kombiniert, wenn die Dichtigkeitsanforderungen streng sind. Fertige Systeme können außerdem einem Kälteschock- oder Temperaturwechseltest unterzogen werden, um zu bestätigen, dass sich Stützen und Verbindungen wie vorhergesagt verhalten.
FAQ
F: Was ist die niedrigste Temperatur für Rohre der Klasse 6 nach ASTM A333?
Klasse 6 wird bei etwa -45 Grad auf Schlagfestigkeit geprüft und ist die Arbeitsklasse für LNG und ähnliche Niedertemperatur-Prozessanwendungen. Für kältere Einsätze sind Güteklasse 3 oder 8 oder eine austenitische rostfreie Güteklasse erforderlich.
F: Warum werden 304L und 316L für den LNG-Service bevorzugt?
Ihre austenitische Struktur bleibt auch bei sehr niedrigen Temperaturen zäh, sodass sie nicht den Übergang von duktil zu spröde von ferritischem Stahl aufweisen und bis zur Temperatur von flüssigem Stickstoff und darüber hinaus verwendet werden können.
F: Reicht ein hydrostatischer Test aus, um kryogene Rohrleitungen zu qualifizieren?
Nein. Ein Drucktest beweist die Festigkeit und Integrität bei Umgebungsbedingungen, die Zähigkeit muss jedoch separat durch einen Schlagtest bei der vorgesehenen Metalltemperatur nachgewiesen werden.
F: Wie werden kryogene Verbindungen dicht gehalten?
Bevorzugt wird eine vollständig geschweißte Konstruktion, wobei die Schraubverbindungen auf Geräteverbindungen beschränkt sind, bei denen eine thermische Trennung und eine Niedertemperaturdichtung verwendet werden, und jede Verbindung wird nach dem Zusammenbau mit Helium auf Dichtheit geprüft.
F: Welche Isolierung eignet sich am besten für Kryorohre?
Vakuumummanteltes Rohr für die kältesten und kleinsten Leitungen sowie Perlit, Schaumglas oder Schaum mit Dampfsperre für LNG-Rohre mit größerem Durchmesser, bei denen die Dicke weniger wichtig ist.
