Трубы для криогенных систем: стандарты, материалы, температурные ограничения

Выбор материала труб для низкотемпературных и криогенных систем определяется одним критерием: сохранением ударной вязкости при рабочей температуре. Углеродистая сталь общего назначения при снижении температуры переходит из вязкого состояния в хрупкое – труба, которая нормально работала при 20°C, при –30°C может неожиданно разрушиться при гидравлическом ударе или механическом воздействии.

Именно поэтому для трубопроводов сжиженного природного газа (СПГ, –162°C), воздухоразделительных установок (–196°C), холодильных систем и хладоагентов требуются трубы из специальных легированных или аустенитных сталей с подтвержденными низкотемпературными свойствами.

Почему обычная углеродистая сталь не годится для работы при низких температурах

Ферритные и перлитные стали имеют выраженный порог хладноломкости: температуру, ниже которой ударная вязкость резко падает. Труба по ASTM A106 Gr.B или EN 10216-1 P265 при –40°C становится хрупкой – стандарты на эти материалы не нормируют и не подтверждают низкотемпературную вязкость. Применение их в криогенных системах недопустимо без специальной оценки.

Аустенитные нержавеющие стали не имеют порога хладноломкости в принципе – ГЦК-решетка сохраняет вязкость вплоть до температур жидкого азота и ниже. Это делает аустенит универсальным решением для самых низких температур, но более дорогим по сравнению с низколегированными сталями для умеренного холода.

Материалы труб для низкотемпературных и криогенных систем

Стандарты на трубы для низких температур

ASTM A333 – основной американский стандарт на бесшовные и сварные трубы для низкотемпературной службы. Охватывает 11 марок с диапазоном рабочих температур от –29°C (Gr.1) до –101°C (Gr.3). Наиболее распространены:

• Gr.6 – углеродистая сталь с подтвержденной CVN при –46°C. Экономичный выбор для СУГ-систем, арктических и хладагентных трубопроводов при температурах не ниже –46°C;
• Gr.3 – 3,5% никелевая сталь с CVN при –101°C. Применяется на этиленовых и пропиленовых установках, в хладагентных системах.

ASTM A312 – стандарт на бесшовные, сварные и холоднодеформированные трубы из аустенитных нержавеющих сталей. Марки TP304, TP304L, TP316, TP316L и другие не имеют нижнего предела рабочей температуры по хладноломкости – аустенитная структура сохраняет вязкость при –196°C и ниже. CVN при закупке по A312 для криогенных применений не требуется, но может назначаться по требованию проекта.

ASTM A353 / A553 – стандарты на листы и трубы из 9% никелевой стали для хранилищ и трубопроводов СПГ при –196°C. Материал сочетает высокую прочность с подтвержденной ударной вязкостью при температуре жидкого азота. Применяется в танкерах-газовозах, береговых СПГ-терминалах и хранилищах.

EN 10216-4 – европейский стандарт на бесшовные трубы из нелегированных и легированных сталей для низкотемпературной службы. Нормирует CVN при нормированных температурах для каждой марки. Применяется в европейских проектах как альтернатива ASTM A333.

Выбор материала криогенной трубы под конкретную рабочую температуру:

• от 0°C до –29°C: стандартная углеродистая сталь с подтверждением CVN по проекту или ASTM A333 Gr.1;

• от –29°C до –46°C: ASTM A333 Gr.6. Экономичное решение для большинства хладагентных и арктических трубопроводов. При наличии требований к коррозионной стойкости – ASTM A312 TP304L;

• от –46°C до –101°C: ASTM A333 Gr.3 (3,5% Ni) или EN 10216-4. Этиленовые и пропиленовые установки, глубокое охлаждение;

• от –101°C до –196°C: 9% Ni сталь по ASTM A553 или аустенитная нержавейка по ASTM A312. Для СПГ при –162°C оба материала применяются: 9% Ni экономичнее на больших диаметрах, нержавейка предпочтительнее при коррозионных требованиях и малых диаметрах;

• ниже –196°C: только аустенитные нержавеющие стали и специальные сплавы (Invar, Inconel).

FAQ

1. Чем труба ASTM A333 Gr.6 отличается от трубы ASTM A106 Gr. B для низкотемпературных трубопроводов? A106 Gr. B – труба для высокотемпературной среды без нормирования низкотемпературной вязкости. A333 Gr. 6 – та же углеродистая сталь с обязательным испытанием CVN при –46°C, подтверждающим ударную вязкость. В системах с рабочей температурой ниже –29°C применение A106 Gr. B недопустимо без специальной оценки.

2. Нужно ли испытание CVN для труб ASTM A312 в криогенных системах? Аустенитные стали не имеют порога хладноломкости, поэтому CVN для A312 не является обязательным требованием стандарта. При этом ряд проектных норм и классификационных обществ для СПГ-оборудования назначает CVN дополнительно – необходима проверка требований конкретного проекта.

3. Какой материал выбрать для трубопровода СПГ с рабочими температурами до –162°C? Два подтвержденных решения: 9% Ni сталь по ASTM A553 и аустенитная нержавейка по ASTM A312 (TP304L, TP316L). На больших диаметрах 9% Ni экономичнее. На малых диаметрах и при требованиях к коррозионной стойкости предпочтительна нержавейка. Оба материала допущены стандартами IGC Code и EN 1160 для хранения и транспортировки СПГ.

4. Как подобрать аналог по EN 10216-4 вместо ASTM A333 для европейского проекта? EN 10216-4 является европейским функциональным аналогом ASTM A333 для бесшовных труб низкотемпературной службы. Соответствие по температурному диапазону: P265NL1/NL2 – аналог Gr.1 (до –40°C), 13MnNi6-3 – близок к Gr.3 (до –100°C). При замене обязательна сверка химсостава, нормированных значений CVN и допустимых напряжений – обозначения марок не совпадают, а требования стандартов не идентичны.