Le unità di riscaldamento al titanio installate negli impianti di lavorazione di gas naturale liquefatto, ammoniaca liquida e azoto liquido funzionano spesso in condizioni di ciclo termico alternato a temperatura ultra-bassa e a temperatura-normale. I materiali industriali convenzionali in titanio subiranno una contrazione del reticolo, un declino della duttilità e una transizione fragile se esposti ad ambienti criogenici inferiori a -40 gradi. In combinazione con lo stress residuo di saldatura, il carico di impatto del fluido e lo stress ciclico alternato di temperatura, si formano facilmente microfessure in corrispondenza dei cordoni di saldatura, delle sezioni di transizione piegate e delle posizioni di bloccaggio fisse. Una volta che si formano minuscole crepe fragili sui substrati di titanio, tracce di impurità corrosive nei mezzi liquefatti penetreranno negli spazi dei difetti e accelereranno la propagazione delle crepe attraverso l'effetto di accoppiamento della tensocorrosione, portando infine a un'improvvisa frattura fragile dei componenti di riscaldamento e alla fuoriuscita di fluidi criogenici tossici e infiammabili. La formulazione di criteri standardizzati di screening dei materiali a temperatura ultra-bassa insieme a regole di vincolo operativo abbinate può garantire la tenacità criogenica intrinseca dei materiali di base in titanio selezionati, ridurre la concentrazione di stress termico durante il cambio di temperatura, eliminare l'innesco di crepe fragili e garantire la sicurezza strutturale delle apparecchiature di riscaldamento del titanio che servono a lungo-termine in condizioni di lavoro di lavorazione criogenica di gas liquefatto.
Il test di resilienza criogenica alla temperatura operativa minima di progetto funge da indice di screening principale per la selezione del materiale in titanio. Prima dell'approvvigionamento delle materie prime e della lavorazione dei componenti, i tubi in titanio candidati devono essere sottoposti a test di impatto Charpy a bassa-temperatura alla temperatura di servizio minima effettiva per verificare se il materiale mantiene una sufficiente resistenza alla frattura duttile. Il normale titanio commercialmente puro con contenuto di impurità instabili è soggetto a transizione duttile-fragile in condizioni criogeniche profonde; il titanio di grado di elevata-purezza con limiti di impurità di ferro, carbonio e ossigeno rigorosamente controllati dovrebbe essere selezionato preferenzialmente per mantenere un'elevata tenacità stabile a temperature ultra-basse. I materiali di apporto per saldatura devono corrispondere al tipo del metallo di base e i giunti saldati devono essere sottoposti a un'ispezione criogenica non{7}}distruttiva della tenacità per eliminare le microstrutture di saldatura fragili, come i grani colonnari grossolani e la segregazione intergranulare, che sono altamente suscettibili alla fessurazione a bassa-temperatura. È vietato adottare materiali in titanio qualificati solo per il servizio a temperatura-ambiente per apparecchiature di riscaldamento criogenico senza una speciale verifica delle prestazioni a bassa-temperatura.
La limitazione del gradiente termico durante la commutazione criogenica-della temperatura normale è il vincolo operativo principale per evitare fratture fragili da stress termico. Il rapido riempimento di un mezzo liquefatto a temperatura ultra-bassa nei gruppi riscaldanti di titanio preriscaldati crea gradienti di temperatura estremi tra le superfici interne ed esterne della parete del tubo, generando un enorme stress termico di trazione transitorio che supera la soglia di resistenza alla frattura criogenica del titanio. Gli operatori devono implementare l'alimentazione graduale del mezzo e il controllo del cambiamento lento della temperatura: pre-raffreddare l'intera tubazione di riscaldamento con gas inerte a bassa temperatura- passo dopo passo prima di introdurre materie prime liquefatte, limitare il tasso di cambiamento della temperatura entro l'intervallo di sicurezza per evitare punti di stress caldi da raffreddamento eccessivo locale. Durante il riscaldamento-dell'apparecchiatura, lo sbrinamento e l'arresto per manutenzione, è vietato utilizzare mezzi caldi ad alta-temperatura o spurgo con vapore; Viene adottato un fluido caldo circolante a bassa-temperatura per il recupero graduale della temperatura ed evitare che lo shock termico inverso induca un'espansione fragile delle cricche sui componenti in titanio pre-sollecitati criogenicamente. Tutti i processi di aumento e diminuzione della temperatura devono essere-bloccati dal sistema di controllo per evitare operazioni manuali errate di commutazione rapida della temperatura.
L'ottimizzazione flessibile strutturale, abbinata all'ispezione periodica dei difetti a bassa-temperatura, costituisce una doppia protezione contro i guasti dovuti all'infragilimento criogenico. I supporti fissi rigidi frenano facilmente la contrazione termica e l'espansione dei tubi riscaldanti in titanio a temperature criogeniche e ambientali alternate, con conseguente stress da vincolo accumulato. Staffe di supporto scorrevoli e sezioni di compensazione della dilatazione sono installate ad intervalli per rilasciare lo stress da spostamento termico ed evitare la concentrazione dello stress nei punti di bloccaggio. L'ispezione trimestrale dello spessore a ultrasuoni e il rilevamento annuale dei difetti con penetrante criogenico fluorescente vengono eseguiti su saldature, sezioni piegate e posizioni di vincolo per schermare minuscole microfessure fragili invisibili a temperatura normale. Per i componenti che mostrano segni di attenuazione della tenacità dopo cicli criogenici a lungo-termine, sono necessari un trattamento termico di distensione locale e una ripassivazione della superficie per eliminare lo stress di trazione residuo e riparare i difetti del film passivo che potrebbero indurre la propagazione di cricche da tensocorrosione.
La tabella seguente mostra gli schemi di protezione criogenica classificati per diversi scenari di servizio di riscaldamento del gas titanio liquefatto:
表格
| Scenario del servizio criogenico con gas liquefatto | Screening dei materiali consigliati e specifiche dei vincoli operativi | Valore fondamentale di protezione dalla frattura anti-criogenica-dell'infragilimento |
|---|---|---|
| Unità serpentina di riscaldamento GNL-a temperatura ultrabassa (-162 gradi). | Materiale di base in titanio-di elevata purezza + filo di saldatura abbinato-a bassa temperatura + pre-raffreddamento graduale del gas inerte + layout flessibile del giunto di dilatazione | Mantiene una sufficiente resistenza agli urti criogenici e limita l'innesco di cricche fragili indotte da stress termico transitorio- |
| Gruppo di riscaldamento batch criogenico a media-temperatura (-33 gradi) per ammoniaca liquida | Screening del grado di titanio a bassa-impurità + limite di interblocco del tasso di variazione della temperatura + ispezione annuale dei liquidi penetranti | Evita il mezzo corrosivo in tracce di ammoniaca che accelera l'espansione delle crepe fragili sotto carico termico ciclico |
| Apparecchiature di riscaldamento sperimentale intermittente ad azoto liquido | Test di impatto con campionamento in batch criogenico + trasformazione del supporto fisso scorrevole + regolazione del riscaldamento-lento | Previene l'accumulo di stress termico ed elimina i rischi di malfunzionamento manuale della commutazione rapida della temperatura |
| Conduttura di riscaldamento criogenico esterna per terminale di gas liquefatto costiero | Certificazione di resistenza alle basse-temperature + preisolamento stagionale a freddo-+ rilevamento trimestrale dei difetti del punto di concentrazione delle sollecitazioni | Resiste allo stress termico dovuto alla sovrapposizione del superraffreddamento ambientale e inibisce la fessurazione da tensocorrosione fragile indotta da cloruri- |
Lo screening dei materiali a temperature ultra-basse e i vincoli operativi criogenici standardizzati evitano rotture catastrofiche per frattura fragile delle apparecchiature di riscaldamento del titanio derivanti dal degrado della tenacità del materiale e dall'eccessivo stress del gradiente termico. Perfino i materiali in titanio anti-corrosione di alta qualità-non possono resistere alla transizione duttile-fragile e alla propagazione delle crepe in condizioni di carichi alternati a temperature-estremamente basse. La rigorosa verifica delle prestazioni delle materie prime, il controllo dell'interblocco del processo di commutazione della temperatura e l'ottimizzazione strutturale flessibile riducono efficacemente i pericoli nascosti dell'infragilimento criogenico, prevengono incidenti di perdite di mezzi liquefatti infiammabili e tossici e realizzano un funzionamento sicuro e stabile a lungo termine- dei sistemi di riscaldamento al titanio in ambienti industriali criogenici di gas liquefatto difficili.
