Konstruktionsmaterialien für das CPI

1. August 2023 | Von William M. (Bill) Huitt

Die richtige Auswahl der Baumaterialien ist von entscheidender Bedeutung. Das hier vorgestellte Beispiel zeigt, wie Standards verwendet werden können, um die Optionen einzugrenzen

Seit dem späten 18. Jahrhundert wird eine stetige Sammlung von Drucktechnik-Codes und -Standards entwickelt (siehe Kasten auf S. 36), die Ingenieuren standardisierte Methoden zur sicheren Konstruktion und Herstellung von Druckbehältern und anderen unter Druck stehenden Prozessgeräten für die chemische Prozessindustrie zur Verfügung stellen ( VPI). Dieser Artikel gibt einen Überblick über die relevanten Normen und stellt beispielhaft vor, wie diese zur Eingrenzung der Auswahl geeigneter Baustoffe (Materials of Construction, MoC) genutzt werden können.

ASTM International (ASTM; West Conshohocken, Pennsylvania; www.astm.org) ist seit 125 Jahren tätig und hat seit der Standardisierung des Materials und der Prüfung von Eisenbahnschienenstahl einen langen Weg zurückgelegt. Mit der Hilfe von mehr als 30.000 Freiwilligen und Mitarbeitern veröffentlicht und pflegt das Unternehmen derzeit weltweit 12.500 Standards in über 140 teilnehmenden Ländern. Auf diese Organisation verlassen wir uns bei der Bestimmung und Bewertung der Chemie eines Materials, seiner Festigkeit, seiner Prüfung und Herstellungsanforderungen. ASTM ist auch an der Entwicklung von Testmethoden und -verfahren beteiligt.

Insgesamt veröffentlicht ASTM unter anderem sechs verschiedene Arten von Standards, darunter die folgenden:

Standards für Testmethoden: Eine Reihe von Verfahren, die Anweisungen, Richtlinien und Parameter bereitstellen, die für die Erfassung und Analyse von Probennachweisen von Flüssigkeiten und Materialien erforderlich sind.

Standards für Praxismethoden: Sind Anweisungen zum empfohlenen Ansatz, um ein Ergebnis auf standardisierte Weise zu erreichen. Zu diesen Beispielen gehören F748 Standard Practice for Selecting Generic Biological Test Methods for Materials and Devices und E1816 Standard Practice for Measureing Thickness by Pulse-Echo Electromagnetic Acoustic Transducer (EMAT).

Spezifikationsstandards: Hierbei handelt es sich um Standards, die den Verwendungszweck eines bestimmten Materials, die chemischen Zusammensetzungsparameter des Materials, die mechanischen Eigenschaften, den Herstellungsprozess, Prüfanforderungen und alle anderen Verwendungs- und Herstellungsanforderungen in Bezug auf ein bestimmtes Material und seine verschiedenen Produktformen festlegen

Klassifizierungsstandards: Bereitstellung von Leitlinien und Anforderungen für den Prozess der Zuordnung der verschiedenen Materialien, Dienstleistungen oder Systeme in die richtige Kategorie. Diese Anforderungen können sich auf die Herkunft, die physikalischen Eigenschaften oder die chemischen Eigenschaften des Produkts selbst beziehen.

Leitfadenstandards: Sind Informationssammlungen oder eine Reihe von Optionen, die keine spezifischen Vorgehensweisen empfehlen. Sie informieren in der Regel über die Kenntnisse und Vorgehensweisen in bestimmten Fachgebieten.

Terminologiestandards: Bereitstellung von Begriffsdefinitionen und Erläuterungen zu Symbolen, Abkürzungen und Akronymen, die in der gesamten ASTM verwendet werden.

Was wir im Zusammenhang mit dieser Diskussion aus der obigen Liste entnehmen können, ist Punkt drei, Spezifikationsstandards, der die folgenden sieben Kategorien abdeckt:

Wir werden unseren Fokus weiter auf die oben genannten Metalle und Produkte der Klasse A – Eisen- und Stahlmetalle – beschränken. Hier befinden sich die meisten Rohrleitungen und Ausrüstungsmaterialien für das CPI. Auch Nichteisenwerkstoffe kommen häufig zum Einsatz, dies würde hier jedoch zu weit gehen. ASTM umfasst Kunststoffe der oben genannten Klasse D – Verschiedene Materialien. Für nichtmetallische (NM) Materialien verweisen wir daher auf die relativ neuen ASME NM-Standards, die erstmals 2018 von der American Society of Mechanical Engineers (ASME; New York, NY; www.asme.org) veröffentlicht wurden. Dazu gehören Folgendes:

Bei der Materialauswahl für Druckgeräte kann es zu Verwirrung hinsichtlich der Frage kommen, ob die Spezifikationsnummern zwischen ASTM und ASME ein unterschiedliches Präfix haben. Was ich beziehe, ist das Präfix A, das an ASTM-Spezifikationsnummern angehängt ist, und die gleichen ASME-Materialspezifikationsnummern im ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC), Abschnitt IIA für Eisenmetalle, die ein SA-Präfix haben. Abschnitt IIB für Nichteisenmaterialien wird SB als Präfix haben. Im BPVC sind Materialien aufgeführt, die den Anwendungen bei der Herstellung von Kesseln und Druckbehältern entsprechen. Diese aufgeführten Materialien sind wie folgt in den ASME BPVC-Abschnitten II-Materialien enthalten:

ASTM stellt bei der Standardisierung einer Materialspezifikation alle wesentlichen Elemente bereit, die auf der Chemie, dem Herstellungsprozess, der beabsichtigten Verwendung sowie den Test- und Untersuchungsanforderungen eines Materials basieren. Und in vielen Fällen wird eine Spezifikation in mehrere Klassen und Klassifizierungen sowie verschiedene Zusatzqualifikationen unterteilt.

ASME BPVC greift auf den ASTM-Pool an Materialspezifikationen zurück und qualifiziert oder überprüft diese Spezifikationen dann durch Tests und theoretische Analysen, um das Material für die Verwendung gemäß den Anforderungen des BPVC zu qualifizieren. Dabei behält die geprüfte Materialspezifikation die gleiche ASTM-Nummer bei, ASME fügt jedoch ein „S“ zum ASTM-Präfix hinzu, um die übernommene ASTM-Spezifikation als ASME-qualifizierte Spezifikation zu kennzeichnen. Beispielsweise würde ASTM A182/A182M unter ASME BPVC zu ASME SA182/SA182M. In vielen Fällen bleibt die Übernahme einer ASTM-Materialspezifikation unverändert. In einigen Fällen wird die ASME-Materialspezifikation jedoch gegenüber der ursprünglichen ASTM-Materialspezifikation geändert, um den Anforderungen der ASME BPVC zu entsprechen. In der ASME-Version einer Materialspezifikation wird auf dem Deckblatt einer Materialspezifikation erläutert, ob eine Materialspezifikation in irgendeiner Weise geändert wurde oder nicht, wie in den Abbildungen 1a und 1b dargestellt.

ABBILDUNG 1. Hier sind die Abdeckungen für SA-178/SA-178M dargestellt (a), was auf keine Änderung gegenüber der ASTM-Version hinweist, und (b) für SA-182/SA-182M, was auf eine Änderung gegenüber der ASTM-Version hinweist

Zwei Dinge, die Ihnen neben dem angegebenen Hinweis und den unterschiedlichen Spezifikationsnummern auffallen könnten, sind, dass Abbildung 1a das ASTM-Logo auf dem Spezifikationsdeckblatt enthält, in dem es keine Änderung an der Spezifikation gibt. Diese Spezifikation wurde von ASME in der von ASTM verfassten Fassung übernommen. Und auf dem Deckblatt der Veröffentlichung heißt es: „Identisch mit der ASTM-Spezifikation A178/A178M-95.“

In Abbildung 1b ist das ASTM-Logo nicht auf dem Deckblatt enthalten, da ASME festgestellt hat, dass die Spezifikation geändert werden muss, um die Anforderungen des BPVC zu erfüllen. Und auf dem Deckblatt der Veröffentlichung heißt es: „Identisch mit der ASTM-Spezifikation A182/A182M-18, mit Ausnahme der Einbeziehung der Sorte F316Ti in Absatz 7.3.1 und der Entfernung reduzierter Festigkeitsstufen für dickere Abschnitte der Sorte F53.“ in Tabelle 3 und Anmerkung G.“

In Bezug auf Rohrleitungen sind die für die Verwendung in Rohrleitungsanwendungen aufgeführten Materialien in Anhang A-1 und A-1M des ASME B31.3 Process Piping Code aufgeführt. In der Auflistung der zulässigen Materialien unter dem Rohrleitungscode werden Sie feststellen, dass die ASTM-Materialspezifikationsnummer beibehalten wird, wie in ASTM A182/A182M. Die in B31.3 aufgeführten Materialien wurden von diesem Ausschuss überprüft und für die Verwendung als druckführendes Rohrleitungsmaterial ohne Änderung der ASTM-Spezifikationen zugelassen. Alle Materialien, die nicht in B31.3 zur Verwendung in druckführenden Flüssigkeitsdiensten aufgeführt sind, können dem Ausschuss zur Genehmigung gemäß ASME B31.3, Absatz 323.1.2, wie folgt vorgelegt werden:

323.1.2 Nicht gelistete Materialien . Nicht aufgeführte Materialien dürfen verwendet werden, sofern sie einer veröffentlichten Spezifikation entsprechen, die Chemie, physikalische und mechanische Eigenschaften, Herstellungsverfahren und -verfahren, Wärmebehandlung und Qualitätskontrolle abdeckt, und ansonsten die Anforderungen dieses Kodex erfüllen. Siehe auch ASME BPVC, Abschnitt II, Teil D, Anhang 5. Zulässige Spannungen müssen gemäß der anwendbaren zulässigen Spannungsbasis dieses Codes oder einer konservativeren Basis bestimmt werden.

Mit der Aussage im obigen Absatz 323.1.2: „…eine veröffentlichte Spezifikation, die Chemie, physikalische und mechanische Eigenschaften, Herstellungsverfahren und -verfahren, Wärmebehandlung und Qualitätskontrolle abdeckt…“ bezieht es sich auf international akkreditierte Materialspezifikationsorganisationen. wie zum Beispiel die folgenden:

Die Arbeit über internationale Grenzen hinweg mit Spezifikationen, die von Organisationen wie den oben aufgeführten veröffentlicht wurden, kann ein wenig entmutigend, verwirrend und manchmal auch etwas schwierig sein. Es besteht keine beabsichtigte direkte Korrelation zwischen den verschiedenen weltweit veröffentlichten Materialspezifikationen und Standards. Aber in diesen vielen Materialspezifikationen wird die Chemie normalerweise nicht in genauen Mengen angegeben. Die chemischen Zusammensetzungen werden stattdessen als Gewichtsprozent mit einem Maximalwert oder einem Wertebereich angegeben, nicht als spezifische Zielmenge. Dadurch wird eine Umgebung oder Situation geschaffen, in der sich die Chemie in einer Spezifikation eines Landes mit der eines anderen Landes überschneiden kann. Eine exakte chemische Übereinstimmung, bei der alle chemischen Bestandteile zwischen zwei Spezifikationen aus zwei verschiedenen Ländern übereinstimmen, wird jedoch nicht praktikabel sein. Um Spezifikationen aus den von zwei verschiedenen Ländern veröffentlichten Spezifikationen zu übertragen, ist jemand erforderlich, der mit den nuancierten Auswirkungen der verschiedenen Legierungen auf die Chemie, aus der ein Stahl besteht, bestens vertraut ist. Dies gilt auch für die Schmelztemperatur, den Abkühlprozess und die Nachbehandlung der Metallherstellungsanforderungen. Eine solche Entschlossenheit bei der Übertragung der von einer Organisation veröffentlichten Materialspezifikationen auf die einer anderen erfordert Fachwissen in der Metallurgie.

Wie können Sie angesichts der großen und vielfältigen Auswahl an Stählen, die auf dem Markt erhältlich sind, bestimmen, welches Material für eine bestimmte Anwendung und einen bestimmten Flüssigkeitsdienst geeignet ist? Es gibt viel mehr Variablen, die bei der Bestimmung eines geeigneten Materials für eine beliebige Anzahl spezifischer Prozessanwendungen eine Rolle spielen, als hier besprochen werden. Was wir jedoch tun können, ist, den Rahmen für eine Methodik zu schaffen, indem wir Beispiele für Dinge liefern, die es zu beachten gilt. Und das sage ich, weil es nicht nur darum geht, ein metallisches Material an eine Prozessflüssigkeit anzupassen. Möglicherweise müssen auch Ausnahmebedingungen berücksichtigt werden. Und Sie werden im Verlauf dieser Diskussion sehen, warum.

Die Suche nach einem kompatiblen Material zur Aufnahme einer Prozessflüssigkeit für Rohrleitungen oder Geräte ist ein einfacher Prozess der Eliminierung. Im Folgenden werden die wichtigsten Punkte eines Prozesses beschrieben, der dabei hilft, zu einem geeigneten MoC zu gelangen:

Für den oben genannten Schritt 1 meine ich mit „vernünftig“ die kostspieligeren Materialien, beispielsweise die höher legierten Materialien, gleich zu Beginn außer Acht zu lassen. Beginnen Sie mit den grundlegenden Kohlenstoffstählen wie ASTM A53 oder A106, wenn diese ein guter Ausgangspunkt sind. Der Prozess könnte Sie dann zu einem möglichen Edelstahl, einer Nickellegierung, einem mit nichtmetallischem Material ausgekleideten Rohr oder einem nichtmetallischen Material führen. Um die oben genannten vier Schritte sinnvoll abzuarbeiten, werden wir einen Probeflüssigkeitsservice einrichten, um einige notwendige Punkte in unsere Bewertung einzubeziehen. Der Probeflüssigkeitsservice besteht aus den folgenden wesentlichen Elementen:

Der erste Schritt besteht darin, kompatible Materialtypen für eine bestimmte Prozessflüssigkeitsanwendung zu finden. Dadurch wird das übermäßig breite Feld möglicher Kandidatenmaterialien sofort auf eine kleinere ausgewählte Gruppe von Materialien reduziert. Hierzu würde ich vorschlagen, sich auf Quellen zu beziehen, die Testergebnisse zur Kompatibilität verschiedener Stahlmaterialien (sowie anderer Metalle) mit denen verschiedener Flüssigkeiten zusammengestellt haben.

Solche Quellen geben die Korrosionsrate an, der ein Material ausgesetzt ist, wenn es mit einer bestimmten Flüssigkeit bei verschiedenen Temperaturen in Kontakt kommt. Typischerweise stellen sie die Ergebnisse dar, indem sie auf verschiedene Weise angeben, dass das Material akzeptabel, nominell akzeptabel, schlecht oder nicht für die Anwendung mit der angegebenen Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur empfohlen ist.

Bei der Auswahl unseres Materials in diesem Zusammenhang benötigen wir Parameter, anhand derer wir unsere Entscheidung für die Auswahl eines geeigneten Materials treffen. Zu diesen Parametern gehört der Grad der Korrosionsrate, den wir für die vorgesehene Einsatzanwendung akzeptieren können. Bevor ich mit dem Auswahlprozess beginne, werde ich diese Parameter definieren und erläutern.

Die Entwurfsgrundlage eines Projekts ist zunächst ein Verfahren, das die wesentlichen Elemente des Entwurfs und des Baus einer Prozessanlage darlegt. Darin wird neben vielen anderen grundlegenden Kennzahlen für ein Projekt die Dauer angegeben, für die die Prozessanlage betrieben werden soll, und die Grundlage, auf der Betriebszyklen berechnet und die Betriebsdauer der Materialien festgelegt werden. Wenn wir diese Zeitspanne kennen, können wir, sobald wir die Korrosionsrate eines Materials kennen, bestimmen, wie viel Materialverlust an der Wandstärke während der Lebensdauer eines Rohrleitungssystems oder eines Druckbehälters möglicherweise auftreten wird. Dies gibt die Wandstärke an, die erforderlich ist, um den Materialverlust durch Korrosion über die erwartete Lebensdauer der Anlage hinweg zu berücksichtigen und dennoch über eine ausreichende Festigkeit der verbleibenden Wandstärke zu verfügen, um den angegebenen Innendruck am Ende des Lebenszyklus einer Anlage aufrechtzuerhalten.

Im Wesentlichen muss bei der Entwicklung von Spezifikationen für ein Projekt oder für eine Unternehmensbibliothek von Verfahren, Spezifikationen und Standards einiges im Voraus über den Korrosionszuschlag (CA) nachgedacht werden. Dies ist ein wesentliches Element bei der Materialauswahl. Bei der Erstellung einer Materialspezifikation sollte diese jedoch so erstellt werden, dass eine beliebige Anzahl von Bedingungen (Fluiddienstleistungen versus MoC) erfüllt werden kann. Dies bedeutet, dass bei der Entwicklung einer Spezifikation versucht werden sollte, möglichst den Anforderungen mehrerer Fluiddienste gerecht zu werden.

In dieser Verallgemeinerung betrachten wir die Korrosionsraten für Kohlenstoff- und unlegierte Stähle für nicht aggressive Flüssigkeiten sowie für rostfreie Stähle und andere Legierungen, die für den Einsatz gegen aggressive Flüssigkeiten ausgewählt wurden, wie folgt:

Beispiel 1.

A. Als Faustregel für die Korrosionsrate gilt für nicht aggressive Flüssigkeiten (d. h. Kühlturmwasser, gekühltes Wasser usw.) in Rohren aus Kohlenstoffstahl, eine allgemeine Korrosionsrate von 1 mil/Jahr (0,001 Zoll/Jahr) zuzulassen Korrosion. Dies ist ein Nennwert, der die Korrosionsrate für diese allgemeine Materialart berücksichtigt. Wenn die Korrosionsrate diesen Wert so weit überschreitet, dass der Rohrwandplan erhöht werden muss, müssen Sie möglicherweise einen legierten Stahl in Betracht ziehen.

B. Die Korrosionsrate für rostfreie Stähle und höhere Legierungen, die für den Einsatz gegen aggressive Flüssigkeiten (d. h. Schwefelsäure, NaOH, Flusssäure usw.) ausgewählt werden, wird typischerweise auf 0,000 Zoll geschätzt.

C. Gehen Sie bei der Planung von einem 20-jährigen Anlagenlebenszyklus aus.

D. Die für Kohlenstoffstahlmaterial zugeteilte Korrosionsmenge, basierend auf 1 mil/Jahr über die 20-jährige Lebensdauer der Anlage, würde 20 x 0,001 Zoll = 0,020 Zoll betragen (erwartete Gesamtkorrosion über die Lebensdauer der Anlage).

e. Die Korrosionsmenge, die für legiertes Stahlmaterial über die 20-jährige Lebensdauer der Anlage vorgesehen ist, würde 0,000 Zoll betragen, der angegebene CA würde jedoch in einigen Fällen 0,030 Zoll betragen, um eine Sicherheitsmarge einzuschließen.

F. Korrosion tritt selten gleichmäßig im gesamten System auf. Es wäre daher ratsam, bei der Wartung innerhalb der Betriebsanlage regelmäßig an bestimmten Stellen, wie z. B. Aufprallbereichen, möglichen Kavitationsbereichen, stromabwärts von Druckminderventilen (PRVs) usw., auf örtliche Korrosion zu prüfen.

Basierend auf der empfohlenen Korrosionsrate, ausgedrückt in Punkt d oben, beträgt der CA-Wert, der typischerweise auf Kohlenstoffstahl angewendet wird, 0,050 Zoll. Und basierend auf der empfohlenen Korrosionsrate, ausgedrückt in Punkt e oben, beträgt der CA-Wert, der normalerweise auf Stahllegierungen angewendet wird, 0,00 Zoll bis 0,032 Zoll in. Der Grund für diese angewandten CA-Werte wird anhand des folgenden Beispiels deutlich, in dem die wesentlichen Elemente eines ausgewählten Materials aufgeführt sind:

Beispiel 2.

A. 6 Zoll NPS A53 Gr B ERW Kohlenstoffstahlrohr

B. Sch. 40 hat eine Wandstärke = 0,280 Zoll.

C. Ziehen Sie eine Herstellertoleranz von 12,5 % von der angegebenen Wandstärke ab (die Fertigungstoleranz ist für jede Materialspezifikation spezifisch).

1) Herstellertoleranz 0,125 × 0,280 = 0,035 Zoll.

D. Der zugewiesene CA-Wert wird von der angegebenen Wandstärke abgezogen:

1) CA wird typischerweise für Kohlenstoffstähle verwendet = 0,050 Zoll.

e. Gesamtabzüge von der Wandstärke = 0,035 Zoll + 0,050 = 0,085 Zoll.

F. 0,280 Zoll Wandstärke. – 0,085 Zoll Gesamtabzüge = 0,195 Zoll verbleibende Wandstärke am Ende des Lebenszyklus

Geht man von einer verbleibenden Wandstärke von 0,195 Zoll am Ende der berechneten Lebensdauer einer Anlage aus, würde der Berstdruck, basierend auf dieser verbleibenden Wandstärke, mit Gleichung (1) berechnet:

Wo:

B = Berstdruck, psi

D = Rohr-Außendurchmesser, Zoll.

S = Mindestzugfestigkeit, psi

T = Rohrwandstärke,

Für dieses Beispiel ergibt Gleichung (1) Folgendes:

B = (2 × 0,195 × 60.000)/6,235 = 23.400/6,235 =

3.753 psi (≈ 3.750 psi)

Mit diesen Informationen können wir dann den maximal zulässigen Druck (MAWP) für die Rohrleitung basierend auf ihrem Lebenszyklus von 20 Jahren berechnen. MAWP ist ein Begriff, der in der ASME BPVC verwendet wird und im Rohrleitungscode nicht verwendet wird. Aber es in diesem Fall als Rohrleitung zu verwenden, wird der Erzählung helfen. Bei einem Sicherheitsfaktor von 4 und einem Berstdruck von beispielsweise 3.700 psi beträgt der MAWP 3.750/4 = 937,5 oder etwa 930 psi (siehe ASME Sect. VIII, Div 1, Abs. UG-101, (m ), Bersttestdruck (mit der Ausnahme, dass die oben zur Berechnung des Sicherheitsfaktors verwendete Gleichung nicht die vollständige Gleichung in Absatz (m) darstellt (siehe Gleichungen (2) und (3)):

oder

Wo:

E = Effizienz der Schweißverbindung, falls verwendet (siehe Tabelle UW-12)

P = Maximal zulässiger Druck, psi

Sµ = spezifizierte Mindestzugfestigkeit bei Raumtemperatur

Sµ avg = durchschnittliche tatsächliche Zugfestigkeit der Prüfkörper bei Raumtemperatur

Sµr = maximale Zugfestigkeit des Spezifikationsbereichs bei Raumtemperatur.

Nachdem wir oben einen Ansatz zur Bestimmung der Festigkeit unseres Rohrleitungssystems am Ende seines Lebenszyklus dargelegt haben, werden wir uns nun noch einmal mit der Art und Weise befassen, wie die zugewiesene CA sowohl für die Kohlenstoffstahlmaterialien als auch für die legierten Stahlmaterialien bestimmt wurde.

Punkt „a“ unter Beispiel 1 oben weist darauf hin, dass die Korrosionsrate, die in dieser Diskussion für Kohlenstoffstahlmaterial angegeben wird, auf 1 mil/Jahr basiert. Anschließend wird in Punkt „d“ unter Beispiel 1 die Korrosionsrate über eine 20-jährige Lebensdauer der Anlage wie folgt extrapoliert: 20 × 0,001 Zoll = 0,020 Zoll. Die Annahme hier besteht darin, daraus zu schließen, dass, wenn Sie Wenn Sie eine höhere Korrosionsrate als 0,001 Zoll/Jahr zuweisen müssen, müssen Sie möglicherweise auf eine akzeptable Stahllegierung, ein nichtmetallisches Material oder ein mit nichtmetallischem Material ausgekleidetes Rohr zurückgreifen. Aber woher wissen Sie, wie hoch die Korrosionsrate einer bestimmten Flüssigkeitsanwendung im Vergleich zu einem bestimmten MoC zuzuordnen ist?

Wie bereits erwähnt, stehen veröffentlichte Ressourcen zur Verfügung, die solche Daten bereitstellen können. In einer dieser Veröffentlichungen finden Sie in Tabelle 1 die Legende, die die Korrosionsraten angibt.

Die Symbole in Tabelle 1 geben in den Tabellen 2 und 3 die erwartete Korrosionsrate pro Jahr an, basierend auf unserem Flüssigkeitsservice und den Daten aus den zuvor genannten Quellen, nämlich Flüssigkeit 50 % NaOH, 70 °F Betriebstemperatur, 95 °F Auslegungstemperatur , 80 psig Betriebsdruck und 110 psig Auslegungsdruck.

Bei der Überprüfung der veröffentlichten Daten für 50 % NaOH mit einer Auslegungstemperatur von 95 °F und einem MoC von Kohlenstoffstahl finden wir die erwartete Korrosionsrate in Tabelle 2. In Tabelle 2 sehen wir, dass es sich um eine 50 % NaOH-Lösung handelt Bei einer Auslegungstemperatur von 95 °F in Kohlenstoffstahl würde Zeile Nr. 6 in der Tabelle eine mögliche Korrosionsrate zwischen 0,002 und 0,020 Zoll/Jahr anzeigen. Nach dem alten Sprichwort „Planen Sie für das Schlimmste und hoffen Sie auf das Beste“ gehen wir von einer Korrosionsrate von 0,020 Zoll/Jahr aus, was uns am Ende des 20. Jahrhunderts einen kumulierten Korrosionsverlust von 0,400 Zoll ergibt -Jahres-Lebenszyklus der Anlage. Mit dieser Korrosionsrate von 0,020 Zoll/Jahr würde es innerhalb von 5 Jahren sowohl die Herstellungstoleranz (0,035 Zoll) als auch die spezifizierte Korrosionstoleranz überschreiten, was nicht einmal annähernd dem gewünschten Lebenszyklus von 20 Jahren entspricht.

Ich habe bereits erwähnt, dass „es auch Ausnahmebedingungen gibt, die möglicherweise berücksichtigt werden müssen.“ Und an dieser Stelle werde ich eines hinzufügen. Wenn Sie ein Rohrleitungssystem mit 50 % NaOH beheizen, in dem die Begleitheizung auf eine Temperatur zwischen 250 °F und 455 °F eingestellt ist, erzeugt die Begleitheizung eine Hochtemperaturzone in der Rohrleitung. Anhand von Tabelle 2 können wir erkennen, dass sich die Rohrwandtemperatur nachteilig auf das Rohrleitungsmaterial auswirkt, wenn sie bei Rohrleitungen, die 50 % NaOH enthalten, 200 °F übersteigt. Je nachdem, bei wie viel mehr als 200 °F die Begleitheizung betrieben wird, beginnen sich Löcher zu bilden. Diese Korrosionsgruben dringen innerhalb von ein bis zwei Wochen in die Rohrwand ein und geben das NaOH an die Umgebung ab. Damit soll darauf hingewiesen werden, dass über die rudimentäre Flüssigkeitskompatibilität bei Auslegungstemperatur hinaus mildernde Umstände zu berücksichtigen sind.

Die erste Überlegung zu Kohlenstoffstahl basierte auf den Kosten und der Möglichkeit, dass er akzeptabel wäre, was in diesem Fall nicht der Fall ist. Wenn wir zum nächsthöheren Kostenwert übergehen, könnten wir einen Blick auf Edelstahl 304 werfen. Es handelt sich um eine der günstigeren Stahllegierungen, die den Zweck durchaus erfüllen könnten. Wie aus Tabelle 3 hervorgeht, ist Edelstahl 304 bei einer Auslegungstemperatur von 95 °F sehr gut mit der 50 %igen NaOH-Flüssigkeit kompatibel. Und das rostfreie Material bleibt bei erhöhten Temperaturen von bis zu 212 °F mit 50 % NaOH kompatibel.

In diesem Fall wäre Edelstahl 304 gemäß Zeitplan 10S eine gute Wahl, sowohl aus Kosten- als auch aus Kompatibilitätsgründen für den 50 % NaOH-Flüssigkeitsservice. Es gibt aber auch andere kostentechnische Optionen, beispielsweise nichtmetallisches Material. Aber hier geht es um den Auswahlprozess selbst. Und stellen Sie bei der Auswahl eines kompatiblen MoC sicher, dass Sie alle außergewöhnlichen Bedenken identifiziert haben, wie in diesem Fall die Begleitheizung, oder stellen Sie sicher, dass keine weiteren Bedenken bestehen. Ein Gespräch mit dem Chemieingenieur würde in dieser Hinsicht hilfreich sein. Ein solcher Fehltritt könnte Wochen oder sogar Jahre später katastrophale Folgen haben – ein Fehltritt, der tödlich sein könnte.

Zusätzlich zu den in der obigen Diskussion beschriebenen Ausnahmeproblemen hinsichtlich der Begleitheizung einer ansonsten Umgebungsflüssigkeitstemperatur weist ASME B31.3 Anhang F, Absatz F323.1 Allgemeine Überlegungen auf eine Reihe weiterer Bedenken hin, die bei der Auswahl des Rohrleitungsmaterials berücksichtigt werden könnten , wie folgt:

Und im Hinblick auf die Materialauswahl für Systeme, die unter die Regeln für ASME B31.3 High Pressure Piping fallen, wird es deutlich komplizierter. Bei einem Hochdrucksystem müssen Sie nicht nur die Materialkompatibilität mit der Flüssigkeitsversorgung berücksichtigen, sondern auch die Auswirkungen von hohem Druck, sagen wir in einer Größenordnung, über 1.000 psig. vom Material selbst in Verbindung mit der Auslegungstemperatur.

Bei höheren Drücken oder erhöhten Temperaturen oder beidem müssen Sie das Risiko für das ausgewählte Material im Hinblick auf Bedenken wie Wasserstoffversprödung sowie auf in ASME B31.3, Absatz K302 Design Criteria for High Pressure Piping, aufgeführte Problempunkte bewerten. Zu diesen Bedenken gehören die folgenden:

Und während sich der Materialauswahlprozess, wie besprochen, auf ein Rohrleitungssystem als Beispiel bezieht, kann er mit einer eklatanten Ausnahme auch auf Prozessbehälter und andere Geräte angewendet werden. Die Regeln für Druckbehälter sind viel umfassender und viel spezifischer und anspruchsvoller als die Regeln für Rohrleitungen. Die Dynamik, die bei der Materialauswahl für Geräte berücksichtigt werden muss, ist unterschiedlich, und die Herstellungsregeln sind sehr unterschiedlich und vielfältig als bei Rohrleitungen.

Als letztes müssen die Installationskosten des ausgewählten MoC berücksichtigt werden. Die Installationskosten sind das Letzte, was berücksichtigt werden muss, da die Sicherheit und Integrität eines Prozesssystems im Auswahlprozess an erster Stelle steht. Und sobald die Auswahl im Hinblick auf Kompatibilität, Sicherheit und Integrität getroffen wurde und Ihnen mehrere Materialien, einschließlich nichtmetallischer Materialien, zur Verfügung stehen, kommt es auf die Installationskosten an.

Das Einbeziehen der Installationskosten kann tatsächlich dazu führen, dass sich die Nadel von niedrigen Vorlaufkosten für ein Material, dessen Installation möglicherweise teurer ist, zu einem Material bewegt, das zwar höhere Vorlaufkosten hat, aber möglicherweise weniger kostspielig in der Installation ist. Wenn Sie also die endgültige Entscheidung für das zu verwendende Material treffen, sollten Sie sich an den gesamten Installationskosten orientieren und nicht nur am Grundmaterial.

Der in diesem Artikel besprochene Prozess der Materialauswahl wird recht einfach und vereinfacht erklärt, aber der Prozess selbst und alles, was er mit sich bringt, sollte in Wirklichkeit von einer Person mit jahrelanger Erfahrung im CPI – jemandem – durchgeführt werden mit einer Erfahrung in der Arbeit mit den verschiedenen Materialien und Flüssigkeitsdienstleistungen, die in dieser Branche verwendet werden.

Herausgegeben von Gerald Ondrey

William M. (Bill) Huitt beschäftigt sich seit 1965 mit der Planung, Konstruktion und Konstruktion von industriellen Rohrleitungen. Zu seinen Positionen zählten Konstrukteure, Ausbilder für Rohrleitungskonstruktionen, Projektingenieure, Projektleiter, Leiter der Rohrleitungsabteilung, technischer Leiter und Präsident von WM Huitt Co. ein 1987 gegründetes Rohrleitungsberatungsunternehmen (1070 Sarala Road, St. Louis, MO 63131-0154; E-Mail: [email protected]; Website: www.wmhuittco.com). Seine Erfahrung erstreckt sich sowohl auf den Ingenieur- als auch auf den Bausektor und ist branchenübergreifend, darunter Erdölraffinierung, Chemie, Petrochemie, Pharmazie, Bioverarbeitung, Zellstoff und Papier, Kernenergie, Biokraftstoff und Kohlevergasung. Er hat zahlreiche Spezifikationen, Verfahren zu Design und Konstruktion, Richtlinien, Papiere und Zeitschriftenartikel zum Thema Rohrleitungsdesign und -technik verfasst. Huitt hat außerdem „Bioprocessing Piping and Equipment Design – A Companion Guide for the ASME BPE Standard“ geschrieben, das über die Verlagspartnerschaft von ASME Press und Wiley Publishing veröffentlicht wurde. Er ist ehemaliges Mitglied der International Society of Pharmaceutical Engineers, des Construction Specifications Institute und ein aktuelles und aktives Mitglied von ASME. Er ist Mitglied des B31.3-Sektionsausschusses, ehemaliger Vorsitzender der B31.3-Untergruppe H für hochreine Rohrleitungen, stellvertretender Vorsitzender des ASME-BPE-Unterausschusses für Zertifizierung, Mitglied von drei weiteren ASME-BPE-Unterausschüssen und in mehreren Arbeitsgruppen aktiv . Huitt ist außerdem Mitglied des ASME Board on Conformity Assessment for BPE Certification, Mitglied des A13 Standards Committee für Standard A13.1 Scheme for the Identification of Piping Systems, Mitglied der API Task Groups für RP-2611 und RP-2611. 1110. Er ist außerdem Autor des Schulungsprogramms und bietet Schulungen für ASME-Berater für die Auditierung von Armaturenherstellern an, die ihre ASME BPE-Zertifizierung beantragen oder erneuern.