Studie, ontwerp en ontwikkeling van LNG-opslagtanks in 9% Ni-staal
Doel van het project
Opslagtanks voor vloeibaar aardgas (LNG) worden meestal gemaakt in 9%Ni-staal, waarvan de productie in België sedert decennia een belangrijke plaats inneemt op wereldschaal. De toepassing en het lassen van dergelijke stalen zijn reeds het onderwerp geweest van talloze onderzoeken waaraan het BIL actief heeft deelgenomen en daardoor een solide ervaring heeft opgebouwd.
Tot op heden beperken de productie van platen uit dit type staal en de geregulariseerde toepassingsregels zich tot een dikte van 40 mm. Aan de andere kant eist de vraag naar steeds toenemende opslagcapaciteit de realisatie van reservoirs met aanzienlijk grotere inhoud en dus ook het gebruik van platen met een grotere dikte.
Het doel van dit onderzoek, dat gesubsidieerd wordt door het Waals Gewest, is de ervaring bij toepassing van 9%Ni-stalen, momenteel enkel verworven voor het bouwen van LNG opslagtanks met een volume kleiner dan 80.000 m³, uit te breiden tot reservoirs met grote capaciteit, d.w.z. tot een volume van 200.000 m³ en een wanddikte van 80 mm.
Projectomschrijving
Vanuit economisch standpunt is de intentie van dit onderzoek om de leidinggevende positie van België te waarborgen betreffende 9%Ni-staalproductie en -verwerking voor deze nieuwe markt van opslagtanks met grote capaciteit. Om daaraan tegemoet te komen worden in hoofdzaak twee doelstellingen vooropgezet. Vooreerst moeten bestaande nuances geoptimaliseerd worden voor een dikte van 50 mm door de chemische samenstelling en de thermo-mechanische behandeling zodanig aan te passen dat nog steeds voldaan is aan ASTM A553 (Type I) en EN10028-4 (Type X7Ni9) voor dit type materiaal. Voorts moet de lasbaarheid geoptimaliseerd worden om eveneens te voldoen aan gangbare codes voor de bouw van LNG opslagtanks.
Om deze twee doelstellingen te bereiken, is het overduidelijk dat het onderzoek iteratief moet uitgevoerd worden omdat de resultaten van het lasbaarheidsonderzoek ook bepalend kunnen zijn voor de samenstelling of thermo-mechanische behandeling van het te ontwikkelen product. Het bijstellen van de lasbaarheid moet gestuurd worden via de experimentele en complementaire mogelijkheden van het CEWAC en het BIL.
Wat de mechanische karakteristieken van het basismetaal aangaat, was het noodzakelijk om naast de klassieke proeven (trek, plooi, kerfslag, ...) ook experimenten te voorzien waarbij de scheur-initiatie en -propagatie van het staal bestudeerd kunnen worden. Deze eigenschappen zijn immers kritiek voor het type van constructie (LNG opslagtank) waarvoor dit materiaal ontwikkeld is geweest.
Betreffende de lasbaarheid van het staal zijn de volgende proeven geprogrammeerd:
- Lassimulaties waarbij thermische lascycli nagebootst worden op standaard proefstaven.
- Scheurpropagatie-proeven onder dienstvoorwaarden i.v.m. temperatuur, representatieve afmetingen, ...
- Niet-destructieve detectie en karakterisatie van lasfouten.
Wegens de strenge eisen gesteld aan de verschillende eigenschappen voor dit type materiaal zijn eenvoudige proefnemingen noodzakelijk die kunnen gerealiseerd worden op industriële schaal teneinde de karakteristieken van elk aangepast product te kunnen verifiëren.
Dit is reeds mogelijk bij de staalleverancier wat betreft de klassieke mechanische proeven maar dienen hoogstwaarschijnlijk, in het geval van dikke platen, uitgebreid te worden voor eigenschappen die verband houden bv. met scheurpropagatie. Daarom moet vanuit experimenteel standpunt het onderzoek minstens het volgende inhouden:
- Studie en aanpassing van een testopstelling voor dynamische proeven voor uitvoering van zgn. “Dynamic Tear” testen.
- Studie en ontwikkeling van een testbank voor het op punt stellen van zgn. Duplex ESSO proeven. Dit zijn grootschalige proeven ter bepaling van de weerstand tegen scheurpropagatie onder transversale schokbelasting.
- Het afstemmen van niet-destructieve metingen (zowel procedure als methodologie) aangepast aan de natuur van het (de) product(en) en het toevoegmetaal.
Voor de industriële proeven die moeten toelaten het staal en de gelaste verbindingen te karakteriseren met betrekking tot scheurpropagatie zal daarenboven de aanpassing van zgn. MRD proeven (maat voor reserve aan ductiliteit) en/of het vastleggen van een algoritme, die de interpretatie moet toelaten in functie van de BIL-resultaten op grootschalige proefstukken, moeten overwogen worden.
Ingevolge de “in situ” fabricage van opslagtanks zijn de te onderzoeken lasprocedures het automatisch onderpoederdeklassen en het manuele electrode-lassen.
Resultaten
Resultaten 2006
Industeel, België, heeft gedurende de eerste zes maanden van het project een geoptimaliseerde nuance geproduceerd waarvan de lasbaarheid door lassimulaties onderzocht werd. Daarbij werd voor enkelvoudige lascycli gekozen voor piektemperaturen gaande van 700 °C tot maximum 1350 °C (bereikt na enkele seconden) en voor afkoelsnelheden tussen 800 °C en 500 °C van 10 °C/s tot 60 °C/s. Dubbele lascycli met dezelfde afkoelsnelheden werden gesimuleerd bij een constante eerste piektemperatuur van 1350 °C gevolgd door een tweede variërend van 600 °C tot 900 °C.
De resterende kerfslagtaaiheid bij -196 °C daalde van 250 J (niveau van basismetaal) tot ongeveer 20 J tot 40 J voor microstructuren dicht bij de fusielijn en dus overeenstemmend met de hoogste piektemperatuur alhoewel het thermisch effect van daaropvolgende laspassen meestal gunstig was. Bij lagere piektemperaturen werd steeds een gemiddelde taaiheid van minstens 100 J genoteerd. De taaiheid dicht bij de fusielijn is vrij laag alhoewel vergelijking met vorige onderzoeken op 9%Ni-stalen aantoont dat reële lasverbindingen nog een uitstekende taaiheid hebben bij cryogene temperaturen, wat wijst op een onderschatting van de werkelijke taaiheid via lassimulaties. De afwijking tussen simulatie en realiteit lijkt materiaalafhankelijk en alles wijst erop dat precies 9%Ni-stalen op dit vlak de grootste inconsistentie vertonen.
Het dient vermeld dat basismetaal CTOD-proeven op volle dikte (50 mm) bij -170 °C en bij -196 °C een uiterst hoge taaiheid van 0,45 mm of meer hebben opgeleverd wat beduidend hoger is dan in de praktijk opgelegde waarden.
Resultaten 2007
In 2007 werd een literatuurstudie uitgevoerd en werd de bestaande valhamer met een maximale energie van 4000 J aangepast zodanig dat zgn. “Dynamic Tear” of DT-proeven volgens ASTM E604 bij het BIL konden uitgevoerd worden.
Resultaten 2008
In 2008 werd het onderzoek over dikwandig 9%Ni-staal verdergezet met het volledig afwerken van een proefopstelling voor grootschalige zgn. duplex ESSO scheurpropagatie-proeven en de uitvoering ervan op het in 2006 geoptimaliseerd basismetaal.
Proefopstelling duplex ESSO breukstop-proef
Tenslotte werd ook nog in ditzelfde jaar twee grootschalige duplex ESSO breukstop-proeven uitgevoerd na met succes een bestaande trekbank uitgebreid te hebben zodanig dat het mogelijk geworden was om een proefstuk op volle dikte onder hoge spanning te brengen, af te koelen tot zeer lage temperaturen en finaal een zijdelingse impact te ondergaan in het vlak van de testplaat. Tijdens de eerste fase werd deze proef uitgevoerd op het basismateriaal, zodat de proefopstelling op punt gezet kan worden.
Deze verkennende proeven hebben reeds bewezen dat het materiaal inderdaad gemakkelijk een geïnitieerde snellopende brosse breuk kan tot stoppen brengen bij een temperatuur van -170 °C en een aangelegde spanning ongeveer gelijk aan 2/3 van de vloeigrens (bij kamertemperatuur). Vanwege de grote proefstaafsectie vereist die spanning immers een belasting die de maximum capaciteit van de beschikbare trekbank benadert waardoor, mede wegens de bijkomend aan te brengen slagenergie, de veiligheid bij de proefuitvoering nog binnen aanvaardbare grenzen gehouden wordt.
De resultaten bevestigen tevens de besluiten genomen bij de eerder uitgevoerde kleinschalige Drop Weight of Pellini proeven waar aangetoond werd dat de zgn. Nil-Ductility Transition of NDT temperatuur lager is dan -196 °C. Dergelijk materiaal is dus zonder twijfel in staat om de uitbreiding van een ingezette brosse breuk in een grote LNG opslagtank, zelfs al kan dit slechts uitzonderlijk voorkomen, sterk te beperken waardoor het openritsen van de LNG tank over de volledige hoogte zal verhinderd worden. Dit zou dus in sterke mate de uitstroom van vloeibaar gas beperken en de veiligheid van de LNG installatie in gebruik ten goede komen.
Resultaten 2009 en 2010
Lassimulatieproeven werden uitgevoerd ter bepaling van de lasbaarheid en zouden uitgebreid worden met andere klassieke en minder klassieke proeven op basismetaal en gelaste verbindingen. Van groot belang daarbij is te onderzoeken welke de scheurstopmogelijkheid van basismetaal en gelaste verbindingen is bij cryogene temperaturen en daarom werden in het project zowel klein als grootschalige proefnemingen voorzien die toelaten om die eigenschap degelijk te evalueren. Ter illustratie is de microstructuur van de warmtebeïnvloede zone, gesimuleerd bij een piektemperatuur van 1350 °C en een afkoelsnelheid van 60 °C/s, weergegeven in de volgende figuur.
In tegenstelling tot wat in het origineel projectvoorstel overeengekomen was, werd naast manuele lasverbindingen met beklede elektrode en automatische onderpoederlasnaden, ook een semi-automatische lasnaad met gevulde draad ter beschikking gesteld. Op die laatste zou bij het BIL een beperkt proefprogramma uitgevoerd worden vooral gebaseerd op taaiheidsproeven. Die projectwijziging werd voorgesteld door ArcelorMittal, Creusot Loire, Frankrijk. Tevens werd aangeraden om bepaalde parameters in het bestaande programma te veranderen, zoals proeftemperatuur, kerfposities, aantal herhaalproeven, enz…
Daarenboven werden onmiddellijk na het lassen in bepaalde verbindingen lasfouten vastgesteld, waarmee rekening diende gehouden te worden bij het verder verdelen van de proefplaten tot proefstaven. Gezien die toch wel ingrijpende wijzigingen was het voor het BIL niet eenvoudig om optimaal rekening te houden met het origineel en het gewijzigd voorstel.
In 2010 werden dan ook alle kleinschalige proefstaven genomen uit in totaal dus drie soorten lasverbindingen (SMAW, SAW en FCAW), elk onderverdeeld in verschillende proefplaten, en volledig voorbereid. Dit zijn Drop Weight proefstaven (of Pellini), Dynamic Tear proefstaven (DT volgens ASTM E604) en CTOD proefstaven op volle dikte, die allen te testen zijn bij cryogene temperaturen (170 °C of 196 °C).
De plannen voor de grootschalige proefnemingen, waaronder duplex ESSO proeven ter controle van de scheurstop eigenschappen bij extreem lage temperaturen, zijn ook klaar voor het verdelen van de beschikbare proefplaten.