Como calcular o PREN para seleção de tubos: 254SMO vs 904L vs 316L Exemplo trabalhado|HUITONG

A água do mar do Golfo atinge 35 graus durante seis meses do ano. Nessa temperatura,tubo 316Lem uma usina de dessalinização, a ingestão tem uma taxa de corrosão que deixa os engenheiros nervosos,904L fica bem em sua temperatura crítica de corrosão, e254SMOtem uma margem de segurança de 40 graus. A questão não é qual liga é "melhor" - cada folha de dados informa que o 254SMO vence.

A questão é: como calcular o limite, dimensionar a parede e descobrir se a atualização da liga se paga? Este artigo percorre toda a cadeia de cálculo, desde as condições de serviço até o custo por ano de serviço, usando uma linha de água de resfriamento de uma usina de dessalinização saudita como exemplo trabalhado.

Passo 1: Definir as Condições de Serviço

Antes de qualquer cálculo, você precisa de quatro números da ficha técnica do processo:

O teor de cloreto e a temperatura são os dois insumos que orientam o requisito do PREN. O pico de 35 graus é importante porque o pites é um processo dependente da temperatura - a temperatura crítica de pites (CPT) é a temperatura do metal acima da qual os pites estáveis ​​iniciam e se propagam. Se a temperatura do projeto estiver acima do CPT da liga, a liga irá sofrer corrosão. Período.

Passo 2: Calcule o PREN Mínimo para o Serviço

O Número Equivalente de Resistência à Picagem (PREN) é o índice mais útil para classificar aços inoxidáveis ​​em serviço com cloreto. A fórmula para graus austeníticos é:

PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N

Os coeficientes vêm de pesquisas eletroquímicas: o molibdênio contribui com cerca de 3,3 vezes mais resistência à corrosão do que o cromo por porcentagem em peso, e o nitrogênio contribui com cerca de 16 vezes mais. Para classes duplex, às vezes é adicionado um termo de tungstênio: PREN=%Cr + 3.3(%Mo + 0.5%W) + 16%N, mas para as classes austeníticas neste exemplo, a fórmula padrão se aplica.

Vamos calcular o PREN para três ligas candidatas usando composições nominais-médias das especificações ASTM:

O limiar da água do mar

Uma regra da indústria amplamente aceita afirma quePREN Maior ou igual a 40 é o mínimo para imersão contínua confiável em água do mar natural. Este não é um requisito de código - ASME e ASTM não o codificam - mas reflete décadas de experiência de campo em serviços marítimos e de dessalinização. Abaixo do PREN 40, a liga eventualmente irá picar em água do mar quente e arejada, especialmente em fendas.

Olhando para a mesa:

316L (PREN 24,7): falha no limite em 15 pontos. Não é adequado para imersão contínua em água do mar.

904L (PREN 36,7): falha no limite em 3 pontos. Sobreviverá à água do mar ambiente, mas é marginal a 35 graus.

254SMO (PREN 43,8):Limpa o limite em 4 pontos. Adequado para serviço com água do mar quente.

Uma nota sobre as limitações do PREN

PREN é uma ferramenta de classificação, não um código de design. Não leva em conta:

• Tungstênio (W), que contribui para a resistência à corrosão em frestas em alguns graus super duplex
• Cobre (Cu), que melhora a redução da resistência a ácidos, mas é neutro para corrosão por cloretos
• Acabamento da superfície, condição da solda e velocidade do fluxo, todos os quais alteram o CPT real

Para serviços críticos, o PREN informa quais ligas selecionar. A decisão final requer a verificação do CPT e CCT reais dos dados de teste ASTM G48 ou ASTM G150.

Etapa 3: Verifique CPT e CCT em relação à temperatura de projeto

O PREN dá uma classificação. CPT e CCT fornecem os limites reais de temperatura. Os dois métodos de teste padrão são:

Método ASTM G48 A/C: Teste de imersão em cloreto férrico. Fornece CPT (Método A) e CCT (Método D).

ASTM G150: Teste eletroquímico de corrosão em NaCl 1 M. Dá CPT.

Valores representativos de folhas de dados publicadas e artigos de pesquisa:

Nossa temperatura de projeto é de 35 graus. Agora o cálculo fica simples:

Este é o cerne do cálculo. No pico de temperatura da água do mar de 35 graus, o 904L fica exatamente em seu CPT. Na prática, isso significa que qualquer variação de temperatura, qualquer fenda, qualquer depósito ou qualquer imperfeição de solda iniciará a corrosão.. 254O SMO tem uma margem de 35 graus, que cobre variações sazonais e pontos quentes.

Etapa 4: Calcular a espessura da parede de acordo com ASME B31.3

Uma vez selecionada a liga, o cálculo da espessura da parede segue ASME B31.3, Capítulo IV. A fórmula para tubo reto sob pressão interna (aproximação de parede-fina, válida quando t < D/6):

t = (P × D) / (2 × (S × E + P × Y))

Onde:

t=espessura de parede necessária (mm), antes da tolerância à corrosão

P=pressão interna de projeto (MPa)=1.6 MPa (16 bar)

D=diâmetro externo (mm)=219.1 mm (NPS 8", DN 200)

S=tensão admissível da ASME Seção II-D (MPa)

E=fator de qualidade (1,0 para contínuo, 0,85 para ERW)

Coeficiente Y=da Tabela 304.1.1=0.4 (austenítico, menor ou igual a 482 graus)

Valores de tensão permitidos (Seção II-D da ASME, indicativos)

Cálculo trabalhado para 254SMO (liga selecionada)

Substituindo na fórmula da espessura da parede:

Para referência, se a mesma linha fosse construída em 316L (ignorando o risco de falha por pite):

O cálculo do 316L requer Sch 40S (8,18 mm) devido à tolerância à corrosão de 3 mm para água do mar. 254O SMO requer apenas Sch 10S (3,76 mm) porque não precisa de tolerância à corrosão neste serviço. O peso por metro cai de 42,1 kg/m para 19,3 kg/m - uma redução de 54%. Essa redução de peso contribui diretamente para o cálculo de custos.

Etapa 5: cálculo do custo-por{2}}ano-de-serviço

O último cálculo responde à questão de aquisição: a liga mais cara se paga ao longo da vida útil do projeto? Para fazer isso, você precisa de:

• Custo do material por metro (com base no peso x preço da liga)
• Diferencial de custo de instalação (tubo mais fino=menos suporte, menos soldagem)
• Vida útil esperada antes da substituição

Custo de material por metro

O 254SMO custa 2,4 vezes mais por metro do que o 316L para a mesma classificação de pressão. Mas esse não é todo o cálculo.

Suposição de vida útil

Custo por ano de serviço (apenas material)

O 254SMO é, na verdade, a opção mais barata por ano de serviço, apesar de ter o maior custo inicial de material. A redução de 54% no peso da parede mais fina, combinada com a ausência de tolerância à corrosão e uma vida útil projetada de 25+ anos, reduz o custo anual para menos de 316L -, que precisaria ser substituído pelo menos duas vezes em 25 anos.

Fatores de custo adicionais que não estão no cálculo base

O custo de desligamento de reposição é o fator que as equipes de compras mais frequentemente subestimam. O encerramento de uma central de dessalinização para substituição de tubagens pode custar 200.000–200.000–500.000 por dia em produção de água perdida. Se o 316L precisar ser substituído no ano 10 e no ano 20, o custo de desligamento por si só supera o prêmio de material do 254SMO.

Etapa 6: Decisão Sumária

Decisão: Para uma linha de água de resfriamento DN 200 em água do mar do Golfo a 35 graus, especifique tubo sem costura 254SMO (UNS S31254), ASTM A312/A312M, Sch 10S, recozido em solução e temperado com água. O cálculo mostra que ele é tecnicamente mais seguro e economicamente mais barato por-ano-de-serviço do que 316L ou 904L.

Perguntas frequentes

Qual é a fórmula PREN e quando ela se aplica?

A fórmula PREN mais comum para aços inoxidáveis ​​austeníticos é PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N. Aplica-se a classes austeníticas sem tungstênio. Para classes duplex e super duplex que contêm tungstênio, uma fórmula estendida PREN=%Cr + 3.3(%Mo + 0.5%W) + 16%N às vezes é usada. PREN é uma ferramenta de classificação para resistência ao pite, não um código de projeto. Ele não prevê a taxa real de corrosão por pites, corrosão em frestas ou fissuração por corrosão sob tensão.

Por que o PREN 40 é o limite para a água do mar?

PREN Maior ou igual a 40 é uma regra empírica baseada em décadas de experiência de campo em serviços marítimos, offshore e de dessalinização. Não está codificado nas normas ASME ou ASTM. Ligas com PREN abaixo de 40 eventualmente irão picar em água do mar natural quente e aerada, especialmente sob depósitos, em fendas ou em imperfeições de solda. Ligas iguais ou superiores a 40 têm uma margem prática contra corrosão em imersão contínua em água do mar. O limite é conservador para água do mar fria e limpa e pode não ser suficiente para água do mar quente, estagnada ou clorada.

O 904L pode ser usado em água do mar?

Sim, mas com cautela. 904L (PREN ~36,7) é adequado para água do mar-à temperatura ambiente (abaixo de 25 graus), água salobra e exposição intermitente. É marginal entre 30 e 35 graus e arriscado acima de 35 graus. Na água do mar do Golfo, que atinge 35 graus no verão, o 904L fica em seu CPT e irá cavar em fendas e depósitos. Para imersão contínua em água do mar quente, 254SMO ou super duplex S32750 (PREN ~42) são as escolhas corretas.

O cálculo da espessura da parede muda para 254SMO em comparação com 316L?

Sim. A fórmula de espessura de parede ASME B31.3 usa a tensão admissível S da ASME Seção II-D. 254SMO tem uma tensão admissível mais alta (138 MPa vs 115 MPa para 316L a 35 graus) devido ao seu reforço com nitrogênio. Além disso, o 254SMO em serviço com cloreto não precisa de tolerância à corrosão, enquanto o 316L requer 2 – 3 mm. O efeito combinado é que o 254SMO pode usar o Sch 10S, onde o 316L requer o Sch 40S - aproximadamente metade da parede e metade do peso para a mesma classificação de pressão.

O cálculo do custo-por{1}}ano é sempre favorável à liga mais-resistente à corrosão?

Nem sempre. Se a vida útil do projeto for curta (5 a 10 anos), o custo inicial do 254SMO pode não ser amortizado. Se o serviço for intermitente, frio ou com baixo teor de-cloreto, 316L ou 904L podem ser suficientes e mais baratos tanto antecipadamente quanto anualmente. O cálculo favorece o 254SMO quando: (1) a vida útil do projeto é de 20+ anos, (2) a temperatura de serviço está acima do CPT 904L e (3) os custos de desligamento de substituição são altos. Para uma usina de dessalinização de 25 anos, a matemática é clara.

E o super duplex S32750 como alternativa ao 254SMO?

Super duplex S32750 (PREN ~42) é uma alternativa válida ao 254SMO (PREN ~44) para água do mar quente. Oferece maior resistência ao escoamento (550 MPa vs 300 MPa), o que reduz ainda mais a espessura da parede. No entanto, o super duplex possui uma janela de soldagem mais estreita, um limite de fragilização de 475 graus e um conjunto diferente de regras de fabricação. Para uma planta de dessalinização com muitas soldas de campo e sem variações de temperatura acima de 300 graus, ambas as ligas funcionam. A escolha geralmente se resume à qualificação de soldagem, disponibilidade e preferência do especificador.

Precisa de um cálculo de seleção de tubulação-baseado em PREN para seu projeto de serviço de cloreto?

A HUITONG fornece tubos 254SMO (UNS S31254), 904L (UNS N08904) e 316L de acordo com ASTM A312/A312M com conformidade total com EN 10204 3.1/3.2 MTC, espessura de parede ASME B31.3 e suporte de engenharia para dessalinização, FGD e projetos marítimos na Arábia Saudita e no Golfo. Envie suas condições de processo e lista de linhas paramarket@htpipe.comou WhatsApp+86-19339900201para seleção de liga, dimensionamento de parede e resposta de cotação.

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