Dvipusis nerūdijantis plienas jūrų inžinerijoje: mechaniniai privalumai ir dėklai

Dvipusio nerūdijančio plieno mechaninių savybių privalumai: pritaikymo atvejai jūrų inžinerijos konstrukcinių komponentų atveju

Kalbant apie statybines konstrukcijas, kurios gali atlaikyti atšiaurias vandenyno sąlygas-traiškantis sūrus vanduo, negailestingos bangos ir nuolatinė drėgmė{1}}, labai svarbu pasirinkti medžiagą. Jūrų inžinieriai jau seniai ieškojo metalo, kuris galėtų subalansuoti stiprumą, atsparumą korozijai ir kainą. Įveskite dvipusį nerūdijantį plieną. Šis unikalus lydinys, pagamintas iš maždaug vienodų austenitinio ir feritinio nerūdijančio plieno dalių, pasižymi retu mechaninių savybių deriniu, dėl kurio jis idealiai tinka jūrinių konstrukcijų komponentams. Nuo atviroje jūroje esančių naftos platformų iki laivų korpusų – dvipusis nerūdijantis plienas pasitvirtina taip, kad tradicinės medžiagos, tokios kaip anglinis plienas ar net standartinis austenitinis nerūdijantis plienas, neprilygsta.

Mechaninis kraštas: kuo dvipusis nerūdijantis plienas išsiskiria

Dvipusis nerūdijantis plienas gavo savo pavadinimą dėl dviejų{0}}fazių mikrostruktūros, o šis dvilypumas suteikia jam išskirtinių mechaninių savybių:​

Didelis atsparumas tempimui: kurių minimalus tempiamasis stipris yra 600 MPa-beveik 50 % didesnis nei 316 l austenitinio nerūdijančio plieno-, dvipusės klasės, tokios kaip 2205, gali atlaikyti didesnes apkrovas be deformacijų. Tai reiškia, kad plonesni, lengvesni komponentai gali atlikti tą patį darbą kaip ir storesni gabalai, pagaminti iš kitų metalų, todėl sumažėja svoris ir medžiagų sąnaudos.

Puikus atsparumas nuovargiui: vandenyno struktūros patiria nuolatinį bangų ir srovių įtempimą, dėl kurio metalas laikui bėgant gali susilpnėti (reiškinys vadinamas nuovargiu). Dvipusis nerūdijantis plienas tam atsparus geriau nei dauguma metalų; bandymai rodo, kad jis be gedimų gali atlaikyti 10 milijonų įtempių ciklų esant 300 MPa, palyginti su 7 milijonais ciklų su 316 litrų.​

Geras atsparumas smūgiams: net šaltame jūros vandenyje (iki -40 laipsnių poliariniuose regionuose) dvipusis nerūdijantis plienas išlieka kietas. Jis nesudužtų nuo staigių smūgių-kaip plaukiojantis rąstas atsitrenktų į platformos koją jūroje, o kai kurie feritiniai plienai šaltoje temperatūroje tampa trapūs.​

Subalansuotas atsparumas korozijai: nors ir nėra toks{0}}atsparus korozijai kaip superaustenitinės klasės, dvipusis nerūdijantis plienas suteikia daugiau nei pakankamai apsaugos daugumoje jūrinių aplinkų. Jame esantis chromo kiekis (22–25 %) sudaro apsauginį oksido sluoksnį, kuris yra atsparus sūraus vandens įdubimams, o molibdenas (3–5 %) padidina apsaugą nuo plyšių korozijos ankštose vietose, pavyzdžiui, varžtų skylėse.

Užjūrio platformos kojos: tvirtai stovi prieš bangas

Jūros naftos ir dujų platformoms reikia kojų, galinčių atlaikyti tūkstančius tonų svorį ir ištverti negailestingą bangų poveikį. Dešimtmečius šios kojos buvo gaminamos iš anglinio plieno, padengto dažais arba betonu, tačiau jas reikėjo dažnai prižiūrėti-kas 3–5 metus, narams teko taisyti korozijos žalą, kainuojančią milijonus.​

2018 m. Šiaurės jūros platforma buvo pakeista į 2205 dvipusį nerūdijantį plieną savo naujoms atraminėms kojoms. 1,2 metro skersmens ir 40 metrų ilgio kojos buvo suprojektuotos taip, kad būtų 30 % plonesnės nei anglinio plieno versijos, bet tokios pat tvirtos. Po penkerių metų eksploatacijos patikrinimai beveik neparodė korozijos, o kojos be nuovargio požymių atlaikė 12 didelių audrų. Operatorius apskaičiavo, kad per 25 metų platformos eksploatavimo laikotarpį perjungimas leis sutaupyti 2 mln. USD priežiūros išlaidų.

Inžinieriai vertina, kad dvipusio plieno didelis atsparumas tempimui leidžia plonesnes sienas, o tai sumažina bendrą platformos svorį ir palengvina montavimą. Jo atsparumas nuovargiui taip pat vaidina svarbų vaidmenį-bangų smūgiams, dėl kurių anglinio plieno mikro-įtrūkimai atsimuštų į dvipusę struktūrą nepažeidžiant ilgalaikės žalos.​

Laivo korpuso plokštės: lengvos ir patvarios

Laivų statytojai visada siekia sumažinti svorį, kad padidintų kuro efektyvumą, bet ne jėgos kaina. Dvipusis nerūdijantis plienas tapo žaidimu-kemikalų tanklaivių ir atviroje jūroje tiekimo laivų korpuso plokščių keitikliu.​

Norvegijos laivų statykla pastatė 120 - metrų tiekimo laivą, kurio korpusui buvo pagamintas 2507 super duplex nerūdijantis plienas. Palyginti su panašiu laivu, pagamintu iš 316L nerūdijančio plieno, dvipusė versija svėrė 15% mažiau. Tai sumažino degalų sąnaudas 8 %, o tai žymiai sutaupo per 20 metų laivo eksploatavimo laiką. Korpusas taip pat pasižymėjo nepaprastu atsparumu sūraus vandens korozijai ir smėlio bei šiukšlių abrazyviniam poveikiui, kurį pakėlė propeleriai.

Laivui vadovaujantis kapitonas Larsas Hansenas pažymėjo: "Mes kiekvieną įplaukimą į uostą praleisdavome dvi dienas, perdažydami rūdžių dėmes ant korpuso. Naudojant dvipusį plieną, 18 mėnesių išgyvenome be jokios matomos korozijos. Dėl to priežiūra tapo daug paprastesnė."​

Povandeninio vamzdyno jungtys: sandarinimas esant slėgiui

Povandeniniais vamzdynais naftą, dujas ir vandenį aukštu slėgiu (iki 300 barų) teka 1000 metrų ar daugiau gylyje. Šiuos vamzdynus jungiančios jungtys turi sandariai užsandarinti ir būti atsparios jūros vandens ir viduje esančių skysčių korozijai.

Didžioji naftos bendrovė pakeitė savo tradicines 316 l nerūdijančio plieno jungtis 2205 dvipusėmis versijomis dujotiekyje Meksikos įlankoje. Naujos jungtys yra mažesnės, bet tvirtesnės, atlaiko tą patį slėgį, o svoris sumažėjo 20%. Inžinierius tikrai sužavėjo jų atlikimas plyšių korozijos bandymuose-po 10 000 valandų panardinus į imituojamą jūros vandenį, dvipusės jungtys neparodė jokių įdubimų požymių, o 316L versijose atsirado mažų skylių.​

Bendrovės projektų vadovas paaiškino: „Anksčiau didžiausias mūsų galvos skausmas kėlė jungčių plyšių koroziją. Naudojant dvipusį plieną, kasmet keičiame 10 % jungčių iki mažiau nei 1 %. Tai labai padidina patikimumą.

Švartavimo grandinės: pakankamai tvirtos audroms

Švartavimo grandinės laiko plūduriuojančias konstrukcijas, tokias kaip plūdurai ir vėjo turbinos jūroje, ištveria nuolatinę įtampą ir sukimąsi nuo srovių. Anglinio plieno grandinės yra tvirtos, bet greitai rūdija, jas reikia keisti kas 5-7 metus

Dvipusės nerūdijančio plieno grandinės, kaip ir naudojamos vėjo jėgainėse prie Škotijos krantų, pasirodė daug patvaresnės. 50 mm skersmens grandinės, pagamintos iš 2304 dvipusio plieno, buvo eksploatuojamos šešerius metus su minimalia korozija. Tempimo bandymai rodo, kad jie išlaikė 95 % pradinio stiprumo, palyginti su 70 % to paties amžiaus anglinio plieno grandinėmis.

Vėjo jėgainių parko operatorius apskaičiavo, kad nors dvipusės grandinės iš anksto kainuoja 30 % daugiau, jos tarnaus 20 metų, o ne 7. Sumažės ilgalaikės sąnaudos 40 %. „Anksčiau kas dvejus metus turėdavome savaitei išjungti turbinas, kad pakeistume grandines“, – sakė aikštelės inžinierius. "Dabar galime sutelkti dėmesį į techninę priežiūrą, kuri iš tikrųjų pagerina našumą."

Kodėl „Duplex“ pranoksta kitas medžiagas jūrų nustatymuose

Norėdami suprasti, kodėl dvipusis nerūdijantis plienas populiarėja, palyginkite jį su įprastomis alternatyvomis:​

Anglinis plienas: pigiau iš anksto, tačiau reikia brangių dangų ir dažnai keisti. Jo atsparumas tempimui (400-500 MPa) yra daug mažesnis nei dvipusis, todėl komponentai turi būti storesni ir sunkesni.

316L austenitinis nerūdijantis plienas: atsparesnis korozijai- nei anglinis plienas, bet mažesnis tempiamasis stipris (480 MPa) ir atsparumas nuovargiui. Be to, daugeliu atvejų jis yra brangesnis nei dvipusis

Titanas: pasižymi puikiu atsparumu korozijai, bet kainuoja 5–10 kartų daugiau nei dvipusis ir yra sunkiau suvirinamas, todėl jis nepraktiškas dideliems konstrukciniams komponentams.​

Dvipusis nerūdijantis plienas puikiai tinka: geresnės mechaninės savybės nei 316 l, panašus atsparumas korozijai daugeliui jūrų reikmenų ir kaina, leidžianti pritaikyti didelius{1}} mastus.​

Praktiniai duplekso naudojimo jūrų inžinerijoje svarstymai

Nors dvipusis nerūdijantis plienas turi aiškių pranašumų, tai nėra vienas -dydžio-visiems tinkantis- sprendimas. Štai pagrindiniai veiksniai, į kuriuos inžinieriai atsižvelgia:

Suvirinimas: dvipusį plieną reikia kruopščiai suvirinti, kad išlaikytų dviejų{0}}fazių struktūrą. Naudojant žemo-šilumos procesus, tokius kaip TIG suvirinimas ir po-suvirinimo siūlės atkaitinimas padeda išsaugoti stiprumą ir atsparumą korozijai. Pietų Korėjos laivų statykla apmokė savo suvirintojus naudoti dvipusio spausdinimo metodus ir pastebėjo, kad defektų skaičius sumažėjo nuo 8% iki 1%.

Kaina ir eksploatavimo trukmė: dvipusis plienas kainuoja 20–30 % daugiau nei 316 l, tačiau dėl ilgesnės eksploatavimo trukmės (20+ metų, palyginti su. 10-15 316 litrų), laikui bėgant jis atpigs. Projektams, kurių gyvavimo trukmė yra trumpa (iki 10 metų), papildomos išlaidos gali būti nepateisinamos

Aplinkos ypatumai: ypač atšiaurioje aplinkoje,{0}}pavyzdžiui, vietovėse, kuriose yra daug sieros arba dažnai metalą-gražinantys dumbliai-super dupleksai (pvz., 2507), kuriuose yra daugiau chromo ir molibdeno, verta investuoti.​

Ateities jūrų dvipusių programų tendencijos

Jūrų inžinerijai veržiantis į gilesnius vandenis ir atšiauresnę aplinką, tikimasi, kad dvipusio nerūdijančio plieno naudojimas augs. Tyrėjai kuria naujas dar didesnio stiprumo (iki 800 MPa) ir geresnio suvirinamumo klases, todėl jos tinka didesnėms konstrukcijoms, tokioms kaip plūduriuojančios jūros vėjo platformos.

Kita tendencija yra dvipusio plieno naudojimas kartu su kompozitais,{0}}naudojant metalą laikančiosioms-dalims ir kompozitus lengvoms plokštėms. Šis hibridinis metodas, išbandytas tyrimų laive Australijoje, sumažino bendrą svorį 25%, išlaikant ilgaamžiškumą.

Kodėl dvipusis nerūdijantis plienas svarbus jūrų tvarumui

Be išlaidų ir našumo, dvipusis nerūdijantis plienas palaiko tvarumą jūrų inžinerijoje. Ilgas jo eksploatavimo laikas sumažina poreikį dažnai keisti, sumažinant medžiagų atliekas ir anglies pėdsaką gaminant naujus komponentus. Plonesnės, lengvesnės dvipusės konstrukcijos taip pat sumažina laivų degalų sąnaudas ir energijos, reikalingos jūrinėms platformoms įrengti.

Jūrų tyrimų instituto atlikta{0}}gyvenimo ciklo analizė parodė, kad dvipusio nerūdijančio plieno platformos kojelė per 25 metus turi 40 % mažesnį anglies pėdsaką nei anglies plieno kojelė, daugiausia dėl to, kad reikia mažiau pakeitimų ir mažiau su priežiūra susijusio transporto.​

Pasaulyje, kuriame jūrų pramonė patiria spaudimą sumažinti poveikį aplinkai, dvipusis nerūdijantis plienas yra būdas sukurti tvirtas, ilgalaikes ir ekologiškesnes{0}} konstrukcijas. Tai ne tik medžiagos pasirinkimas,-tai žingsnis tvaresnės vandenynų inžinerijos link.