Lassen van 9% nikkel stalen opslagtanks.

Josef Heinemann en Stefan Eich, UTP Schweissmaterial GmbH., Duitsland

Vertaald door J. Cobben, Böhler Thyssen Lastechniek BV., Haarlem

Members of the Böhler Uddeholm Group.

Waarom LNG?

De vraag naar brandstoffen door de industrie is sterk toenemend. Men verwacht daardoor dat de oliebronnen sneller uitgeput zullen raken dan de zgn. aardgasbronnen. Om deze reden zal de industrie in de toekomst zijn energie betrekken uit deze alternatieve energiebron. Het aardgas zal dan uit diverse gasproducerende landen geïmporteerd moeten worden. Een klassieke methode om dit gas te transporteren is via pijpleidingen zowel on-shore als offshore. Nadeel hiervan is toch de afstand vanaf de bron en de kosten bij de aangrenzende landen. Alternatief is om het gas af te koelen totdat het vloeibaar wordt (ca. -164° C), transporteren en op te slaan in (evt. in eigen land) speciale opslagtanks. Het voordeel is dat het volume 600 x kleiner wordt en het vloeibare gas drukloos is. Deze tanks noemen we LNG (Liquified Natural Gas) opslagtanks.

Introduktie

Vakkundig lassen van 9% nikkelstaal is van essentieel belang om veilig en betrouwbaar opslag van LNG te garanderen. De zeer lage opslagtemperatuur van dit gas (ca. -164° C!) vereist hoge mechanische eigenschappen van het basismateriaal en het lastoevoegmateriaal. De beste resultaten worden bereikt door een combinatie van ervaring, geschikte lastoevoegmaterialen en lastechnieken, correcte voorbewerkingen. Een voorbeeld van een moderne hedendaagse LNG opslagtank is de nieuwe (105.000 m³ opslagcapaciteit, zie figuur 1) tank van Cartagena in Spanje (belangrijkste haven in het oosten van Spanje aan de Middellandse Zee). Diverse europese bedrijven waren betrokken bij deze constructie waaronder Agroman (Spanje), Skanska Whessou (Engeland), Tanco (Italië) en UTP Welding (Duitsland)*. De tank heeft een stalen cq. betonnen buitenmantel (dikten van 30-40 cm) met daarin een 1 meter dikke isolatie. De binnentank bestaat uit een 9% nikkel staal (X8Ni9) met bodemplaten van 12 x 4 meter. De mantel is ook van 9% nikkel staal waarvan de dikte varieert van 10 - 25 mm. De uiteindelijke ontstane diameter is ca. 80 meter met een hoogte van ca.  35 m. Het leidingwerk en het dak zijn resp. van RVS (304 L) en aluminium (AlMg 5). De tank is spiraalsgewijs opgebouwd beginnend met de dunne bovenplaten en continu lassend tot de dikke bodemplaten. Deze techniek is speciaal door Rodoverken AB ontwikkeld. De meeste lasactiviteiten vonden op de site plaats.

Basismateriaal 9% Ni-staal

Voor de binnentank werd gebruik gemaakt van een laaggelegeerd staal: werkstofnr.1.5562, ASTM A 353, X8Ni9 vlg’s EN 10028-4. In tabel 1 en 2 vindt u resp. de chemische samenstelling en mechanische eigenschappen. Dit staal heeft bijzonder goede mechanische eigenschappen bij extreem lage temperaturen. Bv. kerfslagwaarden > 41 Joule bij -196° C. Deze typische waarden zijn ook van toepassing na het lassen.

Lastoevoegmaterialen voor 9% Ni-staal

Er zijn 2 keuzemogelijkheden:

Op Fe-basis

Op Ni-basis

In tabel 3 zijn enkele typische lastoevoegmaterialen opgenomen. De keuze hangt af van de opdrachtgever. Alternatieve Ni-basis lastoevoegmaterialen zijn mogelijk en hangen af van de specificatie van de tank constructie

Lastechnologie

Typische lasprocessen welke in de bouw van LNG tanks worden toegepast zijn: (SMAW) beklede elektroden en (SAW) onder poederdek lassen. Beklede elektroden bestaan uit een kerndraad met een bekleding. Samen geven ze de gewenste samenstelling van het neergesmolten lasmetaal. Er zijn verschillende technische mogelijkheden om de gewenste samenstelling te bereiken. De kerndraad kan al de volledige gewenste samenstelling hebben op Fe-basis + Cr en Mo enz. of Ni-basis met de gewenste legeringselementen. We noemen dit de niet-synthetische elektroden. Het is ook mogelijk om te kiezen voor een ongelegeerde of puur nikkel kerndraad waarbij via de bekleding de gewenste legeringselementen tijdens het lassen aan het vloeibare smeltbad worden toegevoegd. Dit noemen we de synthetische elektroden. Bij het SAW lassen gebruikt men een volledig gelegeerde lasdraad (voldoet aan de eisen gesteld in de ASME code) en een speciaal daarvoor geschikt laspoeder. De vertikale lasnaden worden met beklede elektroden (zie figuur 2) gelast en de horizontale (incl. de “uit de zij”) naden met het SAW proces (zie figuur 3). Bij gebruik van de juiste parameters voor de beide lasprocessen en gebruik van hoge kwaliteit lastoevoegmaterialen bereiken we de beste resultaten in de lasverbinding. In het verleden zijn er veel ervaringen opgedaan en deze ervaring is derhalve ook beschikbaar.

Beklede elektrode (SMAW) 

In de meeste gevallen bij gebruik van beklede elektroden werd een type conform ASME SFA 5.11: E NiCrMo-6 cq. EN-ISO 14172: E Ni 6620 (NiCr14Mo7Fe) ingezet. Tabel 4 toont de chemische analyse van deze elektrode (UTP Soudonel D). In de tank van Cartagena werden de diameters 2,5 - 3,25 en 4,0 mm gebruikt. Ook is een 5,0 mm beschikbaar. Door de bijzondere samenstelling van deze elektrode werden hoge mechanische eigenschappen volgens de norm/specificatie zonder enige problemen bereikt. In tabel 5 ziet u een overzicht van de bereikte mechanische eigenschappen van verschillende diameters zoals die bij de bouw in Cartagena zijn ingezet. Een treksterkte van 690 MPa en kerfslagwaarden van 60 J / -196° C zijn standaard waarden bij elke tank. De laterale expansie na de Charpy-V test tonen uitstekende waarden. De eis om het materiaal te testen bij -196° C heeft te maken dat de tank in gebruik blootgesteld wordt bij temperaturen tot -164 ° C. De lasverbindingen dienen deze moeilijke omstandigheden te doorstaan en resulteert uiteindelijk in hoge mechanische eigenschappen. Het lassen geschiedt in de 1G, 2G en 3G (resp. PA, PC en PF/PG vlg’s EN-ISO 6947) positie volgens de ASME code section IX part QW. Andere posities werden ook toegepast, denk bv aan het lassen van de verstijvigingen, bodem en dak. Het moet dus mogelijk zijn dat de elektrode in alle posities goed last en ook de mechanische eigenschappen behaald. Dit is alleen mogelijk indien de producent van lastoevoegmaterialen zelf hoge kwaliteitseisen heeft bij de ontwikkeling en productie van een dergelijk type lastoevoegmateriaal. Ook dient de elektrode met wisselstroom verlasbaar te zijn. Dit heeft te maken dat 9% Ni staal makkelijk magnetisch wordt en aanleiding kan zijn tot magnetische blaaswerking. Dit leidt tot problemen met de boogstabiliteit en kan voorkomen worden door te lassen op wisselstroom.

Onder poederdek lassen (SAW)

Het tweede meest toegepast lasproces in LNG opslagtanks is OP-lassen. Het is een gemechaniseerd and continu lasproces met hoge neersmeltsnelheden en derhalve in vergelijk met beklede elektrode zeer efficiënt en economisch. De hoge aanschaf van deze lasapparatuur (en vast kosten) liggen veel hoger dan de lasapparatuur voor beklede elektrode. Deze hoge aanschaf kan dus alleen terug verdiend worden als men er ook voldoende geschikt (m.n. lange lasnaden) laswerk voor heeft. Het OP lassen is geschikt voor al het laswerk in de 1G (PA) en 2G (PC) positie in de tank. Voor de 2 G positie wordt gebruik gemaakt van speciale hulpmiddelen waarop het OP poeder wordt geplaatst (Zie figuur 3). De OP lasdraad is van het type ASME SFA 5.14: ER NiCrMo-3 cq. EN-ISO 18274: S Ni 6625 (NiCr22Mo9Nb), met een geschikt laspoeder voor laag-temperatuur toepassingen. De typische samenstelling van deze draad (UTP UP 6222 Mo) is weergegeven in tabel 6 en de mechanische eigenschappen van de draad/poeder combinatie staan in tabel 5 vermeld. Bijzonder zijn de goede kerfslagwaarden bij -196° C. De geschikte draaddiameters zijn 1,6 en 2,4 mm.

Lasuitvoering

De elektrode dient met een korte boog verlast te worden. Men dient snoerend te lassen met de juiste lasparameters. De Heat Input beperkt zich tot max. 12 KJ/cm en de tussenlaagtemperatuur van max. 150° C. Tabel 7 geeft een overzicht van de geschikt lasparameters voor beklede elektrode. Deze worden ook op de verpakking weergegeven. Iedere elektrode diameter en laspositie bepalen de in te stellen parameters. Bij OP lassen is ook de uitsteeklengte van groot belang voor een constante laskwaliteit. Lasfouten die op de röntgenfoto’s te zien zijn kunnen door middel van reparatielassen met beklede elektrode uitgevoerd worden.

Voorbereiding

 Een goede voorbereiding van de platen, opslag lastoevoegmaterialen en de training van de lassers (ivm afwijkend smeltbadgedrag tov lassen staal)  zijn van essentieel belang. Om goede lasresultaten op de werkplek te krijgen dienen deze voorbereidingen van hoge kwaliteit te zijn.

Tabel 1 Analyse opslag tank basismateriaal

Tabel 2 Mechanische eigenschappen opslag tank basismateriaal

Tabel 3 Typische lastoevoegmaterialen vlg’s DIN/EN-ISO.

Tabel 4 Analyse van de beklede electrode  EN-ISO 14172: E Ni 6620 (NiCr14Mo7Fe)

Tabel 5 Mechanische waarden SMAW en SAW zie bijlagen.

Tabel 6 Typische samenstelling OP-draad

Tabel 7 Parameters voor de beklede elektrode

* Gezien de grote ervaring die UTP Schweisstechnik GmbH heeft op het lasgebied van LNG opslagtanks is de reden geweest dat UTP in 2005 de grootste order ooit in haar historie heeft behaald. Het betreft een gezamenlijk project van ExxonMobil (USA), de Quatar Petroleum en de Italiaanse Edison S.p.a. De totale omzet bedraagt $ 900 Milj. voor de complete installatie. De tank wordt tot een diepte van 30 m.  afgezonken op een afstand van 15 km. voor de Venetiaanse kust. De engineering is in handen van Hyundai Heavy Industries (Ulsan, Zuid Korea) en wordt gelast door Whessoe (Engeland) met UTP lastoevoegmaterialen. Meer info kunt u vinden op onze site www.btlnl.nl met de link via “de merken” naar UTP.

Johan Cobben (IWT) heeft na zijn studie Werktuigbouwkunde zich verdiept in de lastechniek. Naast de diverse praktijkdiploma’s ook zijn MLT/IWT behaald. Als lasser bij Oostendorp te Tiel en demolasser / instrukteur bij Philips (later Filarc/ESAB). Vanaf 1987 als adviseur bij UTP Lastechniek B.V. werkzaam . In deze periode zich gespecialiseerd in de toepassing van hooggelegeerde- (RVS en Nikkellegeringen), speciale (oplas, moeilijk lasbare staalsoorten) en non-ferro lastoevoegmaterialen voor de diverse lasprocessen. Nu werkzaam als productmanager bij Böhler Thyssen Lastechniek B.V.