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低溫冷卻循環(huán)泵體與管道的連接方式在低溫環(huán)境下如何避免冷脆或變形?

閱讀:306        發(fā)布時間:2025/5/29
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在低溫環(huán)境下(如-80℃至-196℃),泵體與管道的連接方式需從材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝工藝、應(yīng)力補償四方面規(guī)避冷脆、變形及泄漏風(fēng)險。以下是針對不同連接方式的低溫適配方案:

一、材料選型:規(guī)避冷脆的核心

1. 法蘭連接  

- 法蘭本體:  

 - 禁用普通碳鋼(冷脆轉(zhuǎn)變溫度約-20℃),改用奧氏體不銹鋼(304/316L)(無磁、低溫韌性好,-196℃仍保持延展性)或鎳基合金(如Inconel 625)(耐深冷腐蝕,用于LNG等超低溫場景)。  

 - 帶頸對焊法蘭(WNRF)優(yōu)于平焊法蘭(SO),焊接坡口設(shè)計可減少應(yīng)力集中。  

- 螺栓/螺母:  

 - 采用不銹鋼316L或低溫合金結(jié)構(gòu)鋼(如35CrMoA),螺紋需經(jīng)表面氮化處理(提高硬度和耐腐蝕性)。  

 - 螺栓預(yù)緊時需計算低溫下的收縮量,預(yù)留熱膨脹補償量(如常溫預(yù)緊力為設(shè)計值的80%,低溫運行后補緊)。  

2. 螺紋連接  

- 管材與接頭:  

 - 優(yōu)先選不銹鋼卡套式接頭(如Swagelok)或VCR接頭(金屬面密封),避免普通螺紋(如NPT)的非金屬密封件低溫硬化。  

 - 螺紋材料同泵體(316L),牙型角采用60°(密封性優(yōu)于55°管螺紋),螺紋表面鍍鎳磷(厚度5-10μm,防咬死)。  

- 密封材料:  

 - 替代聚四氟乙烯(PTFE)生料帶,改用金屬纏繞墊片(不銹鋼+石墨)或波紋金屬墊片,避免低溫下非金屬墊片脆化破裂。  

3. 快裝接口(如卡箍連接)  

- 接口本體:  

 - 采用316L不銹鋼快裝卡盤,密封圈槽設(shè)計為圓弧形(減少應(yīng)力集中)。  

- 密封圈:  

 - 禁用丁腈橡膠(NBR,低溫脆化溫度-40℃),改用全氟醚橡膠(FFKM,-40℃~300℃)或金屬O型圈(如316L不銹鋼)。  

 - 金屬密封圈需配合錐面密封結(jié)構(gòu),通過卡箍預(yù)緊產(chǎn)生塑性變形實現(xiàn)零泄漏(適用于-150℃以下超低溫)。  


二、結(jié)構(gòu)設(shè)計:低溫應(yīng)力補償

1. 法蘭連接的應(yīng)力釋放  

- 柔性連接元件:  

 - 在法蘭與管道間串聯(lián)金屬波紋管補償器(材質(zhì)316L,波紋層數(shù)≥3層),吸收低溫收縮位移(軸向補償量≥5mm,橫向≤3mm)。  

 - 對于大口徑管道(DN≥100),采用球形法蘭(允許3°偏轉(zhuǎn)),緩解管道不對中導(dǎo)致的附加應(yīng)力。  

- 隔熱設(shè)計:  

 - 法蘭外側(cè)包裹真空絕熱材料(VIP板)或聚氨酯發(fā)泡層(厚度50-100mm),減少法蘭表面溫度梯度(目標:法蘭表面溫度>-50℃,避免結(jié)露結(jié)冰)。  

2. 螺紋連接的防松脫設(shè)計  

- 雙螺母鎖定:  

 - 采用“主螺母+副螺母"結(jié)構(gòu),副螺母尺寸比主螺母小1-2個規(guī)格,通過不同力矩預(yù)緊形成摩擦力防松(適用于振動場景)。  

- 應(yīng)力分散結(jié)構(gòu):  

 - 螺紋根部增設(shè)退刀槽(半徑≥2mm),避免直角過渡導(dǎo)致的應(yīng)力集中斷裂。  

3. 快裝接口的預(yù)緊力優(yōu)化  

- 扭矩控制:  

 - 使用定扭矩扳手按低溫工況計算預(yù)緊力(如常溫下預(yù)緊扭矩為設(shè)計值的1.2倍,低溫收縮后扭矩回落至目標值)。  

- 彈性卡箍:  

 - 采用帶彈簧墊圈的卡箍(如304不銹鋼彈簧片),補償?shù)蜏叵旅芊馊Φ膹椥运p。  


三、安裝工藝:低溫環(huán)境的特殊要求  

1. 焊接工藝  

- 法蘭焊接:  

 - 采用氬弧焊(GTAW),焊絲選用ER316L,焊接前預(yù)熱至50-80℃(避免低溫裂紋),焊后進行應(yīng)力消除退火(620℃×2h隨爐冷卻)。  

- 管道對中:  

 - 同軸度誤-差≤0.5mm(DN≤50)或≤1mm(DN>50),避免強制安裝導(dǎo)致的附加應(yīng)力。  

2. 低溫預(yù)冷調(diào)試  

- 分步降溫:  

 - 首-次運行時,以10℃/h速率降至目標溫度,每降20℃暫停30分鐘,檢查連接部位是否有泄漏或異常變形。  

- 泄漏檢測:  

 - 采用氦質(zhì)譜檢漏(泄漏率≤1×10?? Pa·m3/s),重點檢測法蘭墊片邊緣、螺紋連接處和快裝密封圈溝槽。  


四、典型失效場景與解決方案

(一)

失效模式法蘭螺栓斷裂

原因分析碳鋼螺栓冷脆,預(yù)緊力過大

解決方案更換316L不銹鋼螺栓,采用分步預(yù)緊工藝

(二)

失效模式螺紋接口泄漏

原因分析PTFE生料帶脆化,螺紋咬合磨損

解決方案改用金屬纏繞墊片,螺紋表面鍍鎳磷

(三)

失效模式快裝密封圈失效

原因分析橡膠密封圈低溫硬化,卡箍預(yù)緊力不足

解決方案更換FFKM密封圈,使用帶彈簧的彈性卡箍

(四)

失效模式管道拉裂泵體接口

原因分析管道熱膨脹未補償,應(yīng)力集中

解決方案加裝金屬波紋管補償器,設(shè)計“Π"型膨脹彎管


低溫連接的核心原則

1. 材料韌性優(yōu)先:所有金屬部件需通過夏比沖擊試驗(-100℃沖擊功≥27J),非金屬密封件需通過低溫脆化測試(如ASTM D746)。  

2. 應(yīng)力可控釋放:通過柔性元件(波紋管、金屬軟管)和膨脹結(jié)構(gòu)(彎管、球形接頭)吸收低溫收縮位移,避免剛性連接。  

3. 密封可靠性升級:超低溫(<-100℃)場景禁用非金屬密封,優(yōu)先采用金屬面接觸密封(如VCR接頭、透鏡墊)。 

 

通過上述設(shè)計,可確保低溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)在-196℃液氮環(huán)境下長期穩(wěn)定運行,泄漏率控制在行業(yè)標準(如API 682)允許范圍內(nèi)。

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