In strawwe omgewings wat aan beide kriogeniese temperature en ultrahoë druk blootgestel word – waar die medium vloeibare stikstof is (kookpunt: -196°C), die bedryfstemperatuur daal tot -200°C, en die druk 20 MPa (~200 atm) bereik – kan die mislukking van enige seëlkomponent katastrofiese gevolge veroorsaak. Vir metaalseëlringe met 'n binnediameter van 110 mm en 'n draaddiameter van 3,2 mm, word die wetenskaplike keuse van materiale en strukturele ontwerp van kritieke belang.
I. Kernuitdagings in uiterste toestande
- Lae-temperatuur brosmaaklokval:By -200°C daal die taaiheid van die meeste materiale skerp, terwyl die brosheid styg. Seëlringe loop die risiko van katastrofiese breuk as gevolg van spanningskonsentrasie of geringe impak.
- Hoëdruk-vervormingsbedreiging:Druk van 20 MPa vereis ultrahoë vloeisterkte en anti-vervormingsrigiditeit om mislukking wat veroorsaak word deur oormatige kompressie, ekstrusie (vanuit flensgapings) of strukturele onstabiliteit te voorkom.
- Risiko van Termiese Sametrekkingswanpassing:Verskille in termiese uitbreidingskoëffisiënte (KVO) tussen seëlringmateriale (bv. vlekvrye staal) en flensmateriale kan seëlkontakverlies, druklekkasie of gelokaliseerde spanningoorlading veroorsaak.
- Vloeibare stikstof-versoenbaarheid:Ten spyte van vloeibare stikstof se chemiese traagheid, moet verseëlingsmateriale ten volle stabiel bly by -200°C, wat die risiko van brosheid, fase-oorgange of ontbinding uitskakel.
- Verseëling Onderhoudsvermoë:Materiale benodig matige plastiese vloei ("koue vloei") om mikroskopiese flensdefekte te vul en aanvanklike verseëling te bereik. Hulle moet voldoende elastiese herstel behou om drukskommelings of termiese siklusse te hanteer.
II. Primêre Aanbevelings: Austenitiese Vlekvrye Staal en Spesialiteitslegerings
Met inagneming van prestasiebalans, koste-effektiwiteit en voorsieningskettingvolwassenheid, word die volgende materiale geprioritiseer vir 110 × 3.2 mm ringe onder -200 ° C / 20 MPa:
- Verbeterde Austenitiese Vlekvrye Staal (Primêre Keuse):
- Grade:304L / 316L.Ultra-lae koolstofinhoud verminder die risiko van karbiedneerslag tydens sweising of termiese siklusse, wat kriogeniese taaiheid verseker.Uitstekende weerstand teen brosheid, goeie bewerkbaarheid en vloeibare stikstofversoenbaarheid maak hulle optimaal. 304L-sterkte is voldoende teen 20 MPa; gradeer op na Mo-bevattende 316L indien spore van korrosiewe onsuiwerhede bestaan.
- Belangrike voordele:Bedryfsvolwassenheid, kostebeheer, superieure kriogeniese taaiheid (Charpy V-kerf-impak >100J by -196°C).
- Staatsaanbeveling:Oplossingsgegloeide koudgetrekte draad met kriogeniese behandeling en presisie-slyp.
- Aluminiumbrons (Kritieke Alternatief):
- Grade:C95400 (CuAl10Fe3) / C95500 (CuAl11Fe6Ni6).
- Belangrike voordele:Ongeëwenaarde kriogeniese taaiheid (behou rekbaarheid tot -269°C), hoë sterkte/hardheid om ekstrusie/slytasie te weerstaan, uitstekende koue vloei vir seëloppervlakkonformiteit, en beter termiese geleidingsvermoë as vlekvrye staal.
- Oorwegings:Ideaal vir dinamiese wrywing/gereelde demontage. Lae risiko in suiwer vloeibare stikstof, maar beoordeel potensiële suurstofversoenbaarheid. Hoër koste as vlekvrye staal.
- Nikkel-gebaseerde legerings (hoëprestasie-rugsteun):
- Grade:Inconel 718 (hoë sterkte), Hastelloy C-276/C-22 (korrosiebestandheid).
- Voordele:Inconel 718 bied rekbaarheid by -253°C plus ultra-hoë sterkte (>20 MPa). Hastelloy blink uit in korrosiewe onsuiwerhede (bv. sure, Cl⁻-ione).
- Beperkings:Hoë koste en vervaardigingskompleksiteit; gereserveer vir uiterste druk/korrosierisiko's.
Kritieke materiaal: Prestasiedata vir 304L teen -200°C
| Eiendom | 304L Austenitiese vlekvrye staal (-200°C) | Betekenis |
|---|---|---|
| Treksterkte (Rm) | ≈ 1500 MPa | Dubbel teenoor RT; weerstaan 20 MPa |
| Breuksterkte (K_IC) | 120-180 MPa·√m | Voorkom brosbreuk |
| CTE (α) | 10.5 ×10⁻⁶/K | Pas by flens CTE |
| Termiese geleidingsvermoë (λ) | ≈ 9 W/(m·K) | Verbeter termiese verspreiding |
III. Strukturele optimalisering vir 110×3.2mm ringe
- Draaddiameter-analise:’n Draaddiameter van 3,2 mm (teenoor 110 mm binnediameter) bied voldoende deursnee om druk en vervorming van 20 MPa te weerstaan. Dunner drade sal ineenstort.
- Voorkeur seëlontwerpe:
- C-ring:Eenvoudige C-vormige deursnit. Matige kompressie (15–25% draaddiameter). Betroubaar tot 70 MPa+. Laer koste, ideaal vir statiese seëls.
- E-ring:Omgekeerde E-vormige dwarssnit (dubbele seëllyne). Beter veerkragtigheid vir termiese siklusse/vibrasie. Hoër toleransie vir flenswanbelyning.
- Oppervlakverbetering:Seëloppervlaktes moet 'n spieëlafwerking bereik (Ra ≤ 0.8µm, ideaal gesproke≤0.4µm). Wend dun silwerlaag aan (<5µm) om termiese kontak/kriogeniese verseëling te verbeter.
IV. Vervaardiging, Installasie en Gehaltebeheer
- Materiaalverkryging:Naspeurbare kriogeen-gesertifiseerde draad (bv. ASTM A276/A479). Beheer P≤0.015%, S≤0.003%.
- Presisievervaardiging:
- Spanningsbeheerde koue vorming + spanningsverligting-uitgloeiing.
- Sweising: Hoë-suiwerheid Ar TIG + 100% RT-inspeksie + krio-siklussing.
- Dimensionele akkuraatheid: ±0.02mm deursnee, ovaalheid ≤0.03mm.
- Oppervlakafwerking:Finale elektrolitiese/chemiese polering om mikro-krake te verwyder (Ra ≤0.4µm).
- Installasieprotokol:
- Flensvereistes:Ra ≤1.6µm, parallelisme ≤0.05mm.
- Boutvoorspanning: Gebruik gekalibreerde hidrouliese spanners. Pas kriogeniese kompensasie toe op voorspanning.Moet nooit stootvasdraai nie!
- Verkoelingsprotokol: Opritverkoeling≤5°C/minom termiese skok te vermy.
V. Gevolgtrekking
Vir vloeibare stikstof teen -200°C/20MPa,krio-behandelde 304L/316L vlekvrye staalbied optimale taaiheid, sterkte en koste-effektiwiteit vir Ø110×3.2mm seëls.Aluminiumbrons (C95500)blink uit in slytasie-/gereelde onderhoudscenario's, terwylnikkellegerings (Inconel 718/Hastelloy) spreek uiterste druk/korrosie aan.
Uiteindelike betroubaarheid hang af van:
- Onberispelike materiaalverkryging
- Presisievervaardiging (veral oppervlakafwerking)
- Streng installasiedissipline.
Plasingstyd: 7 Augustus 2025