בסביבות קשות, הנתונות הן לטמפרטורות קריוגניות והן ללחץ גבוה במיוחד - כאשר המדיום הוא חנקן נוזלי (נקודת רתיחה: -196°C), טמפרטורת ההפעלה יורדת ל- -200°C, והלחץ מגיע ל- 20MPa (~200 אטמוספרות) - כשל של כל רכיב איטום עלול לגרום לתוצאות קטסטרופליות. עבור טבעות איטום מתכתיות בקוטר פנימי של 110 מ"מ וקוטר חוט של 3.2 מ"מ, הבחירה המדעית של חומרים ותכנון מבני הופכת קריטית.
א. אתגרים מרכזיים בתנאים קיצוניים
- מלכודת שבירות בטמפרטורה נמוכה:ב-200°C-, קשיחותם של רוב החומרים צונחת, בעוד שהשבירות עולה. טבעות איטום מסתכנות בשבר קטסטרופלי עקב ריכוז מאמץ או פגיעה קלה.
- איום עיוות בלחץ גבוה:לחץ של 20MPa דורש חוזק כניעה גבוה במיוחד וקשיחות נגד עיוות כדי למנוע כשל הנגרם מדחיסה מוגזמת, שיחול (מפערים באוגן) או חוסר יציבות מבנית.
- סיכון של אי התאמה של התכווצות תרמית:הבדלים במקדמי התפשטות תרמית (CTE) בין חומרי טבעות איטום (למשל, נירוסטה) וחומרי אוגן עלולים לגרום לאובדן מגע של האטם, דליפת לחץ או עומס יתר מקומי של מאמץ.
- תאימות חנקן נוזלי:למרות האינרציה הכימית של חנקן נוזלי, חומרי איטום חייבים להישאר יציבים לחלוטין ב-200°C-, ובכך לבטל סיכונים של שבירות, מעברי פאזה או פירוק.
- יכולת תחזוקת איטום:חומרים דורשים זרימה פלסטית מתונה ("זרימה קרה") כדי למלא פגמים מיקרוסקופיים באוגן ולהשיג איטום ראשוני. עליהם לשמור על התאוששות אלסטית מספקת כדי להתמודד עם תנודות לחץ או מחזורים תרמיים.
II. המלצות עיקריות: פלדת אל-חלד אוסטניטית וסגסוגות מיוחדות
בהתחשב באיזון ביצועים, יעילות כלכלית ובשלות שרשרת האספקה, החומרים הבאים מקבלים עדיפות עבור טבעות 110×3.2 מ"מ תחת -200°C/20MPa:
- פלדת אל-חלד אוסטניטית משופרת (בחירה עיקרית):
- ציונים:304L / 316L.תכולת פחמן נמוכה במיוחד ממזערת את הסיכון לשקיעת קרביד במהלך ריתוך או מחזורי חימום תרמיים, ומבטיחה קשיחות קריוגנית.עמידות מצוינת בפני שבירות, יכולת עיבוד טובה ותאימות לחנקן נוזלי הופכות אותם לאופטימליים. חוזק 304L מספיק ב-20MPa; שדרגו ל-316L המכיל מונזיום אם קיימים עקבות של זיהומים קורוזיביים.
- יתרונות עיקריים:בגרות בתעשייה, בקרת עלויות, קשיחות קריוגנית מעולה (פגיעה בצ'ארפי V >100J ב-196°C-).
- המלצת המדינה:חוט משוך בקור שעבר חישול בתמיסה, עם טיפול קריוגני והשחזה מדויקת.
- אלומיניום ברונזה (חלופה קריטית):
- ציונים:C95400 (CuAl10Fe3) / C95500 (CuAl11Fe6Ni6).
- יתרונות עיקריים:קשיחות קריוגנית ללא תחרות (שומרת על גמישות עד -269°C), חוזק/קשיות גבוהים לעמידות בפני שחול/בלאי, זרימה קרה מצוינת לאטימה אחידה של משטחי הפלדה, ומוליכות תרמית טובה יותר מפלדת אל-חלד.
- שיקולים:אידיאלי לחיכוך דינמי/פירוק תכוף. סיכון נמוך בחנקן נוזלי טהור אך יש לבחון תאימות פוטנציאלית לחמצן. עלות גבוהה יותר מפלדת אל-חלד.
- סגסוגות מבוססות ניקל (גיבוי בעל ביצועים גבוהים):
- ציונים:אינקונל 718 (חוזק גבוה), Hastelloy C-276/C-22 (עמידות בפני קורוזיה).
- יתרונות:אינקונל 718 מציע גמישות ב-253°C- ובנוסף חוזק גבוה במיוחד (מעל 20MPa). חומר Hastelloy מצטיין בזיהומים קורוזיביים (למשל, חומצות, יוני כלור).
- מגבלות:עלות ומורכבות ייצור גבוהות; מיועד ללחצים קיצוניים/סיכוני קורוזיה.
חומר קריטי: נתוני ביצועים עבור 304L ב-200°C-
| נֶכֶס | פלדת אל-חלד אוסטניטית 304L (-200°C) | מַשְׁמָעוּת |
|---|---|---|
| חוזק מתיחה (Rm) | ≈ 1500 מגה פסקל | דאבל לעומת RT; עומד ב-20MPa |
| קשיחות שבר (K_IC) | 120-180 מגה-פסקל·√מ' | מונע שבר שביר |
| CTE (α) | 10.5 × 10⁻⁶/K | התאמה עם אוגן CTE |
| מוליכות תרמית (λ) | ≈ 9 וואט/(m·K) | משפר את פיזור התרמי |
ג. אופטימיזציה מבנית עבור טבעות 110×3.2 מ"מ
- ניתוח קוטר חוט:קוטר חוט של 3.2 מ"מ (לעומת קוטר פנימי של 110 מ"מ) מספק חתך רוחב מספיק כדי לעמוד בלחץ ועיוות של 20 מגה פסקל. חוטים דקים יותר יקרסו.
- עיצובי חותמות מועדפים:
- טבעת C:חתך רוחב פשוט בצורת C. דחיסה בינונית (15-25% מקוטר החוט). אמינות עד 70MPa+. עלות נמוכה יותר, אידיאלי לאיטומים סטטיים.
- טבעת אלקטרונית:חתך רוחב בצורת E הפוך (קווי איטום כפולים). עמידות טובה יותר למחזורי תרמית/רטט. סבילות גבוהה יותר לחוסר יישור באוגן.
- שיפור פני השטח:משטחי האיטום חייבים להגיע לגימור מראה (רא ≤ 0.8 מיקרומטר, באופן אידיאלי≤0.4 מיקרומטר). יש למרוח ציפוי כסף דק (<5 מיקרומטר) כדי לשפר מגע תרמי/איטום קריוגני.
IV. ייצור, התקנה ובקרת איכות
- מקורות חומרים:חוט קריוגני מוסמך למעקב (למשל, ASTM A276/A479). P≤0.015% בקרה, S≤0.003%.
- ייצור מדויק:
- עיצוב קר מבוקר מאמץ + חישול להפגת מאמץ.
- ריתוך: TIG ארמניום טהור + בדיקת RT של 100% + קריו-מחזור.
- דיוק ממדים: קוטר ±0.02 מ"מ, סגלגלות ≤0.03 מ"מ.
- גימור פני השטח:ליטוש אלקטרוליטי/כימי סופי להסרת סדקים זעירים (רא ≤0.4 מיקרומטר).
- פרוטוקול התקנה:
- דרישות אוגן:רא ≤1.6 מיקרומטר, מקביליות ≤0.05 מ"מ.
- מתיחת בורג מראש: השתמשו במותחנים הידראוליים מכוילים. הפעילו פיצוי קריוגני על העומס מראש.לעולם אל תחזקו תחת פגיעה!
- פרוטוקול קירור: קירור רמפה≤5°C/דקהכדי למנוע הלם תרמי.
ה. סיכום
עבור חנקן נוזלי ב-200°C-/20MPa,נירוסטה 304L/316L שעברה טיפול קריוגנימציע קשיחות, חוזק ויעילות עלות אופטימליים עבור אטמים בקוטר Ø110×3.2 מ"מ.אלומיניום ברונזה (C95500)מצטיין בתרחישי בלאי/תחזוקה תכופה, בעודסגסוגות ניקל (אינקונל 718/הסטלוי)לטפל בלחץ/קורוזיה קיצוניים.
אמינות מרבית תלויה ב:
- מקורות חומרים ללא דופי
- ייצור מדויק (במיוחד גימור פני שטח)
- משמעת התקנה קפדנית.
זמן פרסום: 7 באוגוסט 2025