극저온과 초고압이 모두 작용하는 가혹한 환경(액체 질소(끓는점: -196°C))에서 작동 온도는 -200°C로 떨어지고 압력은 20MPa(약 200기압)에 달합니다. 이러한 환경에서는 밀봉 부품의 고장이 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다. 내경 110mm, 와이어 직경 3.2mm의 금속 밀봉 링의 경우, 과학적인 재료 선정 및 구조 설계가 매우 중요합니다.
I. 극한 상황에서의 핵심 과제
- 저온 취성 트랩:-200°C에서는 대부분 재료의 인성이 급격히 떨어지고 취성은 급격히 증가합니다. 씰링 링은 응력 집중이나 미세한 충격으로 인해 심각한 파손 위험이 있습니다.
- 고압 변형 위협: 20MPa의 압력은 과도한 압축, 압출(플랜지 갭에서) 또는 구조적 불안정성으로 인한 파손을 방지하기 위해 매우 높은 항복 강도와 변형 방지 강성이 필요합니다.
- 열 수축 불일치 위험:씰링 링 재료(예: 스테인리스 스틸)와 플랜지 재료 사이의 열팽창 계수(CTE) 차이로 인해 씰 접촉 손실, 압력 누출 또는 국부적 응력 과부하가 발생할 수 있습니다.
- 액체 질소 호환성:액체 질소의 화학적 불활성에도 불구하고, 밀봉재는 -200°C에서 완전히 안정을 유지해야 하며, 취성, 상 전이 또는 분해의 위험을 없애야 합니다.
- 밀봉 유지 관리 기능:재료는 미세한 플랜지 결함을 메우고 초기 밀봉을 달성하기 위해 적당한 소성 유동("콜드 플로우")을 가져야 합니다. 또한, 압력 변동이나 열 사이클을 견딜 수 있을 만큼 충분한 탄성 회복력을 유지해야 합니다.
II. 주요 권장 사항: 오스테나이트계 스테인리스강 및 특수 합금
성능 균형, 비용 효율성, 공급망 성숙도를 고려하여 -200°C/20MPa에서 110×3.2mm 링에 대해 다음 재료가 우선적으로 사용됩니다.
- 강화 오스테나이트계 스테인리스강(주요 선택):
- 성적: 304L / 316L.매우 낮은 탄소 함량은 용접이나 열 사이클 동안 탄화물 침전 위험을 최소화하여 극저온 인성을 보장합니다.우수한 취성 저항성, 양호한 가공성, 액체 질소 적합성으로 최적의 성능을 발휘합니다. 304L 강도는 20MPa에서 충분합니다. 부식성 불순물의 흔적이 있는 경우 Mo가 함유된 316L로 업그레이드하세요.
- 주요 장점: 산업적 성숙도, 비용 관리, 뛰어난 극저온 인성(샤르피 V-노치 충격 >196°C에서 100J 이상).
- 국가 권장 사항: 극저온 처리 및 정밀 연삭을 거친 솔루션 어닐링 냉간 인발 와이어입니다.
- 알루미늄 청동(중요한 대안):
- 성적: C95400(CuAl10Fe3) / C95500(CuAl11Fe6Ni6).
- 주요 장점:최고의 극저온 인성(-269°C까지 연성 유지), 압출/마모에 대한 높은 강도/경도, 밀봉 표면 적합성을 위한 뛰어난 냉간 유동성, 스테인리스 스틸보다 더 나은 열전도도를 제공합니다.
- 고려 사항:동적 마찰/빈번한 분해에 적합합니다. 순수 액체 질소에서는 위험성이 낮지만, 잠재적인 산소 적합성을 평가해야 합니다. 스테인리스강보다 비용이 높습니다.
- 니켈 기반 합금(고성능 백업):
- 성적: Inconel 718(고강도), Hastelloy C-276/C-22(내식성).
- 이점:인코넬 718은 -253°C에서 연성과 초고강도(>20MPa)를 제공합니다. 하스텔로이는 부식성 불순물(예: 산, 염소 이온)에 대한 내성이 뛰어납니다.
- 제한 사항:비용이 많이 들고 제조 과정이 복잡하며 극한의 압력이나 부식 위험에 대비하기 위해 사용됩니다.
중요 자료: -200°C에서 304L의 성능 데이터
| 재산 | 304L 오스테나이트계 스테인리스강(-200°C) | 중요성 |
|---|---|---|
| 인장 강도(Rm) | ≈ 1500MPa | 더블 vs. RT; 20MPa 견딤 |
| 파괴인성(K_IC) | 120~180MPa·√m | 취성파괴를 방지합니다 |
| CTE(α) | 10.5 ×10⁻⁶/K | 플랜지 CTE와 일치 |
| 열전도도(λ) | ≈ 9 W/(m·K) | 열 분포를 개선합니다 |
III. 110×3.2mm 링의 구조 최적화
- 와이어 직경 분석:3.2mm 와이어 직경(내경 110mm 대비)은 20MPa의 압력과 변형을 견딜 수 있는 충분한 단면적을 제공합니다. 더 얇은 와이어는 파손될 수 있습니다.
- 선호하는 씰 디자인:
- C-링:단순 C자형 단면. 중간 정도의 압축률(와이어 직경의 15~25%). 최대 70MPa+까지 신뢰성 높음. 저렴한 가격으로 정적 씰링에 적합.
- E-링:역 E자형 단면(이중 실링 라인). 열 사이클/진동에 대한 복원력이 우수합니다. 플랜지 정렬 불량에 대한 내구성이 더 우수합니다.
- 표면 강화: 씰 표면은 거울 마감을 달성해야 합니다(라 ≤ 0.8µm, 이상적으로는 ≤0.4µm). 얇은 은도금을 적용합니다(<5µm) 열 접촉/극저온 밀봉을 강화합니다.
IV. 제조, 설치 및 품질 관리
- 재료 조달:추적 가능한 극저온 인증 와이어(예: ASTM A276/A479). 대조구 P≤0.015%, S≤0.003%.
- 정밀 제조:
- 응력 제어 냉간 성형 + 응력 완화 어닐링.
- 용접: 고순도 Ar TIG + 100% RT 검사 + 극저온 사이클링.
- 치수 정확도: 직경 ±0.02mm, 타원도 ≤0.03mm.
- 표면 마감: 미세균열을 제거하기 위한 최종 전해/화학 연마(라 ≤0.4µm).
- 설치 프로토콜:
- 플랜지 요구 사항:라 ≤1.6µm, 평행도 ≤0.05mm.
- 볼트 예압: 교정된 유압 텐셔너를 사용하십시오. 예압에 극저온 보정을 적용하십시오.절대로 충격을 가하여 조이지 마세요!
- 냉각 프로토콜: 램프 냉각≤5°C/분열 충격을 피하기 위해서.
V. 결론
-200°C/20MPa의 액체 질소의 경우,극저온 처리된 304L/316L 스테인리스 스틸Ø110×3.2mm 씰에 최적의 견고성, 강도 및 비용 효율성을 제공합니다.알루미늄 청동(C95500) 마모/빈번한 유지 관리 시나리오에서 탁월합니다.니켈 합금(Inconel 718/Hastelloy)극한의 압력/부식을 해결합니다.
최고의 신뢰성은 다음에 달려 있습니다.
- 완벽한 재료 조달
- 정밀 제조(특히 표면 마감)
- 엄격한 설치 규정.
게시 시간: 2025년 8월 7일