• Стандарт VXI
• Техника
• Программы
• Применение
• Библиотека

Критерии выбора материалов для криогенной техники

Беляков В.П. Криогенная техника и технология. По изданию - М.: Энергоиздат, 1982.

Надежность криогенных систем существенно зависит от выбора материалов для изготовления криогенного оборудования. В середине прошлого века основными металлами, из которых изготавливалось криогенное оборудование, были медно-цинковые сплавы – латуни. Наряду с ними эпизодически применялись нержавеющие стали и алюминиевые сплавы, на долю которых приходилось только 20% общего потребления металлов. В 60-х годах потребление медных сплавов значительно сократилось, возросло применение аустенитных нержавеющих сталей и алюминиевых сплавов. Причинами сокращения медных сплавов явились коррозионное растрескивание латунного оборудование при хранении в промышленной атмосфере металлургических и химических заводов – основных потребителей криогенных установок, а также дефицитность меди. В настоящее время аустенитные нержавеющие стали и алюминиевые сплавы являются основными для изготовления криогенного оборудования. В связи с дефицитом никеля, начиная с 70-х годов, алюминиевые сплавы вытесняют нержавеющие стали. Применение титановых сплавов в криогенной технике ограничено в настоящее время в связи с их относительно высокой стоимостью, а также склонностью к загоранию в кислороде.

При выборе тех или иных материалов для изготовления криогенного оборудования производится сопоставление различных физических, механических и технологических свойств с учетом условий работы этого оборудования.

В зависимости от назначения криогенного оборудования, условий работы, габаритов и других факторов требования конструирования в одних случаях могут удовлетворять стали с пределом текучести s_s³20кг/мм², в других – не удовлетворять с s_s³90кг/мм².

Для таких конструкций наряду с требованиями по пределу текучести s_s и временному сопротивлению разрушения s_b важным является требование достаточно пластичности при криогенных температурах. В общем случае повышение прочности сталей с уменьшением температуры сопровождается уменьшением пластичности (рис. 1 и рис. 2), которая определяет технологичность и работоспособность конструкций. Пластичность характеризует способность материала перераспределять напряжения в зонах концентрации напряжений, например, в сварных узлах.

Рис. 1. Изменение прочности сталей при понижении температуры. 1 – 10Х11Н23Т3МР; 2 – 10Х14Г14Н4Т; 3 – 12Х18Н10Т; 4 – 0Н6А; 5 – сталь 20.

Рис. 2. Изменения пластичности d(сплошная линия) и ударной вязкости a_П (пунктирная линия) сталей. 1 – 12Х18Н10Т; 2 – 10Х14Г14НЧТ; 4 – 0Н6А; 5 – сталь 20; 6 – 10Х11Н23Т3МР.

Опыт эксплуатации криогенного оборудования показал, что относительное удлинение d, обеспечивающее эксплуатационную надежность, должно быть не менее 15%. Требования к пластичности зависят от точности методов расчета, квалификации технологов и машиностроителей, опыта эксплуатации и т.д. При отработанной технологии сварки, обеспечивающей равнопрочность шва и основного материала, выполнении требований чертежа по качеству стыковки обечаек и т.п., могут быть приведены материалы и с меньшим значениями пластичности.

Другим важным показателем, определяющим поведение металла и сварного соединения в конструкции, является ударная вязкость металла а_н, характеризующая, в частности, качество термообработки металла.

В последние годы введен комплексный показатель – коэффициент интенсивности напряжений K_1C, который характеризует работоспособность металла при наличии трещин:

где s – номинальное напряжение; а – размер трещины.

При определении прочности криогенных изделий при статических и циклических нагрузках важными показателями металлов и сплавов являются также ползучесть, механическая и термическая усталость, которые наблюдаются в металлах и сплавах, в реальных условиях длительного статического или динамического нагружения.

На основе многолетнего опыта эксплуатации криогенного оборудования и в результате экспериментальных исследований было установлено, что безопасное значение остаточной пластической деформации составляет не более 2% при длительном (до 100 тыс.ч.) статическом нагружении (если конструкция не имеет меньших чем 2% ограничений по деформации). С точки зрения длительной прочности материала криогенное оборудование будет надежно работать при напряжении s£0,7s_0,2 (при рабочей температуре) и ударной вязкости а_н=5¸7кг×м/см².

При создании криогенного оборудования необходимо учитывать термические напряжения, возникающие при многократных захолаживаниях и отогревах изделий. Для аустенитных сталей эти дополнительные напряжения составляют 20–25 кг/мм², они суммируются с напряжением от внешних нагрузок, что снижает работоспособность сталей примерно на 25% при 10³ циклах охлаждений в зоне концентрации напряжений.

Одним из условий работоспособности для ряда конструкций является требование длительного сохранения вакуума (например, в вакуумных теплоизоляционных полостях), что зависит от газовыделения металлов. Отработаны технологические приемы, позволяющие снизить газовыделение (например, полирование вакуумной поверхности материала изделия).

Для криогенных изделий, работающих в контакте с жидким и газообразным кислородом, необходимо применять металлы с большой энергией зажигания, зависящей для каждого металла от условий работы (давления, температуры).

В ряде случаев к металлам предъявляются особые требования по теплофизическим характеристикам: температурному коэффициенту линейного и объемного асширения, теплопроводности, теплоемкости. Например, чем ниже температурный коэффициент расширения, тем легче обеспечить термическую компенсацию конструкций. Для обеспечения минимальных теплопритоков к криогенному продукту через тепловые мосты металл должен иметь малую теплопроводность l в сочетании с высоким пределом прочности s_b т.е. низкие значения показателя l/s_b.

В конструкциях, подвергающихся периодическим отогревам, с целью уменьшения потерь криогенных продуктов на охлаждение металла, последний должен обладать минимальной теплоемкостью. Так как масса охлаждаемого металла зависит от его прочности, а потери жидкости на охлаждение конструкции зависят от массы металла и удельной теплоемкости, можно сформулировать основное требование к теплофизическим свойствам металла: чем выше прочность и меньше теплоемкость металла, тем он более пригоден для криогенных изделий.

Таким образом, криогенная техника выдвигает ряд специфических требований; многие из них противоречивы, усложняют выбор материалов.

Материал подготовлен сотрудниками Кафедры низких температур МЭИ

• Главная   • Материалы и вещества   • Критерии выбора материалов для криогенной техники