低溫冷卻循環泵體與管道的連接方式在低溫環境下如何避免冷脆或變形？

在低溫環境下（如-80℃至-196℃），泵體與管道的連接方式需從材料選型、結構設計、安裝工藝、應力補償四方面規避冷脆、變形及泄漏風險。以下是針對不同連接方式的低溫適配方案：

一、材料選型：規避冷脆的核心

1. 法蘭連接  

- 法蘭本體：  

 - 禁用普通碳鋼（冷脆轉變溫度約-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）優于平焊法蘭（SO），焊接坡口設計可減少應力集中。  

- 螺栓/螺母：  

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

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

2. 螺紋連接  

- 管材與接頭：  

 - 優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，密封圈槽設計為圓弧形（減少應力集中）。  

- 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構，通過卡箍預緊產生塑性變形實現零泄漏（適用于-150℃以下超低溫）。  

二、結構設計：低溫應力補償

1. 法蘭連接的應力釋放  

- 柔性連接元件：  

 - 在法蘭與管道間串聯金屬波紋管補償器（材質316L，波紋層數≥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），緩解管道不對中導致的附加應力。  

- 隔熱設計：  

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

2. 螺紋連接的防松脫設計  

- 雙螺母鎖定：  

 - 采用“主螺母+副螺母”結構，副螺母尺寸比主螺母小1-2個規格，通過不同力矩預緊形成摩擦力防松（適用于振動場景）。  

- 應力分散結構：  

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

3. 快裝接口的預緊力優化  

- 扭矩控制：  

 - 使用定扭矩扳手按低溫工況計算預緊力（如常溫下預緊扭矩為設計值的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），補償低溫下密封圈的彈性衰減。  

三、安裝工藝：低溫環境的特殊要求  

1. 焊接工藝  

- 法蘭焊接：  

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

- 管道對中：  

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

2. 低溫預冷調試  

- 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，預緊力過大

解決方案：更換316L不銹鋼螺栓，采用分步預緊工藝

（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，應力集中

解決方案：加裝金屬波紋管補償器，設計“Π”型膨脹彎管

低溫連接的核心原則

1. 材料韌性優先：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. 應力可控釋放：通過柔性元件（波紋管、金屬軟管）和膨脹結構（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，優先采用金屬面接觸密封（如VCR接頭、透鏡墊）。 

通過上述設計，可確保低溫冷卻循環系統在-196℃液氮環境下長期穩定運行，泄漏率控制在行業標準（如API 682）允許范圍內。