Перейти к содержимому
(495) 984-74-92
(495) 226-51-87
info@xiron.ru
Telegram - MAX

Низкотемпературные материалы

Низкотемпературные материалы выбирают с учётом хладноломкости: обычные углеродистые стали при низких температурах становятся хрупкими. Для трубопроводов и сосудов ниже −40 °C применяют низколегированные стали с гарантированной ударной вязкостью, аустенитные нержавеющие стали, медь, алюминиевые сплавы; учитывают свариваемость, тепловое расширение и коррозию.

Выбор материала для конкретного низкотемпературного использования зачастую компромиссное решение, включающее несколько факторов:

  • Стоимость
  • Уровень давления, при котором изделие функционирует
  • Производственные альтернативы
  • Рабочая температура
  • Способность к сварке и к снятию напряжений со сварных соединений
  • Возможность чрезмерной влажности и коррозии
  • Характеристики теплового расширения и модуля упругости для болтовых соединений и соединений из разнородных материалов
  • Теплопроводность и устойчивость к тепловому удару

Влияние низких температур на материалы. Когда в трубопроводах и сосудах находится хладагент при низких температурах, должны обычно выбираться специальные материалы из-за влияния низкой температуры на свойства материалов. Также необходимо учесть химические взаимодействия между хладагентом и материалом. Механические и физические параметры, технологичность, и пригодность — некоторые из важных свойств которые необходимо учесть при выборе материала для низкотемпературного использования. Некоторые обобщения могут быть сделаны, за исключением того, что при понижении температуры увеличивается твердость, сопротивление и модуль упругости.

Влияние низких температур на податливости и прочности может изменяться значительно между разными материалами. С понижением температуры, у некоторых металлов увеличивается эластичность, в то время как у других происходит небольшое увеличение при ограниченных температурах, а при дальнейшем понижении температуры уменьшается. Тем не менее, у других металлов происходит уменьшение прочности и упругости при температурах ниже комнатной. Наличие температурного сжатия у полимеров зависит от типа полимера. Термопластичные полимеры, которые размягчаются при температурах выше их температуры отвердения Tg, становятся прогрессивно более жесткими и наконец ломкими при низких температурах.

Термореактивные пластмассы, которые хорошо поперечно соединены и не размягчаются при нагреве, становятся ломкими при температурах окружающей среды и остаются такими при более низких температурах. Эластомеры (каучук) становятся жесткими подобно термопластам при низких температурах, становясь полностью ломкими при очень низких температурах. Хотя полимеры становятся ломкими и могут треснуть при низких температурах, их уникальная комбинация тепловых свойств и диэлектрической способности, низкая теплоемкость при низкой плотности и отсутствие намагничивания, делает их наиболее приемлемыми для ряда более низкотемпературных приложений.

При чрезвычайно низких температурах, все пластичные материалы очень ломки и имеют низкую теплопроводность и низкую прочность при сравнении с металлами и их соединениями, поэтому окончательный выбор и использование должны быть тщательно продуманы. Волоконные сложные материалы получили широкое распространение при низких температурах, несмотря на наличие в них материалов, которые являются часто ломкими. Свойство, которое нужно учесть при использовании таких соединений — наличие анизотропного режима, при котором они показывают свойства с различными величинами, измеренными по разным осям в различных направлениях. Соединения с ориентированными волокнами очень анизотропны.

Какие материалы работают на холоде

Материалы при низких температурах
МатериалПоведение
Углеродистая стальХрупка ниже −20…−40 °C
Низколегированная сталь (09Г2С)До −70 °C
Аустенитная нержавеющая стальДо −196 °C и ниже
Медь, алюминийНе теряют пластичности
Фторопласт (PTFE)Сохраняет эластичность до −190 °C

Как идёт теплообмен на таких температурах — в статье теплопередача в низкотемпературных системах.

Как материалы сжимаются при охлаждении?

Все материалы при охлаждении сжимаются, но по-разному: алюминий сильнее стали почти вдвое, а пластмассы — в 5–10 раз сильнее металлов. Разница в сжатии соединённых деталей создаёт напряжения в пайках, фланцах и уплотнениях, поэтому в низкотемпературных узлах подбирают пары материалов с близкими коэффициентами или ставят компенсаторы.

Коэффициент линейного расширения (около +20 °C, ориентир)
Материалα, 10⁻⁶ 1/K
Сталь углеродистая11–12
Нержавеющая сталь аустенитная16–17
Медь17
Алюминий23
Фторопласт (ПТФЭ)100–120
Стеклопластик вдоль волокон8–12

Пример: фторопластовое уплотнение толщиной 3 мм при охлаждении на 100 K сжимается примерно на 0,03 мм, а стальной фланец вокруг него — на 0,004 мм, поэтому уплотнение теряет натяг. Для таких узлов затяжку контролируют после выхода на режим. Подробные данные о металлах — в статье металлы при низких температурах, о пластиках — термопластичные полимеры. Эти перепады учитывают при проектировании низкотемпературных камер до −75 °C.

Частые вопросы

Какие материалы применяют для низкотемпературных систем?

Аустенитные нержавеющие стали, медь и латунь, алюминиевые сплавы, никелевые стали и низколегированные стали с подтверждённой ударной вязкостью при рабочей температуре.

Почему нельзя использовать обычную сталь при низких температурах?

Углеродистая сталь ниже порога хладноломкости теряет ударную вязкость и может хрупко разрушиться под давлением или при ударе.

Почему медь используют в низкотемпературных системах?

Медь, как и алюминий и аустенитная нержавеющая сталь, не теряет пластичности на холоде, тогда как углеродистая сталь становится хрупкой ниже −20…−40 °C.

Почему фторопластовые уплотнения теряют герметичность на холоде?

Фторопласт при охлаждении сжимается в 6–10 раз сильнее металла, и уплотнение теряет натяг. Узлы с такими уплотнениями подтягивают после выхода на рабочую температуру или ставят пружинные уплотнения.

Читайте также

Добавить комментарий
Защитный код