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
| Материал | Поведение |
|---|---|
| Углеродистая сталь | Хрупка ниже −20…−40 °C |
| Низколегированная сталь (09Г2С) | До −70 °C |
| Аустенитная нержавеющая сталь | До −196 °C и ниже |
| Медь, алюминий | Не 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.
| Материал | α, 10⁻⁶ 1/K |
|---|---|
| Сталь углеродистая | 11–12 |
| Нержавеющая сталь аустенитная | 16–17 |
| Медь | 17 |
| Алюминий | 23 |
| Фторопласт (ПТФЭ) | 100–120 |
| Стеклопластик вдоль волокон | 8–12 |
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