Рідкий азот має температуру -196℃, рідкий кисень і рідкий аргон також знаходяться в цьому діапазоні. Вуглецева сталь при цій температурі руйнується крихко, як скло, а аустенітна нержавіюча сталь (серії 300) не має вираженого в'язко-крихкого переходу — саме це є причиною, чому вона стала основним матеріалом для низькотемпературного обладнання.
Коротке рішення
При -196℃ використовуйте 304L або 316L (низьковуглецеві марки), а не звичайні 304/316. Якщо середовище агресивне (наприклад, містить хлор або сірку), використовуйте 316L; для чистого низькотемпературного зберігання та транспортування (рідкий азот, рідкий кисень, рідкий аргон) достатньо 304L. Вміст фериту в зварному шві необхідно контролювати, а також обов'язково проводити випробування на ударну в'язкість при низькій температурі.
Чому низький вуглець є ключовим
Аустеніт має гранецентровану кубічну структуру, багато систем ковзання, і при низькій температурі не схильний до крихкого руйнування. Але ця перевага має двох ворогів:
- Вуглець: високий вміст вуглецю призводить до утворення карбідів на межах зерен, знижує в'язкість і корозійну стійкість, а при зварюванні також викликає сенсибілізацію; тому для низькотемпературного обладнання використовують 304L / 316L (C ≤ 0.03%);
- Ферит: якщо в аустенітній нержавіючій сталі залишається багато δ-фериту (часто зустрічається у зварних швах), феритна фаза при низькій температурі стає крихкою і стає джерелом тріщин. Тому вміст фериту в зварному шві необхідно контролювати (зазвичай бажано низький, конкретні межі — згідно з технічними умовами проєкту).
Що перевіряти при прийманні
- Випробування на ударну в'язкість при низькій температурі: зразок Шарпі з V-подібним надрізом, вимірювання ударної роботи при робочій температурі (наприклад, -196℃). Це найважливіший пункт приймання для низькотемпературного обладнання, не можна покладатися лише на механічні властивості при кімнатній температурі;
- Хімічний склад: підтвердити, що це марка L (C ≤ 0.03%);
- Ферит у зварному шві: вимірювати феритометром або металографічним методом, перевірити, чи в межах, дозволених технічними умовами;
- Неруйнівний контроль: для низькотемпературного обладнання зазвичай вимагається RT/UT, тріщиноподібні дефекти при низькій температурі швидко поширюються.
Ключові моменти зварювання
Зварні шви низькотемпературного обладнання часто є найслабшою ланкою:
- Використовувати відповідні низьковуглецеві зварювальні матеріали (ER308L / ER316L);
- Контролювати тепловкладення та температуру між проходами, уникати укрупнення зерна;
- Ретельно очищати після зварювання, виконувати кислотне травлення та пасивацію (окалина є початком корозії);
- За необхідності виконувати післязварювальний відпал (у випадках з підвищеними вимогами), але звертати увагу на контроль деформацій.
Порівняння з іншими низькотемпературними матеріалами
- 9% нікелева сталь: спеціально для LNG (-162℃), висока вартість і вимоги до технології, частіше використовується для великих резервуарів;
- Алюмінієвий сплав: добра низькотемпературна в'язкість, легка вага, але низька міцність і помітне зниження властивостей зварних з'єднань;
- Аустенітна нержавіюча сталь: придатна для -196℃ і навіть нижче, корозійностійка, легко обробляється, зварюється, є звичайним вибором для малих і середніх низькотемпературних установок і трубопроводів.
Типові помилки
- Використання звичайної 304 замість 304L: високий вміст вуглецю, в'язкість зварного шва та зони термічного впливу не відповідає нормам;
- Виконувати лише випробування на розтяг при кімнатній температурі, без випробування на удар при низькій температурі — а саме ударна в'язкість є ключовою при прийманні низькотемпературного обладнання;
- Підвищений вміст фериту в зварному шві (неправильні зварювальні матеріали або поганий захист), що при низькій температурі стає джерелом тріщин;
- Ігнорування корозійної агресивності середовища: системи рідкого кисню надзвичайно чутливі до забруднення маслом (ризик безпеки), 316L є більш надійним;
- Невідповідність матеріалів опорних конструкцій і трубопроводів, різниця теплового розширення створює додаткові напруження.
Повідомте нам середовище, мінімальну температуру, об'єм і стандарт, за яким виконується робота, і ми надамо рекомендації щодо марки та зварювальних матеріалів для низькотемпературних умов, а також можемо надати дані випробувань на ударну в'язкість при відповідній температурі — витрати на низькотемпературне обладнання майже повністю пов'язані з «перевіркою», сам матеріал не є основною статтею витрат.
