Выбор фитингов для труб для арктических проектов при температуре -60°C: руководство по низкотемпературной штамповке и надежности герметизации.
2026-02-02
I. Основные принципы выбора фитингов для трубопроводов в рамках арктического проекта
Экстремально низкие температуры арктического региона предъявляют жесткие требования к свойствам материалов, технологиям обработки и уплотнению фитингов для труб. При выборе необходимо руководствоваться следующими основными принципами:
- Принцип приоритета низкотемпературной ударной вязкости : материалы для фитингов труб должны обладать превосходной низкотемпературной ударной вязкостью, чтобы избежать хрупкого разрушения при -60℃ и обеспечить структурную целостность.
- Принцип термостойкости и совместимости : коэффициент линейного расширения материала должен соответствовать коэффициенту линейного расширения других компонентов системы, чтобы уменьшить термические напряжения, вызванные резкими перепадами температуры, и предотвратить деформацию труб или нарушение герметичности.
- Принцип надежности уплотнительной конструкции : при проектировании уплотнения необходимо учитывать характеристики усадки и затвердевания уплотнительного материала при низких температурах, выбирать соответствующие формы и материалы уплотнения, а также обеспечивать длительную герметичность.
Принцип осуществимости технологической обработки : Технологии обработки, такие как низкотемпературная штамповка, должны соответствовать требованиям к пластичности материалов при низких температурах, чтобы избежать дефектов, таких как трещины и упрочнение при обработке.
II. Выбор материала для штампованных фитингов для низкотемпературных труб
2.1 Сравнение свойств широко используемых криогенных материалов
| Класс материала | Минимальная допустимая температура (°C) | Ударная вязкость при низких температурах (Дж/см², -60℃) | Коэффициент линейного расширения (10⁻⁶/℃, 20~-60℃) | Качество сварки | Применимые сценарии |
| 09MnNiDR | -70 | ≥20 | 11.2 | хороший | Трубопроводные системы среднего и низкого давления, соединения для контейнеров. |
| 16MnDR | -40 | ≥18 | 11.5 | хороший | Не подходит для использования в условиях температуры до -60°C; может использоваться в качестве временного переходного материала. |
| 06Ni9 (9% никелевой стали) | -196 | ≥30 | 10.8 | Требуются специальные сварочные материалы. | Трубопроводные системы высокого давления и высокого риска, такие как трубопроводы для транспортировки сжиженного природного газа. |
| Аустенитная нержавеющая сталь S30408 | -196 | ≥40 | 17.3 | хороший | Трубопроводы для агрессивных сред и трубопроводные системы, требующие антиконденсационных свойств. |
| Аустенитная нержавеющая сталь S31603 | -196 | ≥45 | 16.0 | хороший | Трубопроводы для высококоррозионных сред и трубопроводные системы в морской среде |
2.2 Анализ ключевых показателей для отбора материалов
1.Низкотемпературная ударная вязкость : При -60℃ энергия удара с V-образным надрезом должна быть не менее 20 Дж/см², что является ключевым показателем для предотвращения хрупкого разрушения. 9%-ная никелевая сталь (06Ni9) сохраняет высокую ударную вязкость при низких температурах и является предпочтительным материалом для трубопроводов высокого давления в арктических проектах; 09MnNiDR обладает преимуществом в соотношении цены и качества в условиях среднего и низкого давления.
2.Коэффициент линейного расширения : Различия в коэффициентах линейного расширения разных материалов могут приводить к термическим напряжениям при изменении температуры. Например, коэффициент линейного расширения аустенитной нержавеющей стали примерно в 1,5 раза выше, чем у низкоуглеродистой стали. При соединении труб из низкоуглеродистой стали для смягчения последствий термических напряжений необходимы переходные соединения или компенсаторы.
3. Характеристики холодной обработки : При низкотемпературной штамповке материал должен обладать достаточной пластичностью. После нормализации стали 09MnNiDR и 06Ni9 демонстрируют хороший баланс между пластичностью и ударной вязкостью, что делает их пригодными для холодной штамповки. Хотя аустенитные нержавеющие стали обладают превосходной пластичностью, они склонны к упрочнению после штамповки и требуют термической обработки для восстановления своих свойств.
III. Ключевые моменты контроля процесса низкотемпературной штамповки
3.1 Предварительная обработка материала перед штамповкой
- Очистка поверхности : удаление окалины, масляных пятен и загрязнений с поверхности материала для предотвращения царапин или вмятин во время штамповки, которые могут повлиять на качество поверхности и коррозионную стойкость фитингов. Методы включают пескоструйную обработку, травление или механическую шлифовку.
- Контроль температуры : Для высокопрочной низкотемпературной стали материал можно предварительно нагреть до 100-150℃ перед штамповкой, чтобы улучшить его пластичность и снизить риск образования трещин при штамповке. Предварительный нагрев должен быть равномерным, чтобы избежать локального перегрева, который может ухудшить свойства материала.
- Контроль качества сырья : Для каждой партии материалов повторно проверяется ударная вязкость при низких температурах, чтобы убедиться, что характеристики материала соответствуют проектным требованиям; одновременно проверяется поверхность материала на наличие дефектов, таких как расслоение и трещины. Использование некачественных материалов строго запрещено.
3.2. Управление параметрами процесса штамповки
| параметры процесса | Диапазон управления 09MnNiDR | диапазон управления 06Ni9 | Диапазон управления S30408 |
| Скорость штамповки (мм/с) | 50~100 | 30~80 | 80~120 |
| Зазор матрицы (мм) | 10–12% от толщины материала | 8–10% толщины материала | 12–15% от толщины материала |
| Количество штамповок | 1-2 молдинга | Однократное формование, позволяющее избежать многократных деформаций. | Его можно формовать многократно, и после каждой формовки требуется снятие внутренних напряжений. |
Описание параметров процесса : Более низкая скорость штамповки позволяет снизить скорость деформации материала и уменьшить риск образования трещин в низкотемпературной стали; разумный зазор между матрицей обеспечивает качество поперечного сечения фитингов и предотвращает образование заусенцев или разрывов; многократные процессы формования требуют строгого контроля величины деформации каждый раз, чтобы предотвратить чрезмерное упрочнение материала.
3.3 Послештамповочная обработка и проверка
- Обработка для снятия напряжений : Штампованные фитинги для труб необходимо подвергнуть низкотемпературному отжигу для снятия напряжений. Температура отжига для стали 09MnNiDR составляет 550–600℃, а время выдержки рассчитывается как 1 час на каждые 25 мм толщины стенки. Аустенитную нержавеющую сталь после штамповки необходимо подвергнуть термической обработке при температуре 1010–1150℃ с последующим быстрым охлаждением для восстановления коррозионной стойкости.
- Контроль точности размеров : Для проверки наружного диаметра, толщины стенки, угла и других размеров фитингов используются специальные измерительные инструменты, чтобы убедиться в их соответствии требованиям чертежей. Тщательно контролируется плоскостность и шероховатость уплотнительной поверхности для обеспечения последующей герметичной установки.
Неразрушающий контроль : для проверки штампованных деталей фитингов на наличие поверхностных микротрещин проводится магнитопорошковый или капиллярный контроль; для фитингов высокого давления также требуется ультразвуковой контроль для обнаружения внутренних дефектов, таких как расслоение и изгиб.
IV. Проектирование и выбор надежных уплотнений для низких температур.
4.1 Анализ причин выхода из строя низкотемпературных уплотнений
В арктических условиях при температуре -60°C причиной выхода из строя уплотнений являются в основном следующие факторы:
- Низкотемпературное затвердевание уплотнительных материалов : Обычные резиновые уплотнительные материалы теряют свою эластичность, а их твердость резко возрастает при низких температурах, что делает их неспособными эффективно заполнять зазоры в уплотняемой поверхности и приводит к протечкам.
- Несоответствие термической усадки : коэффициенты линейного расширения уплотнительного элемента и основного материала трубы значительно различаются, что приводит к различной усадке при понижении температуры и, как следствие, к увеличению зазора между уплотнительными поверхностями.
- Релаксация напряжений в уплотнении : В условиях низких температур внутренние напряжения в уплотнении постепенно релаксируют, предварительное натяжение уменьшается, и оно не может поддерживать достаточное давление уплотнения.
4.2 Выбор низкотемпературной уплотнительной конструкции
4.2.1 Металлическая уплотнительная конструкция
- Металлическая восьмиугольная уплотнительная прокладка : подходит для фланцевых соединений трубопроводов высокого давления. Прокладка изготовлена из низкотемпературной стали того же материала, что и фитинг трубы. Под действием предварительной затяжки восьмиугольная прокладка и уплотнительная поверхность фланца образуют линейное контактное уплотнение, которое обладает превосходными герметизирующими свойствами при низких температурах, ударопрочностью и выдерживает частые перепады температур.
- Металлическая спирально-навитая прокладка-уплотнитель : состоит из чередующейся намотки металлической полосы и гибкой наполняющей полосы. Металлическая полоса изготовлена из сплава 06Ni9 или S30408, а наполнительная полоса — из вспененного графита. Такая конструкция сочетает в себе жесткость металла и гибкость наполнителя, обеспечивая хорошую герметизацию даже при температуре -60℃, что делает ее подходящей для трубопроводных систем среднего и низкого давления.
4.2.2 Композитная уплотнительная конструкция
- Уплотнительные прокладки с покрытием из ПТФЭ : В этих уплотнениях используется металлический каркас, покрытый материалом ПТФЭ. ПТФЭ сохраняет определенную степень гибкости даже при температуре -60℃ и обладает превосходной коррозионной стойкостью, что делает его пригодным для герметизации низкотемпературных трубопроводов, содержащих агрессивные среды. Однако необходимо соблюдать осторожность и контролировать предварительное натяжение, чтобы предотвратить деформацию материала ПТФЭ.
- Уплотнение из комбинированной силиконовой резины и металла : В этом уплотнении в качестве основного уплотняющего материала используется силиконовая резина, а в ключевых зонах уплотнения встроены металлические опорные кольца. Силиконовая резина сохраняет хорошую эластичность даже при температуре -60℃, а металлические опорные кольца предотвращают чрезмерное сжатие и деформацию резины. Подходит для статических уплотнений в трубопроводах низкого давления и большого диаметра.
4.3 Ключевые моменты установки и обслуживания герметиков
- Контроль предварительной нагрузки : В зависимости от конструкции уплотнения и свойств материала, для точного контроля предварительной нагрузки болта используется динамометрический ключ, чтобы избежать повреждения уплотнения из-за чрезмерной предварительной нагрузки или выхода из строя уплотнения из-за недостаточной предварительной нагрузки. Например, предварительная нагрузка болта для металлического восьмиугольного прокладочного уплотнения должна достигать 70–80% от предела текучести материала.
- Обработка уплотнительной поверхности : Перед установкой очистите уплотнительную поверхность фланца от масла и ржавчины, а также используйте шлифовальную технологию для устранения царапин или ямок на уплотнительной поверхности, чтобы обеспечить шероховатость поверхности до Ra1,6~Ra3,2 мкм и улучшить прилегание уплотнительной поверхности.
- Регулярный осмотр и техническое обслуживание : В ходе эксплуатации проекта следует регулярно проводить проверку герметичности уплотнительных элементов, что можно сделать с помощью гелиевой масс-спектрометрии; болты фланца следует подтягивать каждые 2-3 года для компенсации снижения предварительного натяжения, вызванного релаксацией напряжений.
Меры предосторожности : Во время монтажа на объекте арктического проекта необходимо принимать меры предварительного нагрева в зоне герметизации, чтобы предотвратить хрупкость герметизирующего материала из-за низкой температуры во время монтажа; одновременно герметизирующие компоненты должны храниться при температуре выше 0℃, чтобы предотвратить преждевременное затвердевание при низких температурах.
V. Выбор и применение фитингов для труб
5.1 Проект трубопровода СПГ в Арктике
Условия эксплуатации проекта : минимальная температура -62℃, расчетное давление в трубопроводе 10 МПа, транспортируемая среда — сжиженный природный газ (СПГ).
Схема отбора :
- Материал фитингов для труб : для обеспечения требуемой ударной вязкости и высокой прочности при низких температурах, необходимых для транспортировки СПГ, выбрана низкотемпературная сталь 06Ni9.
- Процесс штамповки : используется однократная холодная штамповка, скорость штамповки контролируется на уровне 50 мм/с, а зазор между матрицей и материалом составляет 9% от толщины материала; после штамповки проводится низкотемпературный отжиг для снятия напряжений при температуре 620℃ в течение 2 часов.
- Конструкция уплотнения : В фланцевом соединении для уплотнения используется металлическая восьмиугольная прокладка. Материал прокладки — 06Ni9, что соответствует материалу трубы и обеспечивает термоусадочное уплотнение; в уплотнении клапана используется металлическая спирально намотанная прокладка, а уплотнительная лента изготовлена из вспененного графита.
Результаты эксплуатации : За три года эксплуатации проекта не было выявлено проблем, таких как хрупкое разрушение или протечки герметизации фитингов трубопроводов, а стабильность и надежность системы соответствуют требованиям экстремальных арктических условий.
5.2 Проект водопровода для арктической исследовательской станции
Условия эксплуатации : минимальная температура -58℃, расчетное давление в трубопроводе 1,6 МПа, транспортируемая среда – низкотемпературная пресная вода.
Схема отбора :
- Материал для фитингов : для контроля затрат по проекту и обеспечения соответствия требованиям к эксплуатационным характеристикам при низких температурах выбрана низкотемпературная сталь 09MnNiDR.
- Процесс штамповки : используется двухэтапная холодная штамповка. Деформация при первой штамповке контролируется в пределах 30%, а деформация при второй штамповке — в пределах 20%. После штамповки проводится отжиг для снятия напряжений при температуре 580℃.
- Конструкция уплотнения : для уплотнения используется прокладка с покрытием из ПТФЭ, что обеспечивает как герметичность при низких температурах, так и коррозионную стойкость. При установке усилие предварительной затяжки контролируется на уровне 60% от предела текучести болта.
Результаты применения : В течение зимней эксплуатации исследовательской станции трубопроводная система была надежно герметизирована, утечек не наблюдалось, а фитинги выдержали испытание низкими температурами.
VI. Заключение и перспективы
В арктических проектах, работающих при экстремальных температурах -60°C, при выборе фитингов для труб необходимо отдавать приоритет низкотемпературной прочности и термической стабильности материала, а также контролю процесса низкотемпературной штамповки и оптимизации конструкции уплотнения, чтобы обеспечить долговременную надежную работу трубопроводной системы. Низкотемпературные стали 06Ni9 и 09MnNiDR, благодаря своим превосходным комплексным характеристикам, стали основным выбором для фитингов в арктических проектах; в то время как металлические уплотнения и композитные конструкции уплотнений обеспечивают разнообразные решения для герметизации в различных условиях давления и рабочей среды.
В будущем, с увеличением числа проектов освоения Арктики, необходимо будет продолжить разработку новых материалов для трубопроводной арматуры и технологий герметизации, адаптированных к экстремально низким температурам, таких как новые сплавы с более низкой термостойкостью и интеллектуальные системы мониторинга герметизации, чтобы повысить уровень безопасности и интеллектуальности трубопроводных систем в арктических проектах и обеспечить более надежную гарантию освоения арктических ресурсов и научно-исследовательской деятельности.
