低温冷却循环泵体与管道的连接方式在低温环境下如何避免冷脆或变形？

在低温环境下（如-80℃至-196℃），泵体与管道的连接方式需从材料选型、结构设计、安装工艺、应力补偿四方面规避冷脆、变形及泄漏风险。以下是针对不同连接方式的低温适配方案：

一、材料选型：规避冷脆的核心

1. 法兰连接  

- 法兰本体：  

 - 禁用普通碳钢（冷脆转变温度约-20℃），改用奥氏体不锈钢（304/316L）（无磁、低温韧性好，-196℃仍保持延展性）或镍基合金（如Inconel 625）（耐深冷腐蚀，用于LNG等超低温场景）。  

 - 带颈对焊法兰（WNRF）优于平焊法兰（SO），焊接坡口设计可减少应力集中。  

- 螺栓/螺母：  

 - 采用不锈钢316L或低温合金结构钢（如35CrMoA），螺纹需经表面氮化处理（提高硬度和耐腐蚀性）。  

 - 螺栓预紧时需计算低温下的收缩量，预留热膨胀补偿量（如常温预紧力为设计值的80%，低温运行后补紧）。  

2. 螺纹连接  

- 管材与接头：  

 - 优先选不锈钢卡套式接头（如Swagelok）或VCR接头（金属面密封），避免普通螺纹（如NPT）的非金属密封件低温硬化。  

 - 螺纹材料同泵体（316L），牙型角采用60°（密封性优于55°管螺纹），螺纹表面镀镍磷（厚度5-10μm，防咬死）。  

- 密封材料：  

 - 替代聚四氟乙烯（PTFE）生料带，改用金属缠绕垫片（不锈钢+石墨）或波纹金属垫片，避免低温下非金属垫片脆化破裂。  

3. 快装接口（如卡箍连接）  

- 接口本体：  

 - 采用316L不锈钢快装卡盘，密封圈槽设计为圆弧形（减少应力集中）。  

- 密封圈：  

 - 禁用丁腈橡胶（NBR，低温脆化温度-40℃），改用全氟醚橡胶（FFKM，-40℃~300℃）或金属O型圈（如316L不锈钢）。  

 - 金属密封圈需配合锥面密封结构，通过卡箍预紧产生塑性变形实现零泄漏（适用于-150℃以下超低温）。  

二、结构设计：低温应力补偿

1. 法兰连接的应力释放  

- 柔性连接元件：  

 - 在法兰与管道间串联金属波纹管补偿器（材质316L，波纹层数≥3层），吸收低温收缩位移（轴向补偿量≥5mm，横向≤3mm）。  

 - 对于大口径管道（DN≥100），采用球形法兰（允许3°偏转），缓解管道不对中导致的附加应力。  

- 隔热设计：  

 - 法兰外侧包裹真空绝热材料（VIP板）或聚氨酯发泡层（厚度50-100mm），减少法兰表面温度梯度（目标：法兰表面温度＞-50℃，避免结露结冰）。  

2. 螺纹连接的防松脱设计  

- 双螺母锁定：  

 - 采用“主螺母+副螺母"结构，副螺母尺寸比主螺母小1-2个规格，通过不同力矩预紧形成摩擦力防松（适用于振动场景）。  

- 应力分散结构：  

 - 螺纹根部增设退刀槽（半径≥2mm），避免直角过渡导致的应力集中断裂。  

3. 快装接口的预紧力优化  

- 扭矩控制：  

 - 使用定扭矩扳手按低温工况计算预紧力（如常温下预紧扭矩为设计值的1.2倍，低温收缩后扭矩回落至目标值）。  

- 弹性卡箍：  

 - 采用带弹簧垫圈的卡箍（如304不锈钢弹簧片），补偿低温下密封圈的弹性衰减。  

三、安装工艺：低温环境的特殊要求  

1. 焊接工艺  

- 法兰焊接：  

 - 采用氩弧焊（GTAW），焊丝选用ER316L，焊接前预热至50-80℃（避免低温裂纹），焊后进行应力消除退火（620℃×2h随炉冷却）。  

- 管道对中：  

 - 同轴度误-差≤0.5mm（DN≤50）或≤1mm（DN＞50），避免强制安装导致的附加应力。  

2. 低温预冷调试  

- 分步降温：  

 - 首-次运行时，以10℃/h速率降至目标温度，每降20℃暂停30分钟，检查连接部位是否有泄漏或异常变形。  

- 泄漏检测：  

 - 采用氦质谱检漏（泄漏率≤1×10⁻⁹ Pa·m³/s），重点检测法兰垫片边缘、螺纹连接处和快装密封圈沟槽。  

四、典型失效场景与解决方案

（一）

失效模式：法兰螺栓断裂

原因分析：碳钢螺栓冷脆，预紧力过大

解决方案：更换316L不锈钢螺栓，采用分步预紧工艺

（二）

失效模式：螺纹接口泄漏

原因分析：PTFE生料带脆化，螺纹咬合磨损

解决方案：改用金属缠绕垫片，螺纹表面镀镍磷

（三）

失效模式：快装密封圈失效

原因分析：橡胶密封圈低温硬化，卡箍预紧力不足

解决方案：更换FFKM密封圈，使用带弹簧的弹性卡箍

（四）

失效模式：管道拉裂泵体接口

原因分析：管道热膨胀未补偿，应力集中

解决方案：加装金属波纹管补偿器，设计“Π"型膨胀弯管

低温连接的核心原则

1. 材料韧性优先：所有金属部件需通过夏比冲击试验（-100℃冲击功≥27J），非金属密封件需通过低温脆化测试（如ASTM D746）。  

2. 应力可控释放：通过柔性元件（波纹管、金属软管）和膨胀结构（弯管、球形接头）吸收低温收缩位移，避免刚性连接。  

3. 密封可靠性升级：超低温（＜-100℃）场景禁用非金属密封，优先采用金属面接触密封（如VCR接头、透镜垫）。 

通过上述设计，可确保低温冷却循环系统在-196℃液氮环境下长期稳定运行，泄漏率控制在行业标准（如API 682）允许范围内。