Чем отличаются трубопроводы,-работающие в экстремальных условиях
Трубопроводы для вакуумных камер, криогенных систем и космического-космического оборудования оцениваются по стандартам, которым промышленные трубы никогда не соответствуют. В условиях жесткого вакуума любая утечка является сбоем системы, а любой выделяющий газ материал загрязняет окружающую среду. В криогенной эксплуатации труба должна выдерживать температуру -196°С без охрупчивания. В космосе оборудование сталкивается с вакуумной сваркой контактирующих металлов, радиационным повреждением и циклическим изменением температуры между крайностями. Эти требования определяют выбор материала, процесса сварки и программы испытаний, а также объясняют, почему аэрокосмические и криогенные трубы стоят гораздо дороже, чем наземные промышленные трубы.
Выбор материала
Материалы для трубопроводов,-используемых в экстремальных условиях, выбираются с учетом низкого выделения газов, криогенной прочности и коррозионной стойкости. Аустенитные нержавеющие стали, такие как 316L, являются «рабочими лошадками» для вакуумной и криогенной эксплуатации, обладают превосходной прочностью до -196 C и низким выделением газов после очистки. Титановые сплавы, такие как Ti-6Al-4V, сочетают в себе легкий вес с высокой прочностью и используются там, где масса имеет значение, а сплавы на основе никеля, такие как сплав 718, используются для высокотемпературных секций. Алюминиевые сплавы служат для работы в условиях умеренного вакуума и криогенных условий при низкой стоимости. Каждый материал должен быть проверен на выделение газа, обычно с помощью теста ASTM E595, который измеряет общую потерю массы и собранные летучие конденсирующиеся материалы.
Сварка и соединение
Сварные швы на трубопроводах,-работающих в экстремальных условиях, должны быть автогенными и с полным-проваром, без пористости, поскольку точечные отверстия приводят к утечке. Орбитальная газовая вольфрамовая дуговая сварка (GTAW) – это стандартный процесс: горелка автоматически вращается вокруг неподвижного соединения, обеспечивая повторяемый сварной шов,-без загрязнений. При работе в вакууме сварной шов выполняется под контролируемой продувкой инертным газом с обеих сторон, а соединение рассчитано на полный провар и гладкий корень. Что касается космических применений, изучаются возможности роботизированной и лазерной сварки для сборки на орбите, но каждая практическая система по-прежнему опирается на квалифицированные соединения GTAW, выполненные на земле. Соединения разнородных-металлов, например нержавеющей стали и титана, требуют специальных переходных соединений или механических соединений, поскольку при прямой сварке плавлением образуются хрупкие интерметаллиды.
Дегазация и чистота
Дегазация — это выделение летучих соединений из материалов в вакууме, которое контролируется выбором материалов и очисткой. Трубу очищают от масел, отпечатков пальцев и мусора, затем обрабатывают в перчатках и герметизируют до момента установки. Испытание ASTM E595 позволяет измерить выделение газов из потенциальных материалов, а сборка спроектирована таким образом, чтобы ни один органический материал, который не может выдерживать -разрешение на работу в вакууме, не подвергался воздействию вакуума. В системах сверх-высокого-вакуума трубы часто подвергаются вакуумной сушке, а соединения выполняются с использованием металлических прокладок, а не эластомеров.
Тестирование и обеспечение качества
Трубопроводы, предназначенные для экстремальных- условий эксплуатации, проходят испытания, выходящие за рамки промышленных норм. Испытание на герметичность с помощью гелиевой масс-спектрометрии подтверждает, что соединения сохраняют требуемую скорость утечки, обычно 1 x 10-9 мбар л/с или лучше для вакуумных систем. Термовакуумный цикл подвергает сборку воздействию экстремальных температур эксплуатации при сохранении вакуума, а испытания под давлением инертным газом или криогенной жидкостью проверяют механическую целостность. Каждый сварной шов проверяется, и документируется полная отслеживаемость материала и сварных швов. Для криогенной эксплуатации материал проверяется на ударную вязкость при рабочей температуре, поскольку некоторые стали становятся хрупкими при температуре ниже -50 C.
Практические границы
Инженерные заявления об экзотических применениях следует рассматривать с учетом физических ограничений материалов. Ни одна сварная стальная труба не бесполезна при температуре в тысячи градусов, и ни один материал не выдерживает неопределенное время радиации или бомбардировки микрометеороидами без защиты. Практический путь к созданию трубопроводов, работающих в экстремальных- условиях, — использовать проверенные материалы, квалифицированную сварку и тщательные испытания, а также проектировать систему с учетом реальных условий эксплуатации или технологического процесса. Спекулятивные концепции, такие как добыча ресурсов в-космическом пространстве, остаются темами исследований; трубопроводы, которые летают сегодня, изготовлены из стали 316L, титана и с использованием строгих процессов, описанных выше.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Какой материал используется для вакуумных и криогенных трубопроводов?
Аустенитная нержавеющая сталь, такая как 316L, является стандартным выбором для работы в вакууме и криогенных условиях до -196 C; титановые сплавы используются там, где вес имеет значение, а никелевые сплавы — для высокотемпературных секций.
Вопрос: Что такое дегазация и как ее измеряют?
Дегазация – это выделение летучих соединений в вакууме. Его измеряют с помощью теста ASTM E595, который показывает общую потерю массы и собранные летучие конденсирующиеся вещества.
Вопрос: Как выполняются вакуумные сварные швы?
Путем орбитальной газовой вольфрамовой дуговой сварки с полным проваром и продувкой инертным-газом с обеих сторон, что обеспечивает повторяемые соединения-без загрязнений. Каждый сварной шов проходит проверку на герметичность.
Вопрос: Какая скорость утечки требуется для вакуумных трубопроводов?
Типичное приемлемое значение составляет 1 x 10-9 мбар л/с или выше, что подтверждено испытанием на утечку с помощью гелиевого масс-спектрометра.
Вопрос: Можно ли сваривать нержавеющую сталь с титаном?
Не методом прямой сварки плавлением, при которой образуются хрупкие интерметаллиды. Переходные соединения или механические соединения используются для соединений разнородных-металлов.
Вопрос: Почему криогенная труба не изготовлена из углеродистой стали?
Углеродистая сталь становится хрупкой при температуре ниже -50 C. Аустенитная нержавеющая сталь сохраняет прочность до -196 C, поэтому ее используют для криогенной эксплуатации.
