Table of Contents

Конструкция крепежа для криогенного обслуживания, определяемая как рабочие температуры ниже -150 ° C (-238 ° F), представляет собой набор проблем, отличных от тех, которые встречаются в условиях окружающей среды. В приложениях, начиная от хранения сжиженного природного газа (СПГ) до ракетного движения и сверхпроводящих магнитов, крепеж должен поддерживать структурную целостность, противостоять хрупкому разрушению и приспосабливаться к изменениям размеров, вызванным серьезным тепловым сокращением. Эта статья обеспечивает всестороннее руководство по выбору материала, геометрической конструкции, обработке поверхности и протоколам испытаний крепежных элементов, предназначенных для криогенных сред.

Выбор материала для криогенных застежек

Наиболее важным решением в криогенной конструкции крепежа является выбор базового материала. При низких температурах многие обычные стали подвергаются пластично-хрупкому переходу, теряя способность пластически деформироваться перед разрывом. Поэтому следует использовать только материалы с лицевой кубической (fcc) кристаллической структурой - или те, которые остаются жесткими благодаря легированию и обработке. Следующие классы оказались надежными.

аустенитные нержавеющие стали

Аустенитные марки, такие как AISI 304, 304L, 316 и 316L, являются рабочими лошадками криогенного крепления. Их Fcc-решетка сохраняет отличную прочность и удлинение даже при −269 °C (4 K). Для более высокой прочности указываются холоднокатаные версии (например, 316L CW) или азотсодержащие сплавы, такие как 304N. Важно: избегать ферритных или мартенситных нержавеющих сталей, потому что они становятся хрупкими при криогенных температурах. Низкотемпературная ударная прочность Charpy этих аустенитных марок обычно составляет > 60 J, что делает их безопасными для пограничных и структурных креплений под давлением.

Алюминиевые сплавы

Структура fcc алюминия гарантирует, что большинство сплавов остаются пластичными при криогенных температурах. Сплавы 6061-T6 и 2219-T87 являются общими для аэрокосмических криогенных систем из-за их хорошего соотношения прочности к весу и коррозионной стойкости. Для еще большей прочности может использоваться 7075-T73, но проектировщики должны убедиться, что он не проявляет отшелушивания или коррозионного растрескивания в предполагаемой среде. Болты, изготовленные из 2024-T4, также используются в некритических структурных соединениях на заводах СПГ.

Никелевые суперсплавы

Для экстремальной прочности и устойчивости к тепловому циклу используются сплавы, такие как Inconel 718 и A-286. Inconel 718 сохраняет около 90 % своей прочности при комнатной температуре при −196 °C и проявляет исключительную усталостную стойкость. Эти материалы часто выбираются для креплений в криогенных турбонасосах и ракетных двигателях, где тепловые градиенты крутые и напряжены высокие.

Медь и медные сплавы

Чистая медь и бериллиевая медь (C17200) обеспечивают высокую теплопроводность в сочетании с хорошей низкотемпературной прочностью. C17200 обеспечивает прочность на растяжение до 1280 МПа и используется для запирания провода, винтов с малым диаметром и электрических заземляющих креплений в криостатах. Однако его поведение расслабления напряжения должно тщательно оцениваться при устойчивой нагрузке при криогенных температурах.

Титановые сплавы

В то время как чистый титан может быть чувствительным к выемке, сплав Ti-6Al-4V (класс 5) широко используется в криогенных крепежах для криопампов и спутниковых структур. Его прочность на разрыв при −196 °C примерно на 50 процентов выше, чем при комнатной температуре, а его низкая теплопроводность уменьшает утечку тепла в криогенные области. Требуется осторожность в отношении хрупкости водорода, если крепеж подвергается воздействию водородного газа высокого давления при низкой температуре.

Сплавы с низким расширением железа-никеля

Инвар (Fe-36Ni) и другие сплавы с контролируемым расширением выбираются, когда крепеж должен поддерживать стабильность размеров в диапазоне температур. Эти материалы имеют коэффициент теплового расширения (CTE) почти нулевой вблизи комнатной температуры и очень низкий при криогенных условиях, что делает их идеальными для оптических креплений и болтов точного выравнивания внутри вакуумных камер.

Эффекты термического сокращения

При криогенных температурах все материалы сокращаются. Величина сокращения зависит от интегрированного по температурной дельте материала CTE. Для стального крепежа, охлаждаемого от 20 °C до −196 °C, линейное сокращение составляет около 0,3%; для алюминия — около 0,45 %. Эти различия вызывают дифференциальное сокращение между крепежом и соединенными частями, приводя к потере предварительной нагрузки или, наоборот, к чрезмерному напряжению.

Предустановленная загрузка

Когда болт из нержавеющей стали зажимает алюминиевый фланец, алюминий сжимается больше, чем болт. Это может снизить нагрузку на зажим на 20-50%, если не учитывать. Общее решение заключается в использовании стиральных стеков Belleville, предназначенных для поддержания нагрузки в диапазоне сокращения, или для перевыполнения начальной предварительной нагрузки, чтобы после охлаждения оставшаяся нагрузка на зажим все еще выше необходимого минимума.

Прозрачность и толерантность

Нити могут связываться, если и болт, и пробитое отверстие имеют разные CTE. Например, титановый болт, резьба которого в алюминиевое отверстие может захватываться при низкой температуре. Конструкторы должны указать клиренсовые приспособления (например, класс 2A/2B или даже класс 3A/3B со специальными допусками) и покрывать резьбу, чтобы предотвратить галечный эффект. Использование холоднокатаных нитей , а не разрезанных нитей, улучшает усталостную прочность и снижает концентрацию напряжения.

Слепые-холь применения

В слепых отверстиях жидкость (особенно СПГ или жидкий кислород) может быть захвачена во время сборки, а затем испаряться, создавая высокое давление при нагревании системы. Адекватное вентиляционное отверстие через просверленные перекрестные отверстия или надбавки для захваченной жидкости имеет важное значение для предотвращения выброса крепежа.

Геометрия нити и головы

Криогенные крепежные элементы требуют конструктивных особенностей, которые минимизируют усилители напряжения и способствуют равномерному распределению нагрузки.

Форма нити

Нити UNJ (с большим радиусом корня) предпочтительнее стандартных ниток UN, поскольку они снижают концентрацию напряжения в корне нити. Для метрических систем нити MJ предлагают такое же преимущество. Рекомендуется радиус корня не менее 0,006 дюйма для размеров до 1⁄2 дюйма. Тонкие нити обычно предлагают большую устойчивость к рыхлению под вибрацией, чем грубые нити, но они более восприимчивы к галлюру, если смазка неадекватна.

Головной дизайн

Шестиглавые болты с неглубоким шарниром под головой являются общими, но винты головки разъема (на ASME B18.3) обеспечивают лучшую передачу крутящего момента и позволяют уменьшить размер разъема в стесненных вакуумных сосудах. Радиус филе под головой должен быть как можно больше - обычно 0,020 дюйма для размеров до 3⁄8 дюйма - для снижения концентрации напряжения. Для конструкций с фланцевой головкой площадь подшипника должна быть увеличена, чтобы избежать встраивания в более мягкие материалы (например, алюминиевые фланцы).

Особенности блокировки

Нейлоковые вставки или запирающие пластыри (например, паста NYLON) не могут использоваться при криогенных температурах, потому что полимер становится хрупким и теряет эластичность. Вместо этого используйте цельнометаллические замочные орехи (например, эластичные стоп-орхидеи с отклонённой нитью), замшевые орехи или защитный провод. Вставки из спиральной проволоки (например, Heli-Coil) из нержавеющей стали 18-8 приемлемы, если установлены с подходящим криогенным замковым соединением (см. секцию покрытия).

Покрытия и смазка для криогенного обслуживания

При криогенных температурах обычные масла и смазки замерзают, устраняя любой смазочный эффект. Поэтому для уменьшения закаливания и обеспечения последовательного поведения при крутящем моменте требуются твердые смазочные материалы на сухой пленке или выбранные металлические покрытия.

Твердые пленочные смазочные материалы

Дисульфид молибдена (MoS2) и политетрафторэтилен (PTFE) являются наиболее распространенными. MoS2 сохраняет смазку до -200 °C и ниже, хотя его коэффициент трения немного увеличивается. Применение осуществляется с помощью распыления-и-излечения, придавая сухой пленке толщину 0,0003-0,0005 дюйма на бок. Вакуум-совместимые версии (без связующих веществ, которые выходят из газа) доступны для космических или ультра-высоковакуумных систем.

Металлические пластины

Серебряная покрытие (0,0003 дюйма) на нитях и несущих поверхностях является традиционным выбором для криогенных крепежных элементов, используемых с жидким кислородом, потому что серебро не искрится и сопротивляется галингу. Серебряные крепежные элементы указаны во многих Nasa-STD-6001 криогенных совместных конструкциях. Золотая покрытие используется для электрических контактных применений, но его расходы ограничивают его использование до крепежных элементов малого диаметра или приборов. Покрытие кадмия когда-то было обычным явлением, но экологические ограничения в значительной степени устранили его; кроме того, кадмий становится хрупким ниже -50 ° C.

Антигалляционные покрытия

Для несмазочных соединений, таких как те, которые находятся в криостатах чистой комнаты, процесс микропининга или конверсионное покрытие марганца-фосфата (на стали) может уменьшить тенденции холодного сварки. Титановые крепежные элементы получают выгоду от покрытия из алюминия-бронзы или слоя физического парового осаждения (PVD) TiN для предотвращения гальки.

Тестирование и валидация криогенных застежек

Для квалификации конструкции крепежа необходимо проведение строгих испытаний в условиях смоделированного обслуживания.

Тестирование на низкотемпературное растяжение

Следуйте ASTM E1450 (или EN 10002-1 в криогенной камере). Образец погружается в жидкий азот (-196 °C) или жидкий гелий (-269 °C) при вытягивании до отказа. Данные включают в себя максимальную прочность на растяжение, прочность на выход и удлинение. Минимальное удлинение 10 % в 4D обычно требуется для криогенных структурных креплений.

Испытание на воздействие

Испытания на удар с помощью шарнирного V-образного отверстия (ASTM E23) при предполагаемой температуре обслуживания обеспечивают критерии приемлемости для прочности. Для аустенитных нержавеющих сталей боковое расширение по меньшей мере 0,015 дюйма является обычным явлением в аэрокосмических спецификациях. Некоторые крепежные элементы могут также требовать испытания на ударную молотку для имитации воздействия, вызванного установкой.

Torque-Tension и Preload Scatter

Испытание на крутящий момент в криогенной установке (например, с использованием шайбы с нагрузкой Kistler внутри охлажденного крепления LN2) определяет номинальный крутящий момент, необходимый для достижения целевой предварительной нагрузки. Распределение должно быть в пределах ± 15% для обеспечения последовательного зажима. Коэффициент трения под головкой и в нитях регистрируется для использования в моделях конечных элементов.

Термальный велосипед

Собранные образцы суставов циклически перемещаются между комнатной температурой и криогенной температурой (например, 20 °C → −196 °C → 20 °C) в течение 10-50 циклов. Нагрузка зажима контролируется после каждого цикла. Деградация более 10% указывает на слабость конструкции. Этот тест выявляет сбои из-за дифференциального сокращения, выхода нити или ползучести.

Утечка-плотность в вакуумной службе

Для крепежа, который проникает через вакуумную границу, проверка утечки гелия (ASTM E493) после криогенного цикла должна показывать скорость утечки ниже 1 × 10−9 мбар·л/с. Отверстия крепежа должны быть запечатаны медной прокладкой с покрытием PTFE или металло-металлическим уплотнением.

Приложения и отраслевые стандарты

Криогенные крепежи встречаются в трех основных секторах: энергетике, аэрокосмической промышленности и научных приборах.

Сжиженный природный газ

На заводах СПГ (где −165 °C типично), крепежные элементы должны соответствовать ISO 21028-1 для криогенных клапанов и с EN 13445-3 для соединений сосудов под давлением. Болты для крепления резервуаров СПГ часто представляют собой холоднокатаный AISI 304 или 316L, дополненный сплавом на основе никеля для внутреннего резервуара. Использование ASME SB-637 (Inconel 718) является общим для критического болтения сопла.

Ракетные двигатели

В ракетных двигателях, работающих на жидком водороде (−253 °C) и жидком кислороде (−183 °C), крепежные элементы должны выдерживать как экстремальные холодные, так и быстрые термические переходные процессы. Nasa-STD-6001 и руководства AIAA указывают материалы (например, Inconel 718, A-286, Ti-6Al-4V) и запрещают покрытия на основе цинка, которые могут быть хрупкими. В основном двигателе Space Shuttle использовалось более 12 000 криогенных крепежных элементов, каждый из которых требует индивидуального испытания на проверку нагрузки.

сверхпроводящие магниты

В МРТ-сканерах и магнитах ускорителей частиц (ITER) структура охлаждается до 4 К жидким гелием. Застежки здесь должны быть немагнитными (отклоняющими любые ферритные элементы) и не должны выталкиваться в вакуумный криостат. AISI 316LN (который имеет контролируемое содержание азота) является стандартным выбором. Болты для ITER закупаются в соответствии с рекомендациями RCC-MRX или ASME N-3-13 , требующими полной прослеживаемости и криогенного растяжения и жесткости разрушения.

Космические приборы и криостаты

Для космических криогенных телескопов (например, Космический телескоп Джеймса Уэбба) крепежные элементы изготавливаются из титановых сплавов и Инвара, часто с золотым покрытием для уменьшения радиационного теплопередачи. Стандарт ECSS-E-ST-33-01C для космических механизмов включает в себя крутящие поля, характерные для криогенных болтовых соединений.

Вывод: лучшие практики для разработки криогенных застежек

Разработка надежных крепежных элементов для криогенных применений требует системного подхода.

  • Выберите материалы с кристаллической структурой fcc — аустенитные нержавеющие стали, алюминиевые сплавы, суперсплавы на основе никеля, титановые сплавы и бериллиевая медь. Избегайте ферритных сталей.
  • Модель термического сокращения — учитывает дифференциальное сокращение между болтом и суставом с использованием шайб Belleville, прогнозируемую потерю предварительной нагрузки и тщательную очистку посадок.
  • Дизайн для снижения концентрации стресса — используйте нити UNJ/MJ, щедрые радиусы филе и контролируемую длину резьбы, чтобы избежать полоски нити.
  • Используют смазочные материалы с сухой пленкой или металлические покрытия — MoS2 или серебряные покрытия для предотвращения закаливания и обеспечения предсказуемых отношений крутящего момента.
  • Проверка криогенным тестированием — испытания на растяжение, удар, крутящий момент и тепловой цикл в соответствии со стандартами ASTM и ISO.
  • Соответствует отраслевым стандартам — ISO 21028 для СПГ, NASA-STD-6001 для аэрокосмической промышленности и секции кода ASME для сосудов под давлением.

Применяя эти принципы, инженеры могут определить крепежные элементы, которые работают безопасно и многократно в самых сложных криогенных средах.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к ASTM E1450 - Стандартный метод испытания на растяжение металлических материалов при низких температурах , NASA-STD-6001 - Спецификация закупок застежек и ISO 21028-1 - Криогенные сосуды - застежки .