NM / Тема_7

Эта сталь рекомендована для изготовления емкостей высокого давления, для хранения и транспортировки жидкого водорода.

Литейные стали. Стальные отливки сравнительно редко применяют в криогенной технике. Однако существует ряд изделий, для которых их примене- ние целесообразно. К ним относится запорно-регулирующая арматура для пе- рекачки криогенных жидкостей. Изготовление корпусов вентилей из кованых, штампованных заготовок или проката путем механической обработки и сварки связано с большими трудозатратами.

Оптимальное сочетание прочностных, пластических и вязких свойств, высоких литейных свойств и коррозионной стойкости обеспечивает сталь типа

07Х13Г28АНФЛ, содержащая, %: не более 0,07 С, 27 – 29 Мn, 12 – 14 Сr, 0,5 – 1,5 Ni, 0,1 – 0,2 V, 0,2 – 0,3 N.

7.3 Железоникелевые сплавы

Для изготовления некоторых узлов криогенных установок, размеры кото- рых не должны меняться с изменением температуры, используют высоколеги- рованные инвары – сплавы с никелем. Сплав с 36 % Ni имеет коэффициент ли- нейного расширения при температурах 50 – 100 К в 10 – 20 раз меньше, чем для никелевых и хромоникелевых сталей, а также алюминиевых сплавов.

Из инваров изготавливают жесткозакрепленные трубопроводы сложной пространственной формы, работающие при температурах до 20 К (например, трубопроводы жидкостных ракетных двигателей), некоторые элементы армату- ры, которые по условиям работы должны иметь минимальные изменения раз-

105

меров при изменении температуры. Малое значение коэффициента линейного расширения материала позволяет уменьшить напряжения в трубопроводах и предотвратить возможность их разрушения. Отпадает необходимость установ- ки сильфонных узлов для компенсации деформаций, что упрощает конструк- цию и делает ее более надежной.

Инвар имеет низкую теплопроводность, почти вдвое меньшую, чем у ау- стенитных сталей, что особенно важно при использовании его в узлах, где не- обходимо уменьшить притоки теплоты.

Прочностные свойства инвара невысоки: предел текучести составляет около 240 МПа, временное сопротивление 420 МПа. При охлаждении до 20 К σ0,2 возрастает в 3 раза, а σв – в 2 раза. Модуль упругости сплава ниже, чем для стали: при 293 К Е = 145 ГПа. По циклической прочности инвар близок к кор- розионностойкой стали 12Х18Н10Т. Хотя ударная вязкость и уменьшается с понижением температуры, однако сплав сохраняет ее высокие значения и раз- рушается вязко вплоть до 4 К.

Недостатком железоникелевых сплавов является их высокая стоимость, превышающая стоимость сталей типа 12Х18Н10Т в 5 – 10 раз.

7.4 Цветные металлы и сплавы

Алюминий и его сплавы. Способность алюминия и его сплавов сохранять пластичность вплоть до криогенных температур послужила основой для их ши- рокого использования при изготовлении низкотемпературного оборудования.

Технический алюминий широко используют для изготовления малона- груженных элементов конструкций. Из алюминия изготавливают такие детали, как насадки регенераторов, паяные теплообменники аппаратов воздухораздели- тельных установок и др.

Алюминиевые сплавы применяют для изготовления емкостей и трубо- проводов для хранения и транспортировки жидких газов: природного газа, ки- слорода, азота, водорода и гелия, а также в качестве материала для ректифика-

106

ционных колонн и трубных систем. При температурах ниже 120 К объем по- требления алюминиевых сплавов, главным образом в виде горячекатаного лис- та, составляет около 30 % от объема всего используемого металла.

Высокий коэффициент теплопроводности алюминиевых сплавов часто заставляет отказываться от применения их в деталях, которые определяют при- токи теплоты к охлаждаемым элементам. Например, горловины криостатов вы- полняют из аустенитных сталей или полимерных материалов, хотя сам внут- ренний сосуд изготовляется из алюминиевого сплава.

Алюминиевые сплавы имеют более высокий температурный коэффици- ент линейного расширения, чем аустенитные стали. Это определяет более вы- сокий уровень термических напряжений, особенно в жесткозащемленных эле- ментах конструкций при их охлаждении. Поэтому в трубопроводах для пере- качки сжиженных газов в случае отсутствия возможности применения компен- саторов деформации предпочтительно использовать сплавы на основе железа.

В технике низких температур применяют деформируемые и литейные алюминиевые сплавы.

Временное сопротивление деформируемых термообработанных алюми- ниевых сплавов может достигать 500 МПа и более при плотности менее 2,85 г/см3. Удельная прочность σв у алюминиевых сплавов имеет высокие значения и приближается к удельной прочности высокопрочных сталей.

Прочность при растяжении деформируемых алюминиевых сплавов с по- нижением температуры от 293 до 77 К увеличивается на 35 – 60 %, а предел те- кучести – на 15 – 25 %. Пластичность при снижении температуры обычно даже несколько возрастает или остается на уровне пластичности при комнатной тем- пературе.

Алюминиевые сплавы не имеют порога хладноломкости. Вязкость при ударном изгибе у них равномерно понижается с падением температуры, но по сравнению с аустенитными сталями значения ее существенно ниже. При низких температурах алюминиевые сплавы имеют вязкий излом при относительно ма- лой ударной вязкости.

107

Усталостная прочность, определенная как на гладких, так и на надрезан- ных образцах, с понижением температуры также увеличивается. Вязкость раз- рушения алюминиевых сплавов в условиях плоской деформации почти не уменьшается, а иногда даже увеличивается при криогенных температурах по сравнению с вязкостью разрушения при комнатной температуре.

Наибольшее применение в технике низких температур нашли сплавы алюминия с магнием – магналии – благодаря удачному сочетанию в них проч- ности, пластичности, свариваемости, коррозионной стойкости.

Применяемые термически неупрочняемые сплавы содержат не более 7 % Mg. Из магналиев как за рубежом, так и в СНГ предпочтение в машинострое- нии отдается сплаву АМг5.

В холодильной и криогенной технике также используют тер- моупрочняемые алюминиевые сплавы, легированные медью, магнием, марган- цем и другими элементами. Оптимальные механические свойства эти сплавы приобретают после термической обработки, состоящей из закалки в воде от температуры около 500°С и последующего естественного или искусственного старения за счет дисперсионного выделения при старении интерметаллидных фаз.

Прочность термоупрочняемых алюминиевых сплавов приближается к прочности аустенитных сталей, и поэтому во многих случаях они могли бы их заменить. Их недостатком является склонность к коррозии под напряжением. Кроме того, эти сплавы разупрочняются в зоне сварного шва.

Наряду с деформируемыми в технике низких температур применяют ли- тейные алюминиевые сплавы. Их используют главным образом для изготовле- ния деталей сложной конфигурации типа корпусов арматуры. Наибольшее рас- пространение получили сплавы, легированные 8 – 13 % Si, – силумины, обла- дающие высокими литейными свойствами.

Титан и его сплавы. Титановые сплавы относятся к числу наиболее пер- спективных материалов для техники низких температур. Титановые сплавы оп- ределенных марок обладают удовлетворительной пластичностью и вязкостью

108

вплоть до 4 К. Благодаря низкой плотности в сочетании с высокой прочностью и достаточной пластичностью применение титановых сплавов при низких тем- пературах позволяет уменьшить массу конструкций в сравнении с коррозион- ностойкими Cr – Ni сталями на 20 – 25 % и алюминиевыми сплавами – на 40 – 45 %. Поэтому титановые сплавы все чаще применяют для изготовления дета- лей и узлов, работающих при низких температурах в летательных аппаратах.

Химическая активность титана требует определенной осторожности при использовании титановых сплавов в конструкциях, где рабочей средой является газообразный или жидкий кислород.

Наиболее перспективными конструкционными материалами для исполь- зования в холодильной и криогенной технике являются сплавы со структурой α-фазы типа ВТ5-1, легированные 4 – 6 % А1, 2 – 3 % Sn, и ОТ4-1, содержащие 1,5 – 2,5 % А1 и 0,7 – 2,0 % Мn. Они хорошо свариваются и сохраняют высо- кую пластичность при низких температурах.

Сплавы с двухфазной (α + β)-структурой типа ВТЗ-1, содержащие 5,5 – 7,0 % А1, 0,8 – 2,0 % Сr, 2 – 3 % Мо, 0,2 – 0,7 % Fe, имеют более высокую прочность, но несколько меньшую пластичность. Поэтому их реже используют при криогенных температурах.

Медь и ее сплавы. Медь и ее сплавы являются материалами, одними из первых нашедшими применение в холодильном и криогенном оборудовании. Медь не имеет порога хладноломкости, и нижний температурный предел ее ис- пользования близок к абсолютному нулю.

Медь и ее сплавы имеют высокое значение температурного коэффициен- та линейного расширения. С понижением температуры до 120 К этот коэффи- циент уменьшается, но это уменьшение выражено значительно слабее, чем у коррозионностойких сталей и алюминиевых сплавов.

Технически чистая медь имеет невысокие прочностные свойства. При снижении температуры от 293 до 20 К прочность и твердость меди повышаются почти в два раза, пластичность сохраняется на том же уровне. Ударная вязкость даже увеличивается, сохраняя при 20 К столь высокие значения, что надрезан-

109

ные образцы не разбиваются копром, а протягиваются между его опорами. Ус- талостная прочность меди и ее сплавов с понижением температуры растет так же, как модуль упругости и модуль сдвига.

Технически чистую медь используют в установках разделения газов ме- тодом глубокого охлаждения для изготовления различных трубчатых конст- рукций: витых и прямотрубных теплообменников, трубчатых конденсаторов и др. Листовую медь используют для изготовления внутренних емкостей и экра- нов сосудов Дьюара, в которых хранятся и транспортируются жидкие газы, для изготовления обечаек ректификационных колонн жидкого воздуха.

Широкое применение в холодильном и криогенном машиностроении на- ходят сплавы меди – латуни марок Л63, Л68, ЛЖМц59-1-1, ЛЦ59, ЛК80-ЗЛ и бронзы марок БрАЖМцЮ-3-1,5; БрКМцЗ-1; БрБ2.

Латунь Л68 применяют для изготовления различных трубопроводов, се- ток, прокладок, работающих при температурах 520 – 20 К.

Латунь марки ЛС59-1 применяется для изготовления различных крепеж- ных изделий, работающих в интервале температур 520 – 20 К. Для более ответ ственных крепежных деталей в этом же температурном диапазоне применяют латунь марки ЛЖМц59-1-1.

Из литейной латуни ЛК80-3 изготавливается арматура, корпуса трубо- проводов и другие литые детали, работающие при температурах 520 – 20 К.

Бронза марки БрАЖМцЮ-3-1,5 применяется для изготовления втулок, шестерен, вентилей, деталей клапанной арматуры, эксплуатируемых при тем- пературах 520 – 77 К.

Наибольшую прочность имеют меднобериллиевые сплавы, временное со- противление которых в термообработанном состоянии более 1000 МПа при удовлетворительной вязкости и пластичности при низких температурах. По- этому бронза БрБ2, сочетающая высокую прочность с высокой релаксационной стойкостью, нашла применение для изготовления пружинящих элементов крио- генной арматуры; они хорошо работают вплоть до 4 К.