在低溫環(huán)境下（如-80℃至-196℃），泵體與管道的連接方式需從材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝工藝、應(yīng)力補(bǔ)償四方面規(guī)避冷脆、變形及泄漏風(fēng)險(xiǎn)。以下是針對(duì)不同連接方式的低溫適配方案：

一、材料選型：規(guī)避冷脆的核心

1. 法蘭連接  

- 法蘭本體：  

 - 禁用普通碳鋼（冷脆轉(zhuǎn)變溫度約-20℃），改用奧氏體不銹鋼（304/316L）（無磁、低溫韌性好，-196℃仍保持延展性）或鎳基合金（如Inconel 625）（耐深冷腐蝕，用于LNG等超低溫場景）。  

 - 帶頸對(duì)焊法蘭（WNRF）優(yōu)于平焊法蘭（SO），焊接坡口設(shè)計(jì)可減少應(yīng)力集中。  

- 螺栓/螺母：  

 - 采用不銹鋼316L或低溫合金結(jié)構(gòu)鋼（如35CrMoA），螺紋需經(jīng)表面氮化處理（提高硬度和耐腐蝕性）。  

 - 螺栓預(yù)緊時(shí)需計(jì)算低溫下的收縮量，預(yù)留熱膨脹補(bǔ)償量（如常溫預(yù)緊力為設(shè)計(jì)值的80%，低溫運(yùn)行后補(bǔ)緊）。  

2. 螺紋連接  

- 管材與接頭：  

 - 優(yōu)先選不銹鋼卡套式接頭（如Swagelok）或VCR接頭（金屬面密封），避免普通螺紋（如NPT）的非金屬密封件低溫硬化。  

 - 螺紋材料同泵體（316L），牙型角采用60°（密封性優(yōu)于55°管螺紋），螺紋表面鍍鎳磷（厚度5-10μm，防咬死）。  

- 密封材料：  

 - 替代聚四氟乙烯（PTFE）生料帶，改用金屬纏繞墊片（不銹鋼+石墨）或波紋金屬墊片，避免低溫下非金屬墊片脆化破裂。  

3. 快裝接口（如卡箍連接）  

- 接口本體：  

 - 采用316L不銹鋼快裝卡盤，密封圈槽設(shè)計(jì)為圓弧形（減少應(yīng)力集中）。  

- 密封圈：  

 - 禁用丁腈橡膠（NBR，低溫脆化溫度-40℃），改用全氟醚橡膠（FFKM，-40℃~300℃）或金屬O型圈（如316L不銹鋼）。  

 - 金屬密封圈需配合錐面密封結(jié)構(gòu)，通過卡箍預(yù)緊產(chǎn)生塑性變形實(shí)現(xiàn)零泄漏（適用于-150℃以下超低溫）。  

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：低溫應(yīng)力補(bǔ)償

1. 法蘭連接的應(yīng)力釋放  

- 柔性連接元件：  

 - 在法蘭與管道間串聯(lián)金屬波紋管補(bǔ)償器（材質(zhì)316L，波紋層數(shù)≥3層），吸收低溫收縮位移（軸向補(bǔ)償量≥5mm，橫向≤3mm）。  

 - 對(duì)于大口徑管道（DN≥100），采用球形法蘭（允許3°偏轉(zhuǎn)），緩解管道不對(duì)中導(dǎo)致的附加應(yīng)力。  

- 隔熱設(shè)計(jì)：  

 - 法蘭外側(cè)包裹真空絕熱材料（VIP板）或聚氨酯發(fā)泡層（厚度50-100mm），減少法蘭表面溫度梯度（目標(biāo)：法蘭表面溫度＞-50℃，避免結(jié)露結(jié)冰）。  

2. 螺紋連接的防松脫設(shè)計(jì)  

- 雙螺母鎖定：  

 - 采用“主螺母+副螺母”結(jié)構(gòu)，副螺母尺寸比主螺母小1-2個(gè)規(guī)格，通過不同力矩預(yù)緊形成摩擦力防松（適用于振動(dòng)場景）。  

- 應(yīng)力分散結(jié)構(gòu)：  

 - 螺紋根部增設(shè)退刀槽（半徑≥2mm），避免直角過渡導(dǎo)致的應(yīng)力集中斷裂。  

3. 快裝接口的預(yù)緊力優(yōu)化  

- 扭矩控制：  

 - 使用定扭矩扳手按低溫工況計(jì)算預(yù)緊力（如常溫下預(yù)緊扭矩為設(shè)計(jì)值的1.2倍，低溫收縮后扭矩回落至目標(biāo)值）。  

- 彈性卡箍：  

 - 采用帶彈簧墊圈的卡箍（如304不銹鋼彈簧片），補(bǔ)償?shù)蜏叵旅芊馊Φ膹椥运p。  

三、安裝工藝：低溫環(huán)境的特殊要求  

1. 焊接工藝  

- 法蘭焊接：  

 - 采用氬弧焊（GTAW），焊絲選用ER316L，焊接前預(yù)熱至50-80℃（避免低溫裂紋），焊后進(jìn)行應(yīng)力消除退火（620℃×2h隨爐冷卻）。  

- 管道對(duì)中：  

 - 同軸度誤-差≤0.5mm（DN≤50）或≤1mm（DN＞50），避免強(qiáng)制安裝導(dǎo)致的附加應(yīng)力。  

2. 低溫預(yù)冷調(diào)試  

- 分步降溫：  

 - 首-次運(yùn)行時(shí)，以10℃/h速率降至目標(biāo)溫度，每降20℃暫停30分鐘，檢查連接部位是否有泄漏或異常變形。  

- 泄漏檢測：  

 - 采用氦質(zhì)譜檢漏（泄漏率≤1×10?? Pa·m3/s），重點(diǎn)檢測法蘭墊片邊緣、螺紋連接處和快裝密封圈溝槽。  

四、典型失效場景與解決方案

（一）

失效模式：法蘭螺栓斷裂

原因分析：碳鋼螺栓冷脆，預(yù)緊力過大

解決方案：更換316L不銹鋼螺栓，采用分步預(yù)緊工藝

（二）

失效模式：螺紋接口泄漏

原因分析：PTFE生料帶脆化，螺紋咬合磨損

解決方案：改用金屬纏繞墊片，螺紋表面鍍鎳磷

（三）

失效模式：快裝密封圈失效

原因分析：橡膠密封圈低溫硬化，卡箍預(yù)緊力不足

解決方案：更換FFKM密封圈，使用帶彈簧的彈性卡箍

（四）

失效模式：管道拉裂泵體接口

原因分析：管道熱膨脹未補(bǔ)償，應(yīng)力集中

解決方案：加裝金屬波紋管補(bǔ)償器，設(shè)計(jì)“Π”型膨脹彎管

低溫連接的核心原則

1. 材料韌性優(yōu)先：所有金屬部件需通過夏比沖擊試驗(yàn)（-100℃沖擊功≥27J），非金屬密封件需通過低溫脆化測試（如ASTM D746）。  

2. 應(yīng)力可控釋放：通過柔性元件（波紋管、金屬軟管）和膨脹結(jié)構(gòu)（彎管、球形接頭）吸收低溫收縮位移，避免剛性連接。  

3. 密封可靠性升級(jí)：超低溫（＜-100℃）場景禁用非金屬密封，優(yōu)先采用金屬面接觸密封（如VCR接頭、透鏡墊）。 

通過上述設(shè)計(jì)，可確保低溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)在-196℃液氮環(huán)境下長期穩(wěn)定運(yùn)行，泄漏率控制在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如API 682）允許范圍內(nèi)。