گسکت فولادی شرایط کرایوژنیک در محفظه ها و مخازن تحت فشار و لوله های انتقال سیال با فشار بالا و دمای پایین در صنایع مختلف مثل نفت، گاز و پتروشیمی که دستگاه های سرمازا و یا سیال های بسیار سرد مانند پروپان، مورد استفاده قرار میگیرند.
- 42- درجه سانتی گراد: پروپان مایع liquid propane (صنعت، انرژی)
- 78- درجه سانتی گراد: دی اکسید کربن جامد solid carbon dioxide (کشاورزی، صنعت)
- 162- درجه سانتیگراد: متان مایع liquid methane (انرژی)
- 183- درجه سانتی گراد: اکسیژن مایع liquid oxygen (صنعت، مرتبط با سلامتی)
- 196- درجه سانتی گراد: نیتروژن مایع liquid nitrogen (صنعت)
- 253- درجه سانتی گراد: هیدروژن مایع liquid hydrogen (صنعت، انرژی)
- 270- درجه سانتی گراد: هلیوم مایع liquid helium (صنعت)
گسکت با متریال فولاد مورد استفاده در دماهای پایین:
فولادهای معمولی ساختمانی، فولادهای زنگ نزن فریتی یا مارتنزیتی (سری 400)، همچنین آهن، کروم و تنگستن، حتی در دماهای نسبتاً پایین شکننده می شوند. از سوی دیگر فلزاتی مانند مس، نقره، طلا، آلومینیوم و نیکل حتی در دماهای بسیار پایین نیز انعطاف پذیر می مانند.
فولاد دمای زیرصفر به فولاد کم کربنی گفته میشود که چقرمگی و شکل پذیری خود را در دماهای پایین حفظ میکند. نکته قابل توجه در دماهای زیر صفر، رسیدن به دمای تبدیل نرمی به تردی است که در بسیاری از آلیاژها رایج بوده و عملاً استفاده از آن ها را در دماهای پایین محدود میکند. اما در آلیاژهای طراحی شده برای دماهای زیرصفر معمولا با افزودن عنصر نیکل و از طرفی محدود کردن عناصر کاربیدزا که موجب تردی میگردند، ساختار بهینه سازی میگردد.
این فولادها نیز دارای دو دسته کربن استیل (Carbon Steel) و کربن استیل کم دما (Low Temperature Carbon Steel) میباشند. آلیاژ کربن استیل با توجه به میزان درصد کربن به دسته های متفاوتی تقسیم بندی میشوند.
Low Carbon Steel : C < 0.15
Mild Steel : 0.16 < C < 0.3
Medium Carbon Steel : 0.31 < C < 0.6
High Carbon Steel : 0.61 < C < 1
Ultra High Carbon Steel : C > 1.01
هرچقدر میزان درصد عنصر کربن در فولاد بیشتر شود، میزان استحکام، قدرت – سختی و شکنندگی فولاد بالاتر میرود.
– هرچقدر میزان درصد عنصر کربن در فولاد کمتر شود باعث افزایش قابلیت های جوش پذیری و شکل پذیری میشود.
فولادهای دمای زیر صفر را با توجه به ترکیب شیمیایی می توان در سه گروه:
تقسیم بندی کرد. فولاد کم آلیاژ به فولادی گفته می شود که مجموع عناصر آلیاژی آن کمتر از 5 درصد و فولاد پرآلیاژ به فولادی گفته می شود که مجموع عناصر آلیاژی آن بیشتر از 5 درصد است.
مواد مناسب تا 45- درجه سانتیگراد:
تقریباً همه آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای مس و نیکل و برخی آلیاژهای تیتانیوم، میتوانند در این دماها استفاده شوند. کربن استیل ها و سافت آیرون (SOFT IRON) مناسب برای استفاده در دما تا 30- درجه سانتیگراد میباشند.
- کربن استیل با کربن کم تا متوسط (0.20 تا 0.30٪)، پر منگنز (0.70 تا 1.60٪)، سیلیکون (0.15 تا 0.60٪) هستند که دارای ساختار دانه ریز با پراکندگی کاربید یکنواخت هستند.
مواد مناسب تا 75- درجه سانتیگراد:
برخی از فولادها را میتوان در این دماها استفاده کرد، مانند فولادهای کم آلیاژ، خاموش شده و متعادل شده (quenched and tempered steels) یا فولادهای نیکل دار فریتی. اکثر فولادهای مارتنزیتی کم کربن (0.20-0.35%) میتوانند با قابلیت اطمینان کافی استفاده شوند. بسیاری از این آلیاژها حاوی منگنز، نیکل، کروم، مولیبدن و وانادیم و مقداری زیرکونیوم و بور هستند.
مواد مناسب تا 100- درجه سانتیگراد:
فولادهای کم کربن و 3.5٪ نیکل اغلب در مخازن ذخیره گاز مایع در دمای تا 100- درجه سانتیگراد استفاده می شوند. بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم، نیکل و تیتانیوم نیز برای این دماها مناسب هستند. آلومینیوم 7076-T6 را می توان تا دمای 128- درجه سانتیگراد نیز مورد استفاده قرار داد.
مواد مناسب تا 196- درجه سانتیگراد:
فولادهای زنگ نزن آستنیتی سری 300 همگی برای کار در این محدوده دما مناسب هستند. فولادهای ماریجینگ با میزان نیکل بین 20 تا 25 درصد و افزودن کبالت، مولیبدن، تیتانیوم، آلومینیوم و نیوبیم نیز مناسب برای این دما هستند.
بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم و تیتانیوم دارای مقاومت در برابر شکست عالی در 196- درجه سانتیگراد هستند.
مواد مناسب زیر 196- درجه سانتیگراد:
در بین فولادها فقط فولادهای زنگ نزن آستنیتی با آلیاژ بالا برای این دماها مناسب هستند، مانند 304 و 310. در صورت نیاز به جوش، استفاده از انواع کم کربن توصیه می شود. این آلیاژها معمولاً بین 18 تا 21 درصد کروم و بین 9 تا 14 درصد نیکل دارند.
برخی آلیاژهای آلومینیوم، تیتانیوم و آلیاژهای مس مناسب برای این دماها میباشند. از سوی دیگر، آلیاژهای منیزیم تمایل به شکننده شدن دارند، اما میتوانند در برنامههای کاربردی تحت تنش کم با طراحی دقیق مورد استفاده قرار گیرند.
دما منفی (درجه سانتی گراد) | آلیاژ توصیه شده |
33- | کربن استیل |
196- | ورق استیل آستنیتی |
246- | ورق استیل آستنیتی |
ورق استیل آستنیتی، آلیاژهای آلومینیوم و فولادهای نیکل دار (و در مواردی تعدادی از آلیاژهای تیتانیم) تنها گروه های مناسب جهت کاربرد در شرایط حاد کرایوژنیک می باشند. از لحاظ کارایی ورق استیل برای کلیه محدودههای دمایی قابل استفاده بوده، ولی به علت قیمت بالا کاربرد آنها در همه موارد اقتصادی نیست. کاربرد آلیاژهای آلومینیوم نیز به علت مشکلات تهیه مقاطع ضخیم و عملیات ساخت آنها با محدودیت همراه میباشد. در این میان کاربرد فولادهای نیکلدار در رنج وسیعی از دما مناسب و اقتصادی است.
با کاهش دما خواص مکانیکی آلیاژها مانند سختی، تنش تسلیم، تنش کششی و مدول الاستیک (جز در موارد استثنایی مانند مس جهت دو خاصیت اخیر) افزایش چقرمگی و مقاومت به ضربه کاهش مییابد.
خواص مکانیکی تعدادی از ورق استیل آستنیتی در دماهای پایین در جدول زیر آورده شده است.
انرژی شکست N.m | ازدیاد طول % | استحکام کششی MPa | استحکام تسلیم MPa | دما | نوع آلیاژ |
47 | 50 | 827 | 289 | 0 | ورق استیل 302 |
– | 58 | 930 | 296 | 40- | |
37 | 52 | 1130 | 400 | 78- | |
13 | 43 | 1447 | 427 | 168- | |
– | 40 | 1550 | 427 | 196- | |
– | 38 | 1723 | 427 | 253- | |
51 | 60 | 792 | 261 | 0 | ورق استیل 304 |
– | 55 | 930 | 276 | 40- | |
36 | 48 | 1137 | 310 | 78- | |
29 | 42 | 1433 | 379 | 168- | |
– | 38 | 1550 | 393 | 196- | |
– | 27 | 1726 | 475 | 253- | |
– | 58 | 675 | 193 | 0 | ورق استیل 304L |
– | 55 | 792 | 207 | 40- | |
– | 50 | 951 | 241 | 78- | |
22 | 44 | 1206 | 276 | 168- | |
– | 42 | 1323 | 310 | 196- | |
26 | 41 | 1516 | 344 | 253- | |
48 | 68 | 620 | 276 | 0 | ورق استیل 316 |
– | 67 | 723 | 310 | 40- | |
36 | 65 | 827 | 393 | 78- | |
26 | 51 | 1102 | 503 | 168- | |
– | 19 | 1240 | 551 | 196- | |
– | 55 | 1585 | 641 | 253- | |
44 | 58 | 689 | 276 | 0 | ورق استیل 321 |
– | 55 | 827 | 310 | 40- | |
35 | 53 | 951 | 345 | 78- | |
30 | 47 | 1275 | 400 | 168- | |
– | 22 | 1454 | 413 | 196- | |
– | 34 | 1709 | 469 | 253- | |
40 | 60 | 689 | 276 | 0 | ورق استیل 347 |
– | 58 | 792 | 310 | 40- | |
32 | 52 | 937 | 345 | 78- | |
26 | 45 | 1240 | 344 | 168- | |
– | 19 | 1344 | 358 | 196- | |
– | – | 1585 | 448 | 253- |
استانداردها
استانداردهای DIN 17280، BS EN 10222-3، BS EN 10216-4 و BS EN 10028-4 مربوط به خواص و ویژگیهای فولادهای دمای پایین هستند. برخی از معروف ترین آن ها به ترتیب گروه بندی فوق در استاندارد آلمانی عبارت اند از:
WN 1.0451, WN 1.0452, WN 1.0453
WN 1.6228، WN 1.5637, WN 1.7219 WN 1.6212، WN 1.6217
WN 1.5682, WN 1.5680, WN 1.5662, WN 1.5663