Tieftemperatur-Flansche werden aus schlagzäh geprüften Werkstoffen hergestellt, die speziell ausgewählt wurden, um Duktilität und Bruchzähigkeit unterhalb des Bereichs von normalem Kohlenstoffstahl aufrechtzuerhalten. Wenn die Temperaturen unter -20°F fallen, verliert normaler ASTM A105 Kohlenstoffstahl seine Schlagzähigkeit und wird anfällig für Sprödbruch. Tieftemperatur-Qualitäten sind für LNG-, Kryo- und Arktis-Pipeline-Anwendungen unerlässlich, bei denen ein Versagen durch Sprödbruch unbedingt vermieden werden muss.
Was sind Tieftemperatur-Flansche?
Tieftemperatur-Flansche sind Flansche, die aus Werkstoffen hergestellt werden, die einer Kerbschlagprüfung unterzogen wurden, um ihre Bruchzähigkeit bei der minimalen Auslegungstemperatur zu verifizieren. Normaler Kohlenstoffstahl (ASTM A105) durchläuft bei abnehmender Temperatur einen Duktil-Spröd-Übergang und verliert dabei seine Fähigkeit, Schlagenergie ohne Rissbildung aufzunehmen. Tieftemperatur-Werkstoffgüten sind mit kontrollierter Chemie und Wärmebehandlung formuliert, um die Duktilität bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt aufrechtzuerhalten. Diese Flansche unterliegen ASME B16.5 mit zusätzlichen Werkstoffanforderungen, die im anwendbaren Code (ASME B31.3 für Prozessleitungen) und der Werkstoffnorm selbst festgelegt sind.
Werkstoffoptionen
Die folgende Tabelle fasst die gebräuchlichsten Tieftemperatur-Flanschwerkstoffe und ihre minimalen Betriebstemperaturen zusammen:
| Werkstoffnorm | Qualität | Min. Auslegungstemperatur | Hauptmerkmale | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|---|
| ASTM A350 | LF2 | -50°F | Häufigster Tieftemperatur-Kohlenstoffstahl | LNG, Kälteanwendungen |
| ASTM A350 | LF3 | -150°F | Verbesserte Tieftemperaturzähigkeit | Kryogene Gasverarbeitung |
| ASTM A182 | F304L | -425°F | Austenitischer Edelstahl, hervorragende kryogene Eigenschaften | LNG, flüssiger Stickstoff |
| ASTM A182 | F316L | -425°F | Niedriggekohlter, korrosionsbeständiger Edelstahl für kryogene Anwendungen | Korrosive kryogene Anwendungen |
| ASTM A182 | F51 (2205) | -50°F | Duplex, begrenzte Tieftemperatureignung | Sauergas, Tieftemperatur-Marineeinsatz |
A350 LF2 ist der Arbeitstier-Tieftemperatur-Kohlenstoffstahl, der eine gute Zähigkeit bis -50°F zu einem moderaten Kostenaufschlag gegenüber A105 bietet. Für kältere Anwendungen bis -150°F bietet A350 LF3 mit seinem höheren Nickelgehalt eine verbesserte Zähigkeit. Für kryogene Temperaturen unter -150°F sind austenitische Edelstähle wie F304L und F316L erforderlich, da ihre kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur bei jeder Temperatur duktil bleibt.
Druck-Temperatur-Werte
Die Druck-Temperatur-Werte für Tieftemperatur-Flansche folgen den Standard-ASME-B16.5-Tabellen für jede Werkstoffgruppe. Austenitische Edelstähle behalten ihre mechanischen Eigenschaften bei kryogenen Temperaturen außergewöhnlich gut bei und werden bei abnehmender Temperatur tatsächlich fester. Die Werte für Kohlenstoffstahl nehmen bei niedrigen Temperaturen erheblich ab, und einige Werkstoffklassen können unter bestimmten Temperaturen herabgestuft werden. Die minimale Auslegungstemperatur für jeden Werkstoff wird durch die Qualifikationstemperatur des Kerbschlagversuchs bestimmt, nicht durch willkürliche Grenzen.
Anforderungen an die Kerbschlagprüfung
Die Charpy-Kerbschlagprüfung (CVN) ist die Standardmethode zur Verifizierung der Tieftemperaturzähigkeit. ASME B31.3 und ASME B16.5 verlangen die Kerbschlagprüfung für alle Kohlenstoffstahl- und niedriglegierten Stahlflansche, die unter -20°F verwendet werden. Die Prüfung wird an Proben durchgeführt, die aus dem fertigen Flansch oder aus repräsentativen Teststücken entnommen werden, die derselben Wärmebehandlung unterzogen werden. Mindestenergiewerte sind in der Werkstoffnorm festgelegt und variieren je nach Werkstoffgüte und minimaler Auslegungstemperatur. Die Prüftemperatur muss mindestens so niedrig sein wie die minimale Auslegungstemperatur. Für Schweißgut und Wärmeeinflusszonen von geschweißten Baugruppen ist ebenfalls eine Kerbschlagprüfung erforderlich.
Anwendungen
Tieftemperatur-Flansche sind kritische Komponenten in LNG-Verarbeitungs-, Lager- und Transportanlagen, in denen Temperaturen von bis zu -260°F erreicht werden können. Kryogene Gaszerlegungs- und Luftverflüssigungsanlagen zerlegen Luft bei extrem niedrigen Temperaturen in Sauerstoff, Stickstoff und Argon. Kälte- und Kaltboxsysteme in Chemieanlagen arbeiten bei niedrigen Temperaturen. Arktische und subarktische Pipeline-Anlagen erfordern aufgrund der Umgebungstemperaturen Materialien mit hoher Zähigkeit im gesamten System. Handhabungssysteme für flüssigen Stickstoff und flüssigen Sauerstoff erfordern Materialien, die bei ihren Lagertemperaturen duktil bleiben.
Zertifizierung und Rückverfolgbarkeit
Werkstoffprüfzeugnisse (MTRs) für Tieftemperatur-Flansche müssen Kerbschlagprüfergebnisse mit den aufgenommenen Energiewerten für jede Prüfprobe enthalten. Die vollständige Rückverfolgbarkeit von der Stahlschmelze bis zum fertigen Flansch ist erforderlich, wobei Schmelzennummern zur Identifizierung auf jeden Flansch gestempelt werden. Für kritische Tieftemperaturanwendungen wird häufig eine Fremdprüfung vorgeschrieben, um die unabhängige Verifizierung der Werkstoffeigenschaften zu gewährleisten. Die Prüfung der Materialchemie durch Positive Material Identification (PMI) vor der Installation bietet zusätzliche Qualitätssicherung.
Das wichtigste Fazit ist, für jede Flanschverbindung unter -20°F immer schlagzäh geprüfte Tieftemperaturwerkstoffe zu spezifizieren. Die Verwendung von normalem Kohlenstoffstahl unterhalb seiner Umwandlungstemperatur für Schlagzähigkeit birgt das Risiko eines katastrophalen Sprödbruchs, das um jeden Preis vermieden werden muss.
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