Термическое расширение аустенитной нержавеющей стали: расчетные допуски для высоко-трубопроводов

Введение

Любой материал расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении.Аустенитная нержавеющая стальне является исключением, - и в высоко-трубопроводных системах это, казалось бы, незначительное изменение размеров может привести к возникновению сил, достаточно больших, чтобы разорвать сосуды, сместить насосы, застегнуть опоры и аннулировать гарантию. В одном задокументированном инциденте на нефтеперерабатывающем заводе участок трубы 316L диаметром 12-дюймов, работавший под углом 260 градусов, сместил свои анкеры на 47 мм за три года циклической работы, что в конечном итоге привело к усталостной трещине в сварном соединении ответвления. Стоимость ремонта превысила 280 долларов США000 - для компенсатора стоимостью 15 долларов США, который был разработан на основе исходной конструкции.

Этот блог предоставляет инженерам и специалистам по спецификации полное практическое руководство по тепловому расширению труб из аустенитной нержавеющей стали: от значений среднего коэффициента теплового расширения (КТР) для каждой распространенной марки, расчетов диапазона напряжений смещения по стандарту ASME B31.3 до выбора компенсаторов, холодной пружины и размещения опор - с рабочими примерами.

Что такое тепловое расширение и почему особенно страдают аустенитные нержавеющие стали?

Аустенитные нержавеющие стали (кристаллическая структура FCC) при нагревании до той же температуры расширяются примерно на 50 % больше, чем углеродистая сталь, и на 30 - 40 % больше, чем дуплексные нержавеющие стали. Для 10-метрового участка трубы 316L при температуре 300 градусов выше температуры окружающей среды это соответствует продольному росту примерно 54 мм – достаточно, чтобы разрушить жестко закрепленную систему.

Тепловое расширение — это увеличение объема (и, следовательно, длины) материала при повышении его температуры. Для трубы соответствующим размером является линейное расширение вдоль оси трубы. Основное уравнение:

ΔL = × L × ΔT

Почему аустенитные нержавеющие стали особенно сложны

Кристаллическая структура FCC (гранецентрированная кубическая) аустенитных нержавеющих сталей имеет коэффициент теплового расширения примерно на 50 % выше, чем у ферритных сталей (углеродистой стали, 11,0×10⁻⁶/градус) и примерно на 30–40 % выше, чем у дуплексных нержавеющих сталей (13,0×10⁻⁶/градус). На практике это означает: труба из 316L, проложенная под углом 260 градусов, вырастет примерно в 1,65 раза больше, чем такая же труба из углеродистой стали.

• Аустенитная нержавеющая сталь (304/304L/316/316L/321/347): ≈ 16,0–20,0 ×10⁻⁶/градус
• Дуплексная нержавеющая сталь (2205/2507): ≈ 12,0–14,0 ×10⁻⁶/градус (ниже на 30–40 %).
• Углеродистая сталь: ≈ 10,8–12,0 ×10⁻⁶/градус (на 50 % ниже)
• Сплавы 800H/625: ≈ 13,5–15,5 ×10⁻⁶/градус (по сравнению с дуплексом)

Практический вывод: при каждом проектном расчете трубы из аустенитной нержавеющей стали следует рассматривать как материал с более высоким-расширением, чем из углеродистой стали. Не применяйте размеры компенсационной петли из углеродистой стали к участкам труб из аустенитной нержавеющей стали.

Аустенитное и ферритное расширение

Для участка трубы длиной 10-метров, нагретого от 20 до 300 градусов (установка для работы): 316L вырастает на 53,7 мм по сравнению с углеродистой сталью на 33,6 мм (на 16 мм больше). Для 50-метрового пробега перепад составляет 80 мм — этого достаточно, чтобы превысить пределы хода компенсатора или перегрузить анкерные нагрузки, если это не предусмотрено проектом.

Примечание. Рост пропорционален квадрату длины пробега только в том смысле, что более длинные пробеги приводят к большему расширению. Расценка за -метр ( × ΔT) постоянна. Ключевое проектное решение заключается не в том, следует ли учитывать расширение -, а в том, КАК.

Средний коэффициент теплового расширения (КТР) аустенитных нержавеющих сталей

Используйте СРЕДНЕЕ КТР (не мгновенное КТР) для расчета напряжений в трубах в соответствии с ASME B31.3. Средний КТР — это среднее расширение на единицу длины на градус в диапазоне температур от установки до рабочего состояния -, которое точно соответствует значению, необходимому для расчета ΔL.

В технике используются два определения CTE:

Мгновенный КТР ( ₑ): скорость расширения при определенной температуре (меняется в зависимости от температуры; выше при высокой температуре)

Средний КТР (ₘ): средняя скорость расширения от эталонной температуры (например, 20 градусов) до рабочей температуры - правильное значение для проектных расчетов.

Для работ по напряжению трубы в соответствии с ASME B31.3 всегда используйте среднее значение КТР от базовой температуры материала (обычно 20 или 0 градусов) до расчетной температуры. Значения в таблицах ниже представляют собой средние значения КТР от 20 градусов до указанной температуры.

Средний КТР для обычных аустенитных марок нержавеющей стали

Краткий справочник: расширение на 10 м пробега при обычных рабочих температурах

Ключевой вывод:316L при 300 градусах вырастает на 38,2 мм на 10 м - 38% больше, чем углеродистая сталь при той же температуре (27,7 мм). Для 50-метрового участка парового трубопровода из стали 316L при температуре 300 градусов общий рост составляет 191 мм. Это должно компенсироваться гибкостью трубопровода или компенсаторами.

ASME B31.3 Диапазон напряжения смещения

ASME B31.3 требует, чтобы диапазон напряжений смещения (Sₑ) в системе трубопроводов не превышал допустимый диапазон напряжений (Sₜ). Диапазон напряжения смещения рассчитывается как Sₑ=(i·Σ)|изгиб + (i·Σ)|кручение|. Для простого прямого участка без ограничений между двумя анкерами это упрощается до Sₑ ≈ 6×(S/E)×ΔL/D (напряжение изгиба из-за смещения). Если Sₑ меньше или равно Sₜ, система приемлема без дополнительных мер гибкости.

ASME B31.3 Process Piping — это основной норматив, регулирующий напряжение теплового расширения в трубопроводных системах нефтехимических, нефтеперерабатывающих и химических предприятий. Кодекс требует, чтобы каждая система трубопроводов была проанализирована на предмет эффектов теплового расширения. Уравнение диапазона напряжений смещения учитывает совокупное воздействие напряжений изгиба и скручивания, вызванных тепловым смещением гибких элементов (изгибов, колен, смещений).

Допустимый диапазон напряжений Sₜ - Быстрые значения для аустенитных нержавеющих сталей

Примечание. Sₜ=f(1,25S₌ + 1.25Sₕ − 0,25S₌) — это допустимый диапазон напряжения смещения согласно ASME B31.3. Для типичной нефтеперерабатывающей аустенитной нержавеющей стали при температуре 370 градусов и ниже Sₜ ≈ 310 МПа. Для 316L при температуре выше 425 градусов обратитесь к таблице 1A ASME B31.3, чтобы узнать о сниженных допустимых напряжениях при нагревании.

Рабочий пример: проверка напряжения прямой трубы (дополнительная гибкость не требуется)

Для короткой-трубы из стали 316L между двумя анкерами с коленом под углом 90 градусов на одном конце (естественная гибкость) система может-самоадаптироваться, если напряжение смещения ниже Sₜ. SIF колена, равный 0,75 (по сравнению с 1,0 для прямой трубы), обеспечивает ключевое снятие напряжений. Простой изгиб L- длиной 5 м + 3 м (с коленом под углом 90 градусов) обычно может выдержать расширение 40–50 мм, не превышая Sₜ ≈ 310 МПа.

Данный:

Конструкция компенсатора и компенсатора

Расширительные петли необходимы, когда расчетный диапазон напряжений смещения (Sₑ) превышает допустимый диапазон напряжений (Sₜ). Для труб из аустенитной нержавеющей стали петли становятся необходимыми, когда: прямой участок между анкерами превышает длину самозакрепленного-якоря (приблизительно 10–15 м для трубы NPS 4–6 при угле 260 градусов); система имеет несколько прямых участков без естественных смещений; или труба содержит мало колен или изгибов, чтобы обеспечить присущую ей гибкость. В расширительных петлях в качестве гибкого элемента используется сама труба, что делает их самым дешевым-решением при наличии свободного места.

В петлях расширения (также называемых петлями теплового расширения или U-образными петлями) сам материал трубы используется в качестве гибкой пружины для компенсации теплового расширения. Три основные конфигурации контура:

Выбор размера расширительного контура - Практические правила для аустенитной нержавеющей стали

В первом приближении: петля U- из стали 316L с длиной ветвей 4D каждая (внешний диаметр трубы D=в мм) может выдерживать расширение примерно 50 мм на метр длины ветки при Sₜ ≈ 310 МПа. Для номинального размера трубы 6 (наружный диаметр 168 мм) при угле 260 градусов (ΔL ≈ 38 мм на 10 м): используйте стойки длиной не менее 0,8–1,0 м с каждой стороны от нейтральной оси.

Примечание. Значения являются приблизительными. Окончательные размеры контура должны быть подтверждены формальным анализом напряжения трубы (CAEPIPE, START-PROFET или эквивалентным программным обеспечением). Длины ног измеряются до нейтральной оси сгиба.

Сильфонные компенсаторы - Критерии выбора

В местах с ограниченным пространством-расширяющие сильфоны предпочтительнее петель, но требуют пристального внимания к силе давления, расстоянию между направляющими и совместимости материалов. Для большинства трубопроводов из аустенитной нержавеющей стали сильфоны 316L являются стандартными; Для сред, содержащих галогениды- (Cl⁻ > 200 ppm или F⁻), требуются сильфоны из сплава 825 или Hastelloy C276, чтобы предотвратить коррозию и выход из строя сильфона.

Расстояние между направляющими для компенсационного сильфона

Неправильное расстояние между направляющими является наиболее распространенной причиной выхода из строя сильфона. В случае несбалансированного сильфона первая направляющая должна находиться в пределах 1,5 наружного диаметра трубы от конца сильфона; вторая направляющая в пределах наружного диаметра трубы 14×; последующие направляющие на расстоянии менее или равном 14 × наружному диаметру трубы. Слишком-близкое расстояние между направляющими создает нагрузки на сопла; слишком-большое расстояние между направляющими приводит к провисанию трубы и поперечной нестабильности сильфона.

Холодная весна - Снижение рабочих нагрузок и анкерных сил

Холодная пружина – это преднамеренное предварительное-сжатие трубопроводной системы во время установки путем перемещения трубы на долю ожидаемого теплового расширения в противоположном направлении перед выполнением окончательных сварных швов. Для участка трубы из 316L, длина которого при рабочей температуре увеличивается на 38 мм, холодная пружина на 50 % (19 мм) снижает анкерную нагрузку примерно на 50 %, а диапазон напряжений смещения примерно на 25–30 %. Холодная пружина особенно ценна для аустенитной нержавеющей стали, поскольку ее высокий КТР создает большие анкерные нагрузки, которые холодная пружина может значительно снизить.

Холодная пружина – это практика намеренного укорачивания участка трубы во время изготовления или установки, чтобы система запускалась из пред-напряженного состояния. Когда система нагревается до рабочей температуры, предварительное-натяжение холодной пружины частично компенсирует термическое напряжение сжатия.

Примечание. 100 % холодная пружина означает нулевую нагрузку на анкер при рабочей температуре, но создает растягивающее холодное напряжение, равное полному термическому сжатию -, потенциально превышающее Sₜ при температуре окружающей среды, если переборщить. 50 – 67 % холодной пружины является практическим максимумом в большинстве норм.

Как указать Cold Spring на чертеже ISA/ISO

Холодная пружина обозначается на изометрических чертежах трубопроводов двумя числами: измеренным установочным размером (L_cold) и теоретическим горячим размером (L_hot). Разница (L_cold < L_hot) — холодный источник. Пример: для пробега 10 000 мм в стали 316L при угле 260 градусов (ΔL=38.2 мм, холодная пружина 50 %): L_hot=10, 000 мм (теоретически); L_cold=10,000 − 19.1=9,980,9 мм. Перед сваркой производитель удлиняет трубу на 19,1 мм.

Основные правила холодной весны:

1. Всегда указывайте холодную весну на изометрическом чертеже со значениями L_cold и L_hot.
2. ASME B31.3 требует, чтобы в проектной документации была указана холодная весна (пункт . 302.3.5).
3. Холодная пружина обычно устанавливается путем измерения во время изготовления, а не путем расчета.
4. 50% холодная весна – стандартная практика; 67 % используется для трубопроводов высокого-давления или большого-диапазона.
5. Не используйте холодную пружину в системах с сильфонными компенсаторами - сильфон поглощает движение.
6. Трубы из аустенитной стали холоднопружают до 50 % без превышения текучести (Е ≈ 195 ГПа при комнатной температуре; σ=E×ε=195,000×0.0019=370 МПа, немного выше текучести) - не превышают деформации 0,3 % (0,003 мм/мм).

Аустенитная, ферритная и дуплексная нержавеющая сталь

Кристаллическая структура FCC (гранецентрированная кубическая) аустенитных нержавеющих сталей примерно на 50 % выше, чем структура BCC (кубическая-центрированная по телу) ферритных нержавеющих сталей и углеродистой стали, и примерно на 30 -40 % выше, чем смешанная дуплексная структура феррита-феррита. Это означает, что аустенитную нержавеющую сталь всегда следует рассматривать как материал с ВЫСОКИМ-расширением при проектировании трубопроводов - нельзя использовать размеры компенсационной петли из углеродистой стали непосредственно для аустенитной нержавеющей стали.

Основная причина разницы заключается в атомных связях и геометрии кристаллической решетки каждой структуры:

Практическое правило для участков трубопроводов из-смешанных материалов

Когда труба из аустенитной нержавеющей стали соединяется с трубой из углеродистой стали или сплава в одном и том же участке (например, катушка из 316L в магистрали из углеродистой стали), рассчитайте расширение отдельно для каждой секции материала и примените ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ расширение на границе раздела материалов. Интерфейс должен быть спроектирован как гибкое соединение или компенсатор, если разница превышает локальную гибкость системы.

Расстояние между опорами, анкерные нагрузки и расчет конструкции

Расстояние между опорами - Метод соотношения L/D

Для трубы из аустенитной нержавеющей стали под углом 260 градусов максимальное расстояние между опорами определяется соотношением L/D (пролет-к-диаметру) и максимально допустимым напряжением при рабочей температуре. В первом приближении: труба 316L NPS 6 Sch 40 (наружный диаметр 168 мм) под углом 260 градусов имеет максимальный пролет примерно 7–8 м для свободно опертой балки с допустимым напряжением 310 МПа. При более высоких температурах (400 градусов +) расстояние между опорами уменьшается примерно на 10–15 % за счет меньшего модуля упругости в горячем состоянии и снижения допустимых напряжений.

Примечание. Пролеты указаны приблизительно для свободно опертой балки, равномерной нагрузки и включают коэффициент нагрузки 1,15. Окончательное расстояние между опорами должно быть подтверждено анализом напряжений в трубах, особенно вблизи насосов, турбин или другого оборудования,-нагруженного соплом.

Силы анкерной реакции - Быстрая оценка

Для прямого закрепленного участка трубы 316L под углом 260 градусов без холодной пружины анкерная нагрузка составляет приблизительно F ≈ EA ΔT, где E=195 ГПа, A=площадь поперечного сечения трубы-,=17.5×10⁻⁶/градус, ΔT=240 градус. Для NPS 6 Sch 40: F ≈ 35 000 N ≈ 3,5 тонны на якорь. При 50% холодной пружине: F ≈ 1,75 тонны. Конструкция анкерной конструкции должна учитывать эту нагрузку.

Часто задаваемые вопросы

Кристаллическая структура FCC (гранецентрированная-кубическая) аустенитных нержавеющих сталей имеет более высокую амплитуду атомных тепловых колебаний, чем структура BCC (кубическая-центрированная по телу) углеродистой стали. При комнатной температуре аустенитная нержавеющая сталь имеет показатель примерно 17,3×10⁻⁶/градус по сравнению с углеродистой сталью при 11,5×10⁻⁶/градус - примерно на 50 % выше. Добавление 8-10% Ni стабилизирует структуру FCC-аустенита, делая коэффициент теплового расширения стабильно высоким для всех распространенных аустенитных марок (304L, 316L, 321, 347, 310S). Практический вывод состоит в том, что системы трубопроводов из аустенитной нержавеющей стали ДОЛЖНЫ проектироваться с более крупными компенсаторами или большим количеством компенсаторов, чем системы из углеродистой стали, для той же температуры и длины участка.

Вопрос 2. Какое значение КТР правильно использовать для анализа напряжений труб в соответствии с ASME B31.3?

Используйте СРЕДНИЙ коэффициент теплового расширения от эталонной температуры (обычно температура установки 20 градусов) до РАСЧЕТНОЙ температуры. Средний КТР — это среднее значение в этом диапазоне температур, а не мгновенный КТР при рабочей температуре. Для 316L от 20 до 260 градусов средний КТР составляет 17,5×10⁻⁶/градус. Для 316L от 20 до 400 градусов средний КТР увеличивается до 18,5×10⁻⁶/градус. В таблице C1 ASME B31.3 приведены средние значения КТР для распространенных материалов. Для 316L значение при 400 градусах составляет примерно 18,5×10⁻⁶/градус; при 600 градусах оно возрастает до 19,5×10⁻⁶/градус. В своих расчетах всегда используйте значение, соответствующее фактическому диапазону температур, а не значение номинальной или комнатной-температуры.

В3: Насколько нержавеющая сталь 316L расширяется при температуре 260 градусов (пар)?

Для нержавеющей стали 316L при температуре установки от 20 градусов до рабочей температуры 260 градусов (ΔT=240 градусов) средний КТР составляет примерно 17,5×10⁻⁶/градус. Используя формулу ΔL=×L×ΔT: ΔL=17.5×10⁻⁶×10м×240 градусов=38.2 мм на 10 м участка трубы. Для 50-метровой паровой трубы из стали 316L под углом 260 градусов общий рост составляет примерно 191 мм. Это значение, которое должно быть обеспечено гибкостью трубопровода (изгибы и петли) или компенсаторами. Эквивалентный рост для углеродистой стали при той же температуре составляет 32,2 мм на 10 м (меньше на 17,5%).

Вопрос 4. В каких случаях следует использовать компенсаторную петлю вместо сильфонного компенсатора для трубопроводов из аустенитной нержавеющей стали?

Используйте расширительную LOOP, когда: доступно место (для U-петли требуется примерно 2-кратный наружный зазор трубы в обоих направлениях); система работает при температуре ниже 400 градусов; труба имеет размер NPS 2 или больше; и давление умеренное (до класса ANSI 2500). Петли расширения — это самое дешевое-решение с самым длительным сроком службы (без движущихся частей). Используйте компенсационный СИЛЬФОННЫЙ СОЕДИНЕНИЕ, когда: пространство сильно ограничено (для сильфона требуется только осевой зазор); труба имеет размер NPS 4 или больше и работает при высоком давлении (выше класса 600, когда петли становятся непрактично большими); система имеет значительную вибрацию (сильфоны поглощают вибрацию); или участок трубы короткий и закреплен с обоих концов без естественной гибкости. Для сильфонов требуется ограничение давления и тщательное расположение направляющих (первая направляющая в пределах 1,5×наружного диаметра, вторая направляющая в пределах 14×наружного диаметра). Сильфон из аустенитной нержавеющей стали (316L для<400°C; 310S or Inconel 625 for higher temperatures) are standard.

В5: Что такое холодная весна и сколько ее следует наносить на трубу из аустенитной нержавеющей стали?

Холодная пружина – это преднамеренное предварительное-сжатие трубопроводной системы путем ее короткого растяжения во время установки. Для труб из аустенитной нержавеющей стали стандартной практикой является 50% холодная пружина: труба устанавливается на 50% короче ее теоретической горячей длины. Для участка трубы из стали 316L, длина которого при рабочей температуре увеличивается на 38 мм, холодная пружина на 50 % означает установку трубы на 19 мм меньше ее теоретического холодного размера. Холодная пружина снижает анкерные нагрузки примерно на 50%, а диапазон напряжений смещения примерно на 25-30%. Максимальная практическая холодная пружина составляет 67% (сверх этого холодовое напряжение в трубе при монтаже приближается к пределу текучести). Холодная пружина должна быть отмечена на изометрическом чертеже трубопровода как с холодным (изготовление/установка), так и с горячим (теоретическим) размером.

В6: Отличается ли коэффициент теплового расширения у марок 304, 304L и 316L?

Да, но различия невелики и часто находятся в пределах допуска инженерных расчетов. Ключевые различия: 304 и 304L имеют одинаковый средний КТР (приблизительно 17,3×10⁻⁶/градус при 100 градусах, увеличиваясь до 18,7×10⁻⁶/градус при 300 градусах) - низкое содержание углерода в 304L не влияет на тепловое расширение. 316 и 316L также имеют одинаковый средний КТР. (приблизительно 16,0×10⁻⁶/градус при 100 градусах, увеличиваясь до 17,5×10⁻⁶/градус при 300 градусах) - добавление молибдена снижает КТР примерно на 8% по сравнению с 304L. 321 и 347 (стабилизированные марки) имеют значения КТР между 304L и 316L (приблизительно 16,7×10⁻⁶/градус при 100 градусах). 310S имеет самый низкий КТР среди обычных аустенитных марок (приблизительно 14,5×10⁻⁶/градус при 100 градусах). Для практических целей проектирования используйте 17,5×10⁻⁶/градус для 304/304L/321/347, 16,5×10⁻⁶/градус для 316/316L и 15,5×10⁻⁶/градус для 310S, все при рабочей температуре 260 градусов.

В7: Каков максимальный диапазон опоры для труб из аустенитной нержавеющей стали при высокой температуре?

Для трубы из аустенитной нержавеющей стали при 260 градусах (работа с паром) максимальный пролет опоры составляет примерно 7-9 м для трубы NPS 4-12 Sch 40, что определяется допустимым напряжением 310 МПа (ASME B31.3) и соотношением L/D (пролет к диаметру). Приблизительная формула: Максимальный пролет (м) ≈ 0,06 × √(D×t×(E_hot/E_RT)×(S_hot/S_RT)), где D=наружный диаметр, t=стенка, E_hot=модуль горячей деформации (приблизительно 170 ГПа при 260 градусах), S_hot=горячее допустимое напряжение (310 МПа). При 400 градусах максимальный диапазон уменьшается примерно на 10-15%, поскольку уменьшаются как модуль горячего модуля, так и допустимое напряжение в горячем состоянии. Для NPS 6 Sch 40 316L при угле 260 градусов: максимальный пролет примерно 7,5 м. При 400 градусах: примерно 6,5 м. Это приблизительные значения для свободно опертых балок; окончательные пролеты должны быть подтверждены анализом напряжений труб, особенно вблизи патрубков оборудования.

Вопрос 8: Как рассчитать анкерную нагрузку для трубы из аустенитной нержавеющей стали?

Анкерная нагрузка для полностью закрепленного участка трубы из аустенитной нержавеющей стали (без компенсаторов) составляет: F=EA ΔT, где: E=195 ГПа (модуль упругости при 20 градусах, для более точной нагрузки на горячий анкер используйте 170 ГПа при 260 градусах); A=площадь поперечного сечения- трубы (мм²);=означает КТР (17,5×10⁻⁶/градус для 316L при 260 градусах); ΔT=рабочая температура минус температура установки (240 градусов для 20–260 градусов). Пример для NPS 6 Sch 40 316L: A=3, 577 мм²; F_hot ≈ 170 000 Н/мм² × 3 577 мм² × 17,5 × 10⁻⁶/градус × 240 градусов ≈ 152 000 Н ≈ 152 кН ≈ 15,5 тонн на якорь (без холодной пружины). При 50% холодной пружине: F ≈ 76 кН ≈ 7,8 тонны. При 67% холодной пружине: F ≈ 50 кН ≈ 5,1 тонны.

Вопрос 9: Можно ли использовать трубы из аустенитной нержавеющей стали в криогенных условиях, где изменения температуры вызывают сжатие?

Да, - аустенитные нержавеющие стали являются предпочтительным материалом для криогенной эксплуатации (СПГ, жидкий азот, жидкий кислород) именно потому, что они не подвергаются пластическому-переходу в-хрупкий переход, как ферритные стали. При криогенных температурах (до -169 градусов для СПГ) аустенитная нержавеющая сталь сохраняет превосходную вязкость (V-надрез по Шарпи > 100 Дж при -196 градусах для 304L и 316L). Для криогенных трубопроводов термическое СОКРАЩЕНИЕ необходимо рассчитывать с использованием тех же средних значений КТР (но в отрицательном направлении): трубопровод из 316L при температуре -169 градусов (работа СПГ) сжимается примерно на 41 мм на 10 м от 20 градусов до -169 градусов (ΔT=-189 градусов). Это сжатие должно компенсироваться сильфонами или гибкими соединениями, а нагрузки на анкеры при рабочей температуре будут растягивающими (натягивающими анкеры), а не сжимающими.. 316L предпочтительнее для криогенной эксплуатации, чем 304L, из-за его несколько лучшей низкотемпературной-вязкости и меньшей склонности к хрупкому разрушению.

Вопрос 10: В чем разница между аустенитной нержавеющей сталью и дуплексной нержавеющей сталью с точки зрения теплового расширения?

Дуплексные нержавеющие стали (2205, 2507, S32760) имеют смешанную аустенитную-ферритную микроструктуру (приблизительно 50% аустенита + 50% феррита по объему), что дает им средний коэффициент теплового расширения примерно на 30-40% НИЖЕ, чем у аустенитных нержавеющих сталей. Для дуплекса 2205 при 260 градусах средний КТР составляет приблизительно 14,0×10⁻⁶/градус по сравнению с 316L при 17,5×10⁻⁶/градус. Это означает: участок трубы 316L под углом 260 градусов будет вырастать примерно на 25% БОЛЬШЕ, чем такой же участок трубы 2205 Duplex. В системах со смешанными-материалами (например, дуплексные трубы, соединенные с трубами из аустенитной нержавеющей стали), дифференциальный термический рост на границе раздела материалов должен рассчитываться отдельно и компенсироваться с помощью гибкого соединения или компенсатора. Дуплексные нержавеющие стали имеют предел текучести примерно в 2 раза выше, чем аустенитные нержавеющие стали (450 МПа против 170 МПа для 316L), что частично компенсирует их более низкий КТР с точки зрения напряжения в трубе, но таблицы контуров расширения аустенитной нержавеющей стали нельзя применять непосредственно к дуплексным системам.