一、核心選型原則

1. 低溫韌性優(yōu)先：液氮溫度為 - 196℃，普通碳鋼（如 Q235）會(huì)因 “低溫脆性” 導(dǎo)致韌性急劇下降，易發(fā)生脆斷，嚴(yán)禁使用。需選擇在 - 196℃下仍保持良好沖擊韌性（沖擊功≥27J，依據(jù) GB/T 229 低溫沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)）的材料。
2. 高壓強(qiáng)度適配：高壓管道（通常指設(shè)計(jì)壓力≥10MPa）的法蘭需承受較高內(nèi)壓，材質(zhì)需具備足夠的抗拉強(qiáng)度（σb≥485MPa）和屈服強(qiáng)度（σs≥250MPa），同時(shí)需通過耐壓試驗(yàn)驗(yàn)證密封性。
3. 耐腐蝕性要求：液氮本身無腐蝕性，但可能含微量水分或雜質(zhì)（如氧氣、二氧化碳），需避免材質(zhì)因銹蝕導(dǎo)致密封失效或強(qiáng)度下降。

二、推薦材質(zhì)及適用場(chǎng)景

1. 奧氏體不銹鋼（，適用絕大多數(shù)高壓液氮場(chǎng)景）

• 典型牌號(hào)：304（06Cr19Ni10）、316（06Cr17Ni12Mo2）。
• 核心優(yōu)勢(shì)：
  • 低溫韌性優(yōu)異：-196℃下沖擊功可達(dá) 100J 以上，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求，無低溫脆性風(fēng)險(xiǎn)；
  • 耐腐蝕性強(qiáng)：含 Cr（18%-20%）、Ni（8%-12%），可抵抗液氮中微量雜質(zhì)的腐蝕，避免銹蝕導(dǎo)致的密封面損壞；
  • 強(qiáng)度適配：抗拉強(qiáng)度 520-720MPa，屈服強(qiáng)度≥205MPa，可滿足設(shè)計(jì)壓力≤30MPa 的高壓場(chǎng)景（需通過鍛造工藝強(qiáng)化）。
• 細(xì)分選擇：
  • 304 不銹鋼：性價(jià)比高，適用于干燥、無腐蝕性雜質(zhì)的液氮系統(tǒng)（如實(shí)驗(yàn)室、低溫儲(chǔ)罐連接管道）；
  • 316 不銹鋼：因含 Mo（2%-3%），耐點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕能力更強(qiáng)，適用于潮濕環(huán)境或液氮中可能含微量氯離子的場(chǎng)景（如化工、海洋工程），成本比 304 高 20%-30%。

2. 9% 鎳鋼（超高壓 / 極端低溫場(chǎng)景備選）

• 典型牌號(hào)：09MnNiDR（低溫壓力容器鋼）、SA-353（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）。
• 核心優(yōu)勢(shì)：
  • 超高壓適配：抗拉強(qiáng)度 570-740MPa，屈服強(qiáng)度≥390MPa，可承受設(shè)計(jì)壓力≥30MPa 的超高壓系統(tǒng)（如大型液氮儲(chǔ)槽外輸管道）；
  • 極端低溫韌性：-196℃下沖擊功≥47J，低溫性能優(yōu)于部分不銹鋼，且焊接性能穩(wěn)定（需匹配專用低溫焊條，如 W707Ni）。
• 局限性：
  • 耐腐蝕性弱于不銹鋼（需表面防腐處理，如鍍鋅或涂覆低溫防腐漆）；
  • 成本高（約為 304 不銹鋼的 1.5-2 倍），加工難度大（需控制焊接熱輸入，避免脆化），僅在超高壓（≥30MPa）或不銹鋼強(qiáng)度不足時(shí)選用。

3. 其他禁用或不推薦材質(zhì)

• 普通碳鋼（Q235、20# 鋼）：-196℃下沖擊功接近 0，脆斷風(fēng)險(xiǎn)極高，嚴(yán)禁使用；
• 低合金結(jié)構(gòu)鋼（如 16Mn）：-40℃以下韌性顯著下降，-196℃下完全脆化，不適用；
• 銅或銅合金：低溫下強(qiáng)度不足（抗拉強(qiáng)度≤300MPa），且高壓下密封面易變形，僅適用于低壓（≤1MPa）場(chǎng)景，排除高壓管道。

三、法蘭制造工藝要求

• 鑄造法蘭可能存在氣孔、砂眼等缺陷，在高壓低溫下易成為泄漏或脆斷的隱患；
• 鍛造法蘭通過鍛壓消除內(nèi)部缺陷，晶粒更致密，強(qiáng)度比鑄造高 20%-30%，且沖擊韌性更穩(wěn)定。

四、標(biāo)準(zhǔn)與合規(guī)性

• 國(guó)內(nèi)場(chǎng)景需符合《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》（GB/T 20801），明確規(guī)定 “低溫管道（設(shè)計(jì)溫度≤-20℃）的法蘭材料需進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)”；
• 國(guó)際場(chǎng)景需符合 ASME B31.3，要求奧氏體不銹鋼法蘭在 - 196℃下沖擊功≥20J（V 型缺口），9% 鎳鋼需≥34J。

總結(jié)推薦

• 常規(guī)高壓（10-30MPa）：優(yōu)先選擇鍛造 304 不銹鋼法蘭（經(jīng)濟(jì)適用）或鍛造 316 不銹鋼法蘭（耐腐蝕需求）；
• 超高壓（≥30MPa）：選用鍛造 9% 鎳鋼法蘭（需配合防腐處理和專用焊接工藝）。