Τι κάνει το Extreme-Περιβάλλον να διαφέρει
Οι σωληνώσεις για θαλάμους κενού, τα κρυογονικά συστήματα και το διαστημικό-υλισμικό πτήσεων κρίνονται από πρότυπα που δεν πληρούν ποτέ οι βιομηχανικοί σωλήνες. Σε σκληρό κενό, οποιαδήποτε διαρροή είναι αστοχία του συστήματος και κάθε υλικό που εκπέμπει αέρια μολύνει το περιβάλλον. Στην κρυογονική λειτουργία, ο σωλήνας πρέπει να επιβιώσει στους -196 C χωρίς ευθραυστότητα. Στο διάστημα, το υλικό αντιμετωπίζει συγκόλληση υπό κενό μετάλλων που έρχονται σε επαφή, ζημιά από την ακτινοβολία και θερμικό κύκλο μεταξύ των άκρων. Αυτές οι απαιτήσεις καθοδηγούν την επιλογή του υλικού, τη διαδικασία συγκόλλησης και το πρόγραμμα δοκιμών και εξηγούν γιατί οι αεροδιαστημικές και οι κρυογονικές σωληνώσεις κοστίζουν πολύ περισσότερο από τους επίγειους βιομηχανικούς σωλήνες.
Επιλογή Υλικού
Τα υλικά για ακραίες-περιβαλλοντικές σωληνώσεις επιλέγονται για χαμηλή εκροή αερίων, κρυογονική σκληρότητα και αντοχή στη διάβρωση. Οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες, όπως ο 316L, είναι οι βάσεις εργασίας για την υποπίεση και την κρυογονική υπηρεσία, με εξαιρετική σκληρότητα έως -196 C και χαμηλή απαέρωση μετά τον καθαρισμό. Τα κράματα τιτανίου όπως το Ti-6Al-4V συνδυάζουν το μικρό βάρος με την υψηλή αντοχή και χρησιμοποιούνται όπου η μάζα έχει σημασία, ενώ τα κράματα με βάση το νικέλιο όπως το κράμα 718 χρησιμοποιούνται για τομές υψηλής θερμοκρασίας. Τα κράματα αλουμινίου εξυπηρετούν μέτριο κενό και κρυογονική λειτουργία με χαμηλό κόστος. Κάθε υλικό πρέπει να επαληθεύεται για εξαγωγή αερίων, συνήθως με τη δοκιμή ASTM E595, η οποία μετρά τη συνολική απώλεια μάζας και το συλλεγμένο πτητικό συμπυκνώσιμο υλικό.
Συγκόλληση και Σύνδεση
Οι συγκολλήσεις σε σωληνώσεις σε ακραίο-περιβάλλον πρέπει να είναι αυτογενείς και με πλήρη- διείσδυση, χωρίς πορώδες, επειδή η τρύπα καρφίτσας είναι διαρροή. Η συγκόλληση με τόξο βολφραμίου τροχιακού αερίου (GTAW) είναι η τυπική διαδικασία: ο φακός περιστρέφεται γύρω από τη σταθερή άρθρωση αυτόματα, δίνοντας μια επαναλαμβανόμενη συγκόλληση-ελεύθερη από ρύπους. Στην υπηρεσία κενού, η συγκόλληση γίνεται υπό ελεγχόμενη εκκένωση αδρανούς αερίου και στις δύο πλευρές και η άρθρωση έχει σχεδιαστεί για πλήρη διείσδυση και λεία ρίζα. Για διαστημικές εφαρμογές, η ρομποτική συγκόλληση και η συγκόλληση με λέιζερ ερευνώνται για συναρμολόγηση-σε τροχιά, αλλά κάθε πρακτικό σύστημα εξακολουθεί να βασίζεται σε ειδικούς συνδέσμους GTAW που κατασκευάζονται στο έδαφος. Ανόμοιοι-μεταλλικοί σύνδεσμοι, όπως οι ανοξείδωτοι με το τιτάνιο, απαιτούν ειδικούς αρμούς μετάβασης ή μηχανικές συνδέσεις, επειδή η απευθείας συγκόλληση με σύντηξη παράγει εύθραυστα διαμεταλλικά.
Εξαερίωση και Καθαριότητα
Η εξαγωγή αερίων είναι η απελευθέρωση πτητικών ενώσεων από υλικά στο κενό και ελέγχεται από την επιλογή των υλικών και με τον καθαρισμό. Ο σωλήνας καθαρίζεται από λάδια, δακτυλικά αποτυπώματα και υπολείμματα, στη συνέχεια χειρίζεται με γάντια και σφραγίζεται μέχρι την εγκατάσταση. Η δοκιμή ASTM E595 μετρά την εξάτμιση των υποψήφιων υλικών και το συγκρότημα έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε κανένα οργανικό υλικό που δεν μπορεί να αξιολογηθεί υπό κενό-εκτίθεται στην πλευρά του κενού. Για συστήματα εξαιρετικά-υψηλού-κενού, ο σωλήνας συχνά ψήνεται στο κενό και οι αρμοί γίνονται με μεταλλικά παρεμβύσματα αντί με ελαστομερή.
Δοκιμές και Διασφάλιση Ποιότητας
Οι σωληνώσεις ακραίων-περιβαλλοντικών δοκιμών πέραν του βιομηχανικού κανόνα. Ο έλεγχος διαρροής με φασματομετρία μάζας ηλίου επαληθεύει ότι οι αρμοί διατηρούνται στον απαιτούμενο ρυθμό διαρροής, συνήθως 1 x 10-9 mbar l/s ή καλύτερα για συστήματα κενού. Ο κύκλος θερμικού κενού εκθέτει το συγκρότημα στις ακραίες θερμοκρασίες λειτουργίας ενώ διατηρείται το κενό και η δοκιμή πίεσης με αδρανές αέριο ή κρυογονικό ρευστό επαληθεύει τη μηχανική ακεραιότητα. Κάθε συγκόλληση ελέγχεται και τεκμηριώνεται το πλήρες υλικό και η ιχνηλασιμότητα της συγκόλλησης. Για κρυογονική συντήρηση, το υλικό επαληθεύεται για αντοχή σε κρούση στη θερμοκρασία λειτουργίας, επειδή ορισμένοι χάλυβες γίνονται εύθραυστοι κάτω από περίπου -50 C.
Πρακτικά όρια
Οι ισχυρισμοί μηχανικής σχετικά με εξωτικές εφαρμογές θα πρέπει να διαβάζονται με βάση τα φυσικά όρια των υλικών. Κανένας συγκολλημένος χαλύβδινος σωλήνας δεν είναι χρήσιμος σε χιλιάδες μοίρες και κανένα υλικό δεν αντιστέκεται σε αόριστο βομβαρδισμό ακτινοβολίας ή μικρομετεωροειδών χωρίς θωράκιση. Ο πρακτικός δρόμος για τις σωληνώσεις ακραίων-του περιβάλλοντος είναι η χρήση δοκιμασμένων υλικών, η κατάλληλη συγκόλληση και οι ενδελεχείς δοκιμές και ο σχεδιασμός του συστήματος γύρω από το πραγματικό περιβάλλον της αποστολής ή της διαδικασίας. Οι κερδοσκοπικές έννοιες όπως η-εξόρυξη πόρων στο διάστημα παραμένουν ερευνητικά θέματα. οι σωληνώσεις που πετούν σήμερα είναι κατασκευασμένες από 316L, τιτάνιο και τις πειθαρχημένες διαδικασίες που περιγράφονται παραπάνω.
Συχνές Ερωτήσεις
Ε: Τι υλικό χρησιμοποιείται για σωληνώσεις κενού και κρυογονικής αέρος;
Ο ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας, όπως ο 316L, είναι η τυπική επιλογή για υπηρεσίες κενού και κρυογονικής αέρος έως -196 C. Τα κράματα τιτανίου χρησιμοποιούνται όπου το βάρος έχει σημασία, και τα κράματα νικελίου για τμήματα υψηλής θερμοκρασίας.
Ε: Τι είναι η εξάτμιση και πώς μετριέται;
Η εξάτμιση είναι η απελευθέρωση πτητικών ενώσεων στο κενό. Μετράται με τη δοκιμή ASTM E595, η οποία αναφέρει συνολική απώλεια μάζας και συλλεγμένο πτητικό συμπυκνώσιμο υλικό.
Ε: Πώς γίνονται οι συγκολλήσεις υπό κενό;
Με συγκόλληση τόξου βολφραμίου με τροχιακό αέριο με πλήρη διείσδυση και αδρανές-εκκένωση αερίου και στις δύο πλευρές, δίνοντας επαναλαμβανόμενες, ελεύθερες ρύπους-αρμούς. Κάθε συγκόλληση ελέγχεται για διαρροές.
Ε: Τι ποσοστό διαρροής απαιτείται για τις σωληνώσεις κενού;
Η τυπική αποδοχή είναι 1 x 10-9 mbar l/s ή καλύτερη, επαληθευμένη με δοκιμή διαρροής με φασματόμετρο μάζας ηλίου.
Ε: Μπορεί ο ανοξείδωτος χάλυβας να συγκολληθεί σε τιτάνιο;
Όχι με άμεση συγκόλληση με σύντηξη, η οποία σχηματίζει εύθραυστα διαμεταλλικά. Μεταβατικοί σύνδεσμοι ή μηχανικές συνδέσεις χρησιμοποιούνται για ανόμοιους-μεταλλικούς αρμούς.
Ε: Γιατί ο κρυογονικός σωλήνας δεν είναι κατασκευασμένος από ανθρακούχο χάλυβα;
Ο ανθρακούχος χάλυβας γίνεται εύθραυστος κάτω από περίπου -50 C. Ο ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας διατηρεί σκληρότητα έως τους -196 C, γι' αυτό χρησιμοποιείται για κρυογονική συντήρηση.
