低溫法蘭是由經過衝擊測試的材料製成，這些材料經過特別挑選，以在低於標準碳鋼適用範圍的溫度下保持延性和斷裂韌性。當溫度降至 -20°F 以下時，標準 ASTM A105 碳鋼會失去其抗衝擊性，並容易發生脆性斷裂。低溫等級對於 LNG、低溫和北極管道應用至關重要，在這些應用中必須避免因脆性斷裂而導致的失效。
什麼是低溫法蘭？
低溫法蘭是由經過衝擊測試的材料製成的法蘭，以驗證其在最低設計溫度下的斷裂韌性。標準碳鋼（ASTM A105）隨著溫度降低會發生韌性到脆性的轉變，失去吸收衝擊能量而不開裂的能力。低溫材料等級通過受控的化學成分和熱處理來配製，以在零下溫度下保持延性。這些法蘭受 ASME B16.5 管理，並在適用規範（工藝管道用 ASME B31.3）和材料標準本身中規定了額外的材料要求。
材料選項
下表總結了最常見的低溫法蘭材料及其最低使用溫度：
| 材料標準 | 等級 | 最低設計溫度 | 主要特性 | 典型應用 |
|---|---|---|---|---|
| ASTM A350 | LF2 | -50°F | 最常見的低溫碳鋼 | LNG、製冷服務 |
| ASTM A350 | LF3 | -150°F | 增強的低溫韌性 | 低溫氣體處理 |
| ASTM A182 | F304L | -425°F | 奧氏體不鏽鋼，具有優異的低溫性能 | LNG、液態氮 |
| ASTM A182 | F316L | -425°F | 低碳、耐腐蝕的低溫材料 | 腐蝕性低溫服務 |
| ASTM A182 | F51 (2205) | -50°F | 雙相鋼，低溫使用有限 | 酸性氣體、低溫海事應用 |
A350 LF2 是主力低溫碳鋼等級，在 -50°F 下能提供良好的韌性，且成本比 A105 高出不多。對於低至 -150°F 的更冷應用，含鎳量較高的 A350 LF3 能提供增強的韌性。對於低於 -150°F 的低溫應用，需要使用奧氏體不鏽鋼，如 F304L 和 F316L，因為其面心立方晶體結構在任何溫度下都能保持延性。
壓力-溫度額定值
低溫法蘭的壓力-溫度額定值遵循每個材料組的標準 ASME B16.5 表。奧氏體不鏽鋼在低溫下能極好地保持其機械性能，實際上隨著溫度降低而變得更強。碳鋼的額定值在低溫下會顯著降低，某些材料類別在特定溫度以下可能需要降級使用。每種材料的最低設計溫度由材料的衝擊測試合格溫度決定，而不是由任意限制決定。
衝擊測試要求
夏比 V 型缺口（CVN）衝擊測試是驗證低溫韌性的標準方法。ASME B31.3 和 ASME B16.5 要求所有在 -20°F 以下使用的碳鋼和低合金鋼法蘭進行衝擊測試。測試在從成品法蘭或經歷相同熱處理的代表性試樣上進行的。最小吸收能量值在材料標準中規定，並隨材料等級和最低設計溫度而變化。測試溫度必須等於或低於最低設計溫度。對於焊接結構，焊縫金屬和熱影響區也需要進行衝擊測試。
應用
低溫法蘭是 LNG 加工、儲存和運輸設施中的關鍵部件，這些設施的溫度可達 -260°F。低溫氣體分離和空氣液化廠在極低溫度下將空氣分離為氧氣、氮氣和氬氣。化工廠中的製冷和冷箱系統在低溫下運行。北極和亞北極管道設施面臨的環境溫度要求整個系統使用耐低溫材料。液氮和液氧處理系統需要在其儲存溫度下保持延性的材料。
認證與可追溯性
低溫法蘭的材料測試報告（MTR）必須包含衝擊測試結果，顯示每個測試試樣的吸收能量值。要求從鋼水到成品法蘭的完全可追溯性，每個法蘭上標有爐號以進行識別。對於關鍵的低溫服務，通常指定第三方檢驗，以提供材料性能的獨立驗證。安裝前對材料化學成分進行正極材料鑑定（PMI）測試可提供額外的質量保證。
關鍵要點是：對於任何低於 -20°F 的法蘭連接，務必指定經過衝擊測試的低溫材料。在衝擊轉變溫度以下使用標準碳鋼會產生災難性脆性斷裂的風險，必須不惜一切代價避免。
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