低温フランジは、標準炭素鋼の範囲を下回る温度で延性と破壊靭性を維持するように特別に選定された、衝撃試験済みの材料から製造されます。温度が-20°Fを下回ると、標準のASTM A105炭素鋼はその衝撃抵抗を失い、脆性破壊しやすくなります。低温グレードは、脆性破壊による故障を回避しなければならないLNG、極低温、および北極圏のパイプライン用途に不可欠です。
低温フランジとは？
低温フランジとは、最小設計温度での破壊靭性を検証するために衝撃試験が行われた材料から製造されたフランジです。標準炭素鋼（ASTM A105）は、温度が低下するにつれて延性から脆性への遷移を起こし、亀裂を生じずに衝撃エネルギーを吸収する能力を失います。低温材料グレードは、制御された化学成分と熱処理により、氷点下の温度でも延性を維持するように調整されています。これらのフランジはASME B16.5に準拠し、追加の材料要件は該当する規格（プロセス配管の場合はASME B31.3）および材料規格自体に規定されています。
材料オプション
以下の表は、最も一般的な低温フランジ材料とその最低使用温度をまとめたものです：
| 材料規格 | グレード | 最小設計温度 | 主な特徴 | 代表的な用途 |
|---|---|---|---|---|
| ASTM A350 | LF2 | -50°F | 最も一般的な低温炭素鋼 | LNG、冷凍サービス |
| ASTM A350 | LF3 | -150°F | 強化された低温靭性 | 極低温ガス処理 |
| ASTM A182 | F304L | -425°F | オーステナイト系ステンレス鋼、優れた極低温特性 | LNG、液体窒素 |
| ASTM A182 | F316L | -425°F | 低炭素、耐食性、極低温用 | 腐食性極低温サービス |
| ASTM A182 | F51 (2205) | -50°F | 二相ステンレス鋼、低温使用は限定 | sourガス、低温海洋環境 |
A350 LF2は、低温炭素鋼グレードの主力であり、A105に比べて適度なコスト増で-50°Fまでの優れた靭性を提供します。-150°Fまでのより低温のサービスには、ニッケル含有量が高いA350 LF3が強化された靭性を提供します。-150°F以下の極低温には、F304LやF316Lなどのオーステナイト系ステンレス鋼が必要です。これは、これらの面心立方晶構造が任意の温度で延性を維持するためです。
圧力－温度定格
低温フランジの圧力－温度定格は、各材料グループの標準的なASME B16.5テーブルに従います。オーステナイト系ステンレス鋼は極低温でもその機械的特性を非常によく保持し、実際には温度が低下するにつれて強度が増します。炭素鋼の定格は低温で大幅に低下し、一部の材料クラスは特定の温度以下でディレーティングされる場合があります。各材料の最小設計温度は、任意の制限ではなく、材料の衝撃試験認定温度によって決定されます。
衝撃試験要件
シャルピーVノッチ（CVN）衝撃試験は、低温靭性を検証するための標準的な方法です。ASME B31.3およびASME B16.5では、-20°F未満で使用されるすべての炭素鋼および低合金鋼フランジに対して衝撃試験を義務付けています。この試験は、完成フランジから採取した試験片、または同じ熱処理を受けた代表的な試験片に対して実施されます。最小吸収エネルギー値は材料規格で指定され、材料グレードと最小設計温度によって異なります。試験温度は、最小設計温度以下でなければなりません。溶接構造物については、溶接金属と熱影響部に対しても衝撃試験が必要です。
用途
低温フランジは、温度が-260°Fに達する可能性があるLNGの処理、貯蔵、輸送施設において重要なコンポーネントです。極低温ガス分離および空気液化プラントでは、極めて低い温度で空気を酸素、窒素、アルゴンに分離します。化学プラントの冷凍システムおよびコールドボックスシステムは、低温で動作します。北極圏および亜北極圏のパイプライン施設では、システム全体にわたって低温靭性材料を必要とする周囲温度に直面します。液体窒素および液体酸素の取り扱いシステムには、それらの貯蔵温度で延性を維持する材料が必要です。
認証とトレーサビリティ
低温フランジの材料試験報告書（MTR）には、各試験片の吸収エネルギー値を示す衝撃試験結果を含める必要があります。鋼の溶融から完成フランジまでの完全なトレーサビリティが必要であり、識別のために各フランジにヒートナンバーが刻印されます。重要な低温サービスでは、材料特性の独立した検証を提供するために、第三者検査が指定されることがよくあります。設置前の材料化学成分のポジティブマテリアルアイデンティフィケーション（PMI）試験は、追加の品質保証を提供します。
重要なポイントは、-20°F未満のフランジ接続には常に衝撃試験済みの低温材料を指定することです。標準炭素鋼をその衝撃遷移温度未満で使用すると、何としても回避しなければならない壊滅的な脆性破壊のリスクが生じます。
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