在低温环境下（如-80℃至-196℃），泵体与管道的连接方式需从材料选型、结构设计、安装工艺、应力补偿四方面规避冷脆、变形及泄漏风险。以下是针对不同连接方式的低温适配方案：

一、材料选型：规避冷脆的核心

1. 法兰连接  

- 法兰本体：  

 - 禁用普通碳钢（冷脆转变温度约-20℃），改用奥氏体不锈钢（304/316L）（无磁、低温韧性好，-196℃仍保持延展性）或镍基合金（如Inconel 625）（耐深冷腐蚀，用于LNG等超低温场景）。  

 - 带颈对焊法兰（WNRF）优于平焊法兰（SO），焊接坡口设计可减少应力集中。  

- 螺栓/螺母：  

 - 采用不锈钢316L或低温合金结构钢（如35CrMoA），螺纹需经表面氮化处理（提高硬度和耐腐蚀性）。  

 - 螺栓预紧时需计算低温下的收缩量，预留热膨胀补偿量（如常温预紧力为设计值的80%，低温运行后补紧）。  

2. 螺纹连接  

- 管材与接头：  

 - 优先选不锈钢卡套式接头（如Swagelok）或VCR接头（金属面密封），避免普通螺纹（如NPT）的非金属密封件低温硬化。  

 - 螺纹材料同泵体（316L），牙型角采用60°（密封性优于55°管螺纹），螺纹表面镀镍磷（厚度5-10μm，防咬死）。  

- 密封材料：  

 - 替代聚四氟乙烯（PTFE）生料带，改用金属缠绕垫片（不锈钢+石墨）或波纹金属垫片，避免低温下非金属垫片脆化破裂。  

3. 快装接口（如卡箍连接）  

- 接口本体：  

 - 采用316L不锈钢快装卡盘，密封圈槽设计为圆弧形（减少应力集中）。  

- 密封圈：  

 - 禁用丁腈橡胶（NBR，低温脆化温度-40℃），改用全氟醚橡胶（FFKM，-40℃~300℃）或金属O型圈（如316L不锈钢）。  

 - 金属密封圈需配合锥面密封结构，通过卡箍预紧产生塑性变形实现零泄漏（适用于-150℃以下超低温）。  

二、结构设计：低温应力补偿

1. 法兰连接的应力释放  

- 柔性连接元件：  

 - 在法兰与管道间串联金属波纹管补偿器（材质316L，波纹层数≥3层），吸收低温收缩位移（轴向补偿量≥5mm，横向≤3mm）。  

 - 对于大口径管道（DN≥100），采用球形法兰（允许3°偏转），缓解管道不对中导致的附加应力。  

- 隔热设计：  

 - 法兰外侧包裹真空绝热材料（VIP板）或聚氨酯发泡层（厚度50-100mm），减少法兰表面温度梯度（目标：法兰表面温度＞-50℃，避免结露结冰）。  

2. 螺纹连接的防松脱设计  

- 双螺母锁定：  

 - 采用“主螺母+副螺母"结构，副螺母尺寸比主螺母小1-2个规格，通过不同力矩预紧形成摩擦力防松（适用于振动场景）。  

- 应力分散结构：  

 - 螺纹根部增设退刀槽（半径≥2mm），避免直角过渡导致的应力集中断裂。  

3. 快装接口的预紧力优化  

- 扭矩控制：  

 - 使用定扭矩扳手按低温工况计算预紧力（如常温下预紧扭矩为设计值的1.2倍，低温收缩后扭矩回落至目标值）。  

- 弹性卡箍：  

 - 采用带弹簧垫圈的卡箍（如304不锈钢弹簧片），补偿低温下密封圈的弹性衰减。  

三、安装工艺：低温环境的特殊要求  

1. 焊接工艺  

- 法兰焊接：  

 - 采用氩弧焊（GTAW），焊丝选用ER316L，焊接前预热至50-80℃（避免低温裂纹），焊后进行应力消除退火（620℃×2h随炉冷却）。  

- 管道对中：  

 - 同轴度误-差≤0.5mm（DN≤50）或≤1mm（DN＞50），避免强制安装导致的附加应力。  

2. 低温预冷调试  

- 分步降温：  

 - 首-次运行时，以10℃/h速率降至目标温度，每降20℃暂停30分钟，检查连接部位是否有泄漏或异常变形。  

- 泄漏检测：  

 - 采用氦质谱检漏（泄漏率≤1×10?? Pa·m3/s），重点检测法兰垫片边缘、螺纹连接处和快装密封圈沟槽。  

四、典型失效场景与解决方案

（一）

失效模式：法兰螺栓断裂

原因分析：碳钢螺栓冷脆，预紧力过大

解决方案：更换316L不锈钢螺栓，采用分步预紧工艺

（二）

失效模式：螺纹接口泄漏

原因分析：PTFE生料带脆化，螺纹咬合磨损

解决方案：改用金属缠绕垫片，螺纹表面镀镍磷

（三）

失效模式：快装密封圈失效

原因分析：橡胶密封圈低温硬化，卡箍预紧力不足

解决方案：更换FFKM密封圈，使用带弹簧的弹性卡箍

（四）

失效模式：管道拉裂泵体接口

原因分析：管道热膨胀未补偿，应力集中

解决方案：加装金属波纹管补偿器，设计“Π"型膨胀弯管

低温连接的核心原则

1. 材料韧性优先：所有金属部件需通过夏比冲击试验（-100℃冲击功≥27J），非金属密封件需通过低温脆化测试（如ASTM D746）。  

2. 应力可控释放：通过柔性元件（波纹管、金属软管）和膨胀结构（弯管、球形接头）吸收低温收缩位移，避免刚性连接。  

3. 密封可靠性升级：超低温（＜-100℃）场景禁用非金属密封，优先采用金属面接触密封（如VCR接头、透镜垫）。 

通过上述设计，可确保低温冷却循环系统在-196℃液氮环境下长期稳定运行，泄漏率控制在行业标准（如API 682）允许范围内。