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法蘭接頭密封---為什么螺栓不建議用 304 材料?

作者:admin 發(fā)布時間:2021-07-22 10:46:08點擊:
  • 法蘭接頭密封---為什么螺栓不建議用 304 材料?

原因:在法蘭接頭密封中當(dāng)碳鋼或不銹鋼法蘭配用 304 材料螺栓時,在運(yùn)行狀態(tài)時常會發(fā)生泄漏問題。


(1) 304、304L、316 和 316L 材料有什么基本區(qū)別?

    304、304L、316 和 316L 是法蘭接頭(包括法蘭、密封元件和緊固件)中通常選用的不銹鋼種材料。


    304、304L、316 和 316L 是美國材料標(biāo)準(zhǔn)(ANSI 或 ASTM)的不銹鋼種代號,隸屬于奧氏體不銹鋼的 300 系列一類鋼。與國內(nèi)材料標(biāo)準(zhǔn)(GB/T)對應(yīng)的牌號是 06Cr19Ni10(304)、022Cr19Ni10(304L)、06Cr17Ni12Mo2 (316)、022Cr17Ni12Mo2(316L)。通常把這類不銹鋼統(tǒng)稱為 18—8不銹鋼。


    參見表 1,304、304L、316 和 316L 由于加入合金元素和加入量的不同,其理化和機(jī)械性能也是不同的, 與普通不銹鋼相比,它們具有良好的耐蝕性、耐熱性和加工性能。304L 的耐蝕性與 304 相似,但因 304L 的含碳量比304低,故其抗晶間腐蝕能力更強(qiáng)。316、316L 是含鉬不銹鋼,因添加鉬元素,故其耐蝕性和 耐熱性比304、304L 更優(yōu)異。同理,因316L 的含碳量比316 低,故其抗晶腐蝕能力更優(yōu)良。304、304L、316 和 316L 一類奧氏體不銹鋼的力學(xué)強(qiáng)度低,304的室溫屈服強(qiáng)度為205MPa,304L 為 170MPa;316 的室溫 屈服強(qiáng)度為210MPa,316L 為 200MPa。因此,用它們制作的螺栓屬于低強(qiáng)度級別的螺栓。

表 1:

材質(zhì)

含碳量 %

室溫屈服強(qiáng)度 MPa

推薦最高使用溫度 ℃

304

≤0.08

205

816

304L

≤0.03

170

538

316

≤0.08

210

816

316L

≤0.03

200

538


(2) 為什么法蘭接頭不應(yīng)采用 304 和 316 等一類材料的螺栓? 

    如前面幾講所述,法蘭接頭一是因內(nèi)壓力作用使兩法蘭密封面分離,引起墊片應(yīng)力相應(yīng)減少,二是因 高溫下墊片蠕變松弛或螺栓本身蠕變引起螺栓力松弛,同樣使墊片應(yīng)力下降,以至法蘭接頭發(fā)生泄漏失效。


    實際運(yùn)行中,螺栓力松弛是不可避免的,初始擰緊的螺栓力總會隨時間而有所跌落。特別是處于高溫 和劇烈循環(huán)工況的法蘭接頭,經(jīng)過10000 小時運(yùn)行后,螺栓載荷損失常會超過50%,并隨時間的延續(xù)和溫度 的提高而衰減下去。


    當(dāng)法蘭和螺栓為不同一材料,尤其當(dāng)法蘭為碳鋼,螺栓為不銹鋼時,因螺栓和法蘭材料的熱膨脹系數(shù)2 不同,如 50℃下不銹鋼的熱膨脹系數(shù)(16.51×10-5/℃)比碳鋼熱膨脹系數(shù)(11.12×10-5/℃)大,裝置升溫后,當(dāng)法蘭的膨脹量小于螺栓的膨脹量時,在變形協(xié)調(diào)后,螺栓伸長量減小引起螺栓力的松弛,就可能 導(dǎo)致法蘭接頭發(fā)生泄漏。因此,高溫的設(shè)備法蘭和管法蘭接頭時,特別是法蘭和螺栓材料的熱膨脹系數(shù)不同,盡可能使兩者材料的熱膨脹系數(shù)相近。


    由(1)可見,304 和 316 一類奧氏體不銹鋼的力學(xué)強(qiáng)度低,304 的室溫屈服強(qiáng)度僅為205MPa,316 也只有210MPa。因此,為了提高螺栓抗松弛和抗疲勞的能力,采取提高安裝螺栓力的措施,如在后續(xù)的講壇中 將會講到采用最大安裝螺栓力時,要求安裝螺栓應(yīng)力達(dá)到 70%的螺栓材料屈服強(qiáng)度,這樣就必須提高螺栓 材料的強(qiáng)度等級,采用高強(qiáng)度或中強(qiáng)度合金鋼螺栓材料。顯易而見,除鑄鐵、非金屬法蘭或橡膠墊片外,對于壓力等級較高法蘭或墊片應(yīng)力較大的半金屬和金屬墊片,304、316 這類低強(qiáng)度材料螺栓,因螺栓力不夠而達(dá)不到密封要求。


    這里需要特別關(guān)注的是在美國不銹鋼螺栓材料標(biāo)準(zhǔn)中304和316分別有兩個類別,即304的B8 Cl.1和B8 Cl.2 以及 316 的 B8M Cl.1 和 B8M Cl.2。Cl.1 是經(jīng)過碳化物固溶處理,而 Cl.2 除固溶處理外,還經(jīng)過 應(yīng)變強(qiáng)化處理。雖然 B8 Cl.2 和 B8 Cl.1 在耐化學(xué)腐蝕性上沒有根本區(qū)別,但相對 B8 Cl.1,B8 Cl.2 的 力學(xué)強(qiáng)度獲得相當(dāng)提高,如直徑為3/4”的B8 Cl.2 螺栓材料的屈服強(qiáng)度為550MPa,而所有直徑的 B8 Cl.1 螺栓材料的屈服強(qiáng)度僅為205MPa,兩者相差兩倍以上。國內(nèi)螺栓材料標(biāo)準(zhǔn)中的 06Cr19Ni10(304)、06Cr17Ni12Mo2(316),與B8 Cl.1 和 B8M Cl.1 相當(dāng)。[注:GB/T 150.3《壓力容器 第三部分 設(shè)計》中的螺栓材料 S30408 與 B8 Cl.2 相當(dāng);S31608 與 B8M Cl.1 相當(dāng)。


    鑒于以上原因,GB/T 150.3 和 GB/T38343《法蘭接頭安裝技術(shù)規(guī)定》中,規(guī)定承壓設(shè)備法蘭和管法蘭接頭不推薦使用通常的 304(B8 Cl.1)和 316(B8M Cl.1)材料的螺栓,尤其在高溫和劇烈循環(huán)工況,應(yīng)更替為 B8 Cl.2(S30408) 和 B8M Cl.2,以避免低下的安裝螺栓力。


    值得注意的是當(dāng)采用 304、316 這類低強(qiáng)度螺栓材料,甚至在安裝階段,由于沒有對扭矩進(jìn)行控制,螺栓可能已超過材料屈服強(qiáng)度,甚至發(fā)生斷裂。自然,若耐壓試驗或開始運(yùn)行就出現(xiàn)了泄漏,即使繼續(xù)擰緊螺栓,螺栓力也上不去,不能阻止泄漏。此外,這些螺栓拆卸后不能重復(fù)使用,因螺栓已經(jīng)產(chǎn)生了永久變形,螺栓截面尺寸變小,再安裝就容易發(fā)生擰斷。

相關(guān)標(biāo)簽: 304螺栓 接頭 法蘭
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