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      法蘭接頭密封—為什么螺栓不建議用 304 材料?

      作者:    瀏覽人數:28   日期:2021-10-21 16:04

      在法蘭接頭密封中當碳鋼或不銹鋼法蘭配用 304 材料螺栓時,在運行狀態時常會發生泄漏問題。本講 將對此作一定性的剖析。

       

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

       

      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 是美國材料標準(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。與國內材料標準(GB/T)對應的牌號是 06Cr19Ni10(304)、022Cr19Ni10(304L)、06Cr17Ni12Mo2 (316)、022Cr17Ni12Mo2(316L)。通常把這類不銹鋼統稱為 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。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 更優異。同理,因316L 的含碳量比316 低,故其抗晶腐蝕能力更優良。304、304L、316 和 316L 一類奧氏體不銹鋼的力學強度低,304的室溫屈服強度為205MPa,304L 為 170MPa;316 的室溫 屈服強度為210MPa,316L 為 200MPa。因此,用它們制作的螺栓屬于低強度級別的螺栓。

       

      表 1 含碳量,% 室溫屈服強度,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,法蘭接頭一是因內壓力作用使兩法蘭密封面分離,引起墊片應力相應減少,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,同樣使墊片應力下降,以至法蘭接頭發生泄漏失效。

       

      實際運行中,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 和劇烈循環工況的法蘭接頭,經過10000 小時運行后,螺栓載荷損失常會超過50%,并隨時間的延續和溫度 的提高而衰減下去。

       

      當法蘭和螺栓為不同一材料,尤其當法蘭為碳鋼,螺栓為不銹鋼時,因螺栓和法蘭材料的熱膨脹系數2 不同,如 50℃下不銹鋼的熱膨脹系數(16.51×10-5/℃)比碳鋼熱膨脹系數(11.12×10-5/℃)大,裝置升溫后,當法蘭的膨脹量小于螺栓的膨脹量時,在變形協調后,螺栓伸長量減小引起螺栓力的松弛,就可能 導致法蘭接頭發生泄漏。因此,高溫的設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不同,盡可能使兩者材料的熱膨脹系數相近。

       

      由(1)可見,304 和 316 一類奧氏體不銹鋼的力學強度低,304 的室溫屈服強度僅為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,要求安裝螺栓應力達到 70%的螺栓材料屈服強度,這樣就必須提高螺栓 材料的強度等級,采用高強度或中強度合金鋼螺栓材料。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力較大的半金屬和金屬墊片,304、316 這類低強度材料螺栓,因螺栓力不夠而達不到密封要求。

       

      這里需要特別關注的是在美國不銹鋼螺栓材料標準中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 是經過碳化物固溶處理,而 Cl.2 除固溶處理外,還經過 應變強化處理。雖然 B8 Cl.2 和 B8 Cl.1 在耐化學腐蝕性上沒有根本區別,但相對 B8 Cl.1,B8 Cl.2 的 力學強度獲得相當提高,如直徑為3/4”的B8 Cl.2 螺栓材料的屈服強度為550MPa,而所有直徑的 B8 Cl.1 螺栓材料的屈服強度僅為205MPa,兩者相差兩倍以上。國內螺栓材料標準中的 06Cr19Ni10(304)、06Cr17Ni12Mo2(316),與B8 Cl.1 和 B8M Cl.1 相當。[注:GB/T 150.3《壓力容器 第三部分 設計》中的螺栓材料 S30408 與 B8 Cl.2 相當;S31608 與 B8M Cl.1 相當。

       

      鑒于以上原因,GB/T 150.3 和 GB/T38343《法蘭接頭安裝技術規定》中,規定承壓設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工況,應更替為 B8 Cl.2(S30408) 和 B8M Cl.2,以避免低下的安裝螺栓力。

       

      值得注意的是當采用 304、316 這類低強度螺栓材料,甚至在安裝階段,由于沒有對扭矩進行控制,螺栓可能已超過材料屈服強度,甚至發生斷裂。自然,若耐壓試驗或開始運行就出現了泄漏,即使繼續擰緊螺栓,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使用,因螺栓已經產生了永久變形,螺栓截面尺寸變小,再安裝就容易發生擰斷。

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