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      為什么304和316材質螺栓不推薦用于法蘭接頭密封

      2021/8/13 16:35:21 人評論 次瀏覽 分類:調試維修  文章地址:http://www.alakris.com/tech/3923.html

      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。昌暉儀表在本文對304和316材質螺栓不推薦用于法蘭接頭密封作一定性的剖析。

      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

      螺栓材質          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。


      由第1項可見,304和316這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/T150.3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。

      304和316材質螺栓不推薦用于法蘭接頭密封的原因在本文已做詳細介紹,文章內容到此結束,歡迎您繼續關注技術文庫的其他干貨技術文章。

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