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为什么法兰接头不宜用 304 材料的螺栓

在法兰接头密封中,当碳钢或不锈钢法兰配用 304 材料螺栓时,在运行状态时常会发生泄漏问题。今天, 就给大家讲解一下法兰垫片组合密封,为什么螺栓不建议用304材料。

304、304L、316 和 316L 材料有什么基本区别?

304、304L、316 和 316L 是法兰接头(包括法兰、密封元件和紧固件)中通常选用的不锈钢种材料。

简言之,能抵抗大气腐蚀的钢叫不锈钢,而能抵抗化学介质腐蚀的钢叫耐酸钢。通常使用的不锈钢类型为304、304L、316、316L,是美国材料标准(ANSI 或 ASTM)的不锈钢种代号,隶属于奥氏体不锈钢的 300 系列一类钢。与国内材料标准(GB/T)对应的牌号是 06Cr19Ni10(304)、022Cr19Ni10(304L)、06Cr17Ni12Mo2 (316)、022Cr17Ni12Mo2(316L)。通常把这类不锈钢统称为 18—8不锈钢。

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304、304L、316 和 316L 由于加入合金元素和加入量的不同,其理化和机械性能也是不同的, 与普通不锈钢相比,它们具有良好的耐蚀性、耐热性和加工性能。304L 的耐蚀性与 304 相似,但因 304L 的含碳量比304低,故其抗晶间腐蚀能力更强。316、316L 是含钼不锈钢,因添加钼元素,故其耐蚀性和 耐热性比304、304L 更优异。同理,因316L 的含碳量比316 低,故其抗晶腐蚀能力更优良。304、304L、316 和 316L 一类奥氏体不锈钢的力学强度低,304的室温屈服强度为205MPa,304L 为 170MPa;316 的室温 屈服强度为210MPa,316L 为 200MPa。因此,用它们制作的螺栓属于低强度级别的螺栓。

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304不锈钢

304不锈钢是普遍且应用广泛的钢种,具有良好的耐腐蚀性、耐热性,低温强度和机械特性;加工性能好,韧性高。广泛地用于制作要求良好综合性能(耐腐蚀和成型性)的设备和机件。在大气中耐腐蚀,如果是工业性气氛或重污染地区,则需要及时清洁以避免腐蚀。304不锈钢为国家认可的食品级不锈钢。

304不锈钢

316不锈钢

316与304在化学成分上的最主要区别就是316含Mo,而且一般公认,316的耐腐蚀性更好些,比304在高温环境下更耐腐蚀。可在苛酷的高温条件下使用;加工硬化性好(加工后弱或无磁性);固溶状态无磁性;良好的焊接性能。使用范围广,比如化学、染料、造纸、草酸、肥料等生产设备,食品工业、沿海地区设施等。

316 不锈钢

牌号中的“L"

我们都知道不锈钢包含了多种元素,而碳化物含量比一般含量减少的金属,会在牌号后面加上一个“L”来表示——比如316L、304L。

为什么要减少碳化物呢?主要是为了防止“晶间腐蚀”。晶间腐蚀指的是金属在高温焊接的过程中,析出碳化物。晶间腐蚀破坏晶粒间的结合,大大降低金属的机械强度。而且金属表面往往仍是完好的,但不能经受敲击,所以是一种很危险的腐蚀。

304L不锈钢

作为低碳的304钢,在一般状态下,其耐腐蚀性与304钢相似,但在焊接后或者消除应力后,其抗晶间腐蚀能力优秀;在未进行热处理的情况下,也能保持良好的耐蚀性,可在-196℃~800℃下使用。

304L

316L不锈钢

作为316钢种的低碳系列,除与316钢有相同的特性外,它的抗晶间腐蚀性好。它可应用于抗晶间腐蚀性要求高的产品以及化学、煤炭、石油产业的野外露天机器,化工厂等领域。较高的晶间腐蚀敏感性并不意味着非低碳材料就更容易腐蚀。在高氯环境中,这种敏感性也越高。316L的Mo含量使得该钢种拥有很好的抗点蚀能力,可以安全的应用于含Cl-等卤素离子环境。

316L

为什么法兰接头不应采用 304 和 316 等一类材料的螺栓?

如前所述,法兰接头一是因内压力作用使两法兰密封面分离,引起垫片应力相应减少,二是因 高温下垫片蠕变松弛或螺栓本身蠕变引起螺栓力松弛,同样使垫片应力下降,以至法兰接头发生泄漏失效。

实际运行中,螺栓力松弛是不可避免的,初始拧紧的螺栓力总会随时间而有所跌落。特别是处于高温 和剧烈循环工况的法兰接头,经过10000 小时运行后,螺栓载荷损失常会超过50%,并随时间的延续和温度 的提高而衰减下去。

当法兰和螺栓为不同一材料,尤其当法兰为碳钢,螺栓为不锈钢时,因螺栓和法兰材料的热膨胀系数2 不同,如 50℃下不锈钢的热膨胀系数(16.51×10-5/℃)比碳钢热膨胀系数(11.12×10-5/℃)大,装置升温后,当法兰的膨胀量小于螺栓的膨胀量时,在变形协调后,螺栓伸长量减小引起螺栓力的松弛,就可能 导致法兰接头发生泄漏。因此,高温的设备法兰和管法兰接头时,特别是法兰和螺栓材料的热膨胀系数不同,尽可能使两者材料的热膨胀系数相近。

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304 和 316 一类奥氏体不锈钢的力学强度低,304 的室温屈服强度仅为205MPa,316 也只有210MPa。因此,为了提高螺栓抗松弛和抗疲劳的能力,采取提高安装螺栓力的措施,如在后续的讲坛中 将会讲到采用最大安装螺栓力时,要求安装螺栓应力达到 70%的螺栓材料屈服强度,这样就必须提高螺栓 材料的强度等级,采用高强度或中强度合金钢螺栓材料。显易而见,除铸铁、非金属法兰或橡胶垫片外,对于压力等级较高法兰或垫片应力较大的半金属和金属垫片,304、316 这类低强度材料螺栓,因螺栓力不够而达不到密封要求。

这里需要特别关注的是,在美国不锈钢螺栓材料标准中304和316分别有两个类别,即304的B8 Cl.1和B8 Cl.2 以及 316 的 B8M Cl.1 和 B8M Cl.2。Cl.1 是经过碳化物固溶处理,而 Cl.2 除固溶处理外,还经过 应变强化处理。虽然 B8 Cl.2 和 B8 Cl.1 在耐化学腐蚀性上没有根本区别,但相对 B8 Cl.1,B8 Cl.2 的 力学强度获得相当提高,如直径为3/4”的B8 Cl.2 螺栓材料的屈服强度为550MPa,而所有直径的 B8 Cl.1 螺栓材料的屈服强度仅为205MPa,两者相差两倍以上。国内螺栓材料标准中的 06Cr19Ni10(304)、06Cr17Ni12Mo2(316),与B8 Cl.1 和 B8M Cl.1 相当。[注:GB/T 150.3《压力容器 第三部分 设计》中的螺栓材料 S30408 与 B8 Cl.2 相当;S31608 与 B8M Cl.1 相当。

鉴于以上原因,GB/T 150.3 和 GB/T38343《法兰接头安装技术规定》中,规定承压设备法兰和管法兰接头不推荐使用通常的 304(B8 Cl.1)和 316(B8M Cl.1)材料的螺栓,尤其在高温和剧烈循环工况,应更替为 B8 Cl.2(S30408) 和 B8M Cl.2,以避免低下的安装螺栓力。

值得注意的是当采用 304、316 这类低强度螺栓材料,甚至在安装阶段,由于没有对扭矩进行控制,螺栓可能已超过材料屈服强度,甚至发生断裂。自然,若耐压试验或开始运行就出现了泄漏,即使继续拧紧螺栓,螺栓力也上不去,不能阻止泄漏。此外,这些螺栓拆卸后不能重复使用,因螺栓已经产生了永久变形,螺栓截面尺寸变小,再安装就容易发生拧断。


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