法兰接头密封——为什么螺栓不建议用 304 材料?

浏览数量:4     作者:工课     发布时间: 2021-09-28      来源:本站

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。本讲将对此作一定性的剖析。


一、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。


304、304L、316 和 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。


参见表 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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二、为什么法兰接头不应采用 304 和 316 等一类材料的螺栓? 


如前面几讲所述,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。


由(1)可见,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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