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    為什么法蘭接頭不宜用 304 材料的螺栓

    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。今天, 法士威就給大家講解一下法蘭墊片組合密封,為什么螺栓不建議用304材料。

    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。

    簡言之,能抵抗大氣腐蝕的鋼叫不銹鋼,而能抵抗化學介質腐蝕的鋼叫耐酸鋼。通常使用的不銹鋼類型為304、304L、316、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。

    001

    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。

    002

    304不銹鋼

    304不銹鋼是普遍且應用廣泛的鋼種,具有良好的耐腐蝕性、耐熱性,低溫強度和機械特性;加工性能好,韌性高。廣泛地用于制作要求良好綜合性能(耐腐蝕和成型性)的設備和機件。在大氣中耐腐蝕,如果是工業性氣氛或重污染地區,則需要及時清潔以避免腐蝕。304不銹鋼為國家認可的食品級不銹鋼。

    304不銹鋼

    316不銹鋼

    316與304在化學成分上的最主要區別就是316含Mo,而且一般公認,316的耐腐蝕性更好些,比304在高溫環境下更耐腐蝕??稍诳量岬母邷貤l件下使用;加工硬化性好(加工后弱或無磁性);固溶狀態無磁性;良好的焊接性能。使用范圍廣,比如化學、染料、造紙、草酸、肥料等生產設備,食品工業、沿海地區設施等。

    316 不銹鋼

    牌號中的“L"

    我們都知道不銹鋼包含了多種元素,而碳化物含量比一般含量減少的金屬,會在牌號后面加上一個“L”來表示——比如316L、304L。

    為什么要減少碳化物呢?主要是為了防止“晶間腐蝕”。晶間腐蝕指的是金屬在高溫焊接的過程中,析出碳化物。晶間腐蝕破壞晶粒間的結合,大大降低金屬的機械強度。而且金屬表面往往仍是完好的,但不能經受敲擊,所以是一種很危險的腐蝕。

    304L不銹鋼

    作為低碳的304鋼,在一般狀態下,其耐腐蝕性與304鋼相似,但在焊接后或者消除應力后,其抗晶間腐蝕能力優秀;在未進行熱處理的情況下,也能保持良好的耐蝕性,可在-196℃~800℃下使用。

    304L

    316L不銹鋼

    作為316鋼種的低碳系列,除與316鋼有相同的特性外,它的抗晶間腐蝕性好。它可應用于抗晶間腐蝕性要求高的產品以及化學、煤炭、石油產業的野外露天機器,化工廠等領域。較高的晶間腐蝕敏感性并不意味著非低碳材料就更容易腐蝕。在高氯環境中,這種敏感性也越高。316L的Mo含量使得該鋼種擁有很好的抗點蝕能力,可以安全的應用于含Cl-等鹵素離子環境。

    316L

    為什么法蘭接頭不應采用 304 和 316 等一類材料的螺栓?

    如前所述,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。

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    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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