Герметизация фланцевых соединений - Почему материал 304 не рекомендуется для болтов?
Когда фланцы из углеродистой или нержавеющей стали используются с болтами из материала 304 в уплотнении фланцевых соединений, во время работы часто возникают проблемы с утечками. В данной лекции будет проведен качественный анализ этого вопроса. (1) Каковы основные различия между материалами 304, 304L, 316 и 316L?
304, 304L, 316 и 316L - это марки нержавеющей стали, обычно используемые во фланцевых соединениях, включая фланцы, уплотнительные элементы и крепежные детали.
304, 304L, 316 и 316L — это обозначения марок нержавеющей стали Американского стандарта материалов (ANSI или ASTM), которые относятся к серии 300 аустенитных нержавеющих сталей. Марки, соответствующие отечественным стандартам на материалы (GB/T): 06Х19Н10 (304), 022Х19Н10 (304Л), 06Х17Н12Мо2 (316), 022Х17Н12Мо2 (316Л). Этот тип нержавеющей стали обычно называют нержавеющей сталью 18-8.
Смотрите таблицу 1, 304, 304L, 316 и 316L имеют различные физико-химические и механические свойства за счет добавления легирующих элементов и количеств. По сравнению с обычной нержавеющей сталью, они обладают хорошей коррозионной стойкостью, жаростойкостью и технологическими характеристиками. Коррозионная стойкость 304L аналогична коррозионной стойкости 304, но поскольку содержание углерода в 304L ниже, чем в 304, его устойчивость к межкристаллитной коррозии выше. 316 и 316L – молибденсодержащие нержавеющие стали. Благодаря добавлению молибдена их коррозионная стойкость и жаростойкость лучше, чем у 304 и 304L. Точно так же, поскольку содержание углерода в 316L ниже, чем в 316, его способность противостоять коррозии кристаллов лучше. Аустенитные нержавеющие стали, такие как 304, 304L, 316 и 316L, имеют низкую механическую прочность. Предел текучести при комнатной температуре 304 составляет 205 МПа, 304L - 170 МПа; предел текучести при комнатной температуре 316 составляет 210 МПа, а 316L - 200 МПа. Поэтому болты, изготовленные из них, относятся к низкопрочным болтам.
Таблица 1 Содержание углерода, % Предел текучести при комнатной температуре, МПа Рекомендуемая максимальная рабочая температура, °С
304 ≤0,08 205 816
304л ≤0,03 170 538
316 ≤0,08 210 816
316L ≤0,03 200 538(2) Почему для фланцевых соединений не следует использовать болты из таких материалов, как 304 и 316?
Как упоминалось в предыдущих лекциях, фланцевое соединение, во-первых, разделяет уплотнительные поверхности двух фланцев за счет действия внутреннего давления, что приводит к соответствующему снижению напряжения прокладки, а во-вторых, расслабление силы болта из-за релаксации ползучести прокладки или ползучести самого болта при высокой температуре, Также снижает нагрузку на прокладку, так что фланцевое соединение протекает и выходит из строя.
В реальной эксплуатации релаксация усилия болта неизбежна, и первоначальное усилие затяжки болта всегда будет падать со временем. Особенно для фланцевых соединений при высоких температурах и тяжелых условиях цикла, после 10 000 часов работы потеря нагрузки на болт часто превышает 50%, и она ослабевает с течением времени и повышением температуры.
Когда фланец и болт изготовлены из разных материалов, особенно когда фланец изготовлен из углеродистой стали, а болт - из нержавеющей стали, коэффициент теплового расширения 2 материала болта и фланца различен, например, коэффициент теплового расширения нержавеющей стали при 50 °C (16,51×10-5 / °C) больше, чем коэффициент теплового расширения углеродистой стали (11,12×10-5 / °C). После нагрева устройства, когда расширение фланца меньше, чем расширение болта, после координации деформации удлинение болта уменьшается, в результате чего усилие болта уменьшается. Если есть какие-либо ослабления, это может привести к утечке в фланцевом соединении. Поэтому, когда фланец высокотемпературного оборудования и фланец трубы соединены, особенно коэффициенты теплового расширения материалов фланца и болта, коэффициенты теплового расширения двух материалов должны быть как можно ближе.
Из (1) видно, что механическая прочность аустенитной нержавеющей стали, такой как 304 и 316, низкая, а предел текучести при комнатной температуре 304 составляет всего 205 МПа, а 316 — всего 210 МПа. Поэтому с целью улучшения антирелаксационной и противоусталостной способности болтов принимаются меры по увеличению усилия болтов установки. Например, когда максимальное усилие на установочном болте используется на последующем форуме, требуется, чтобы напряжение установочных болтов достигало 70% предела текучести материала болта , чтобы класс прочности материала болта был улучшен, и использовались материалы болтов из высокопрочной или среднепрочной легированной стали. Очевидно, что за исключением чугунных, неметаллических фланцев или резиновых прокладок, для полуметаллических и металлических прокладок с фланцами более высокого класса давления или прокладок с большим напряжением, болты из низкопрочных материалов, таких как 304 и 316, из-за усилия болта недостаточно для удовлетворения требований к уплотнению. Здесь необходимо обратить особое внимание на то, что в американском стандарте материалов болтов из нержавеющей стали 304 и 316 имеют две категории, а именно B8 Cl.1 и B8 Cl.2 из 304 и B8M Cl.1 и B8M Cl.2 из 316. Cl.1 представляет собой твердый раствор, обработанный карбидами, в то время как Cl.2 подвергается деформационно-упрочняющей обработке в дополнение к обработке твердым раствором. Хотя нет принципиальной разницы в химической стойкости между B8 Cl.2 и B8 Cl.1, механическая прочность B8 Cl.2 значительно улучшена по сравнению с B8 Cl.1, например, B8 Cl.2 диаметром 3/4" Предел текучести материала болта составляет 550 МПа, в то время как предел текучести материала болта B8 Cl.1 всех диаметров составляет всего 205 МПа, Разница между ними более чем в два раза. Отечественные стандарты на материалы болтов 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) и B8 Cl.1 эквивалентны B8M Cl.1. [Примечание: Материал болта S30408 в GB/T 150.3 «Конструкция сосуда под давлением, часть третья» эквивалентен B8 Cl.2; S31608 эквивалентен B8M Cl.1.
В связи с вышеуказанными причинами ГБ/Т 150.3 и ГБ/Т38343 «Технический регламент устройства фланцевых соединений» предусматривают, что фланцы оборудования, работающего под давлением, и фланцевые соединения труб не рекомендуется использовать обычные 304 (В8 кл.1) и 316 (В8М кл. 1) Болты из материалов, особенно в условиях высоких температур и тяжелых циклов, следует заменить на B8 Cl.2 (S30408) и B8M Cl.2, чтобы избежать низкого усилия на установочном болте.
Стоит отметить, что при использовании низкопрочных материалов болтов, таких как 304 и 316, даже на этапе установки, из-за того, что крутящий момент не контролируется, болт может превысить предел текучести материала или даже сломаться. Естественно, если утечка произойдет во время испытания давлением или начала эксплуатации, даже если болты продолжат затягиваться, усилие болта не увеличится, и утечку невозможно остановить. Кроме того, эти болты нельзя использовать повторно после разборки, потому что болты подверглись остаточной деформации, а размер поперечного сечения болтов стал меньше, и они склонны к поломке после повторной установки.
