Листопад 14, 2022
Ущільнення фланцевих з'єднань - Чому матеріал 304 не рекомендується для болтів?
Коли фланці з вуглецевої сталі або нержавіючої сталі використовуються з болтами 304 матеріалу для ущільнення фланцевого з'єднання, під час роботи часто виникають проблеми з витоком. У цій лекції ми зробимо якісний аналіз цього.
(1) Які основні відмінності між матеріалами 304, 304L, 316 і 316L?
304, 304L, 316 і 316L - це марки нержавіючої сталі, які зазвичай використовуються у фланцевих з'єднаннях, включаючи фланці, ущільнювальні елементи та кріплення.
304, 304L, 316 і 316L - це позначення марок нержавіючої сталі Американського стандарту матеріалів (ANSI або ASTM), які відносяться до серії 300 аустенітних нержавіючих сталей. Марки, що відповідають вітчизняним стандартам на матеріали (ГБ/Т): 06Х19Н10 (304), 022Х19Н10 (304Л), 06К17Н12Мо2 (316), 022Cr17Н12Mo2 (316L). Цей тип нержавіючої сталі зазвичай разом називають нержавіючою сталлю 18-8.
Дивись таблицю 1, 304, 304Л, 316 і 316Л мають різні фізичні, хімічні та механічні властивості за рахунок додавання легуючих елементів і кількостей. У порівнянні зі звичайною нержавіючою сталлю, вони мають хорошу корозійну стійкість, термостійкість і продуктивність обробки. Стійкість до корозії 304L подібна до стійкості 304, але оскільки вміст вуглецю в 304L нижчий, ніж у 304, його стійкість до міжкристалітної корозії сильніша. 316 і 316L – нержавіючі сталі, що містять молібден. Завдяки додаванню молібдену їх корозійна стійкість і термостійкість краще, ніж у 304 і 304L. Так само, оскільки вміст вуглецю в 316L нижчий, ніж у 316, його здатність протистояти кристалічній корозії краща. Аустенітні нержавіючі сталі, такі як 304, 304L, 316 і 316L, мають низьку механічну міцність. Межа плинності при кімнатній температурі 304 становить 205 МПа, 304 л - 170 МПа; межа плинності при кімнатній температурі 316 становить 210 МПа, а 316 л - 200 МПа. Тому виготовлені з них болти відносяться до болтів низької міцності.
Таблиця 1 Вміст вуглецю, % Межа текучості при кімнатній температурі, МПа Рекомендована максимальна робоча температура, °C
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) Чому у фланцевих з'єднаннях не повинні використовуватися болти з таких матеріалів, як 304 і 316?
Як вже говорилося в попередніх лекціях, фланцеве з'єднання, по-перше, розділяє ущільнювальні поверхні двох фланців за рахунок дії внутрішнього тиску, в результаті чого відбувається відповідне зниження напруги прокладки, а по-друге, ослаблення сили болта за рахунок повзучості прокладки або повзучості самого болта при високій температурі , Також знижує напругу прокладки, завдяки чому фланцеве з'єднання протікає і виходить з ладу.
У реальній експлуатації послаблення сили болта неминуче, а початкове зусилля затягування болта завжди з часом буде знижуватися. Особливо для фланцевих з'єднань при високій температурі та важких умовах циклу, після 10 000 годин роботи втрати навантаження на болти часто перевищують 50%, і вони будуть слабшати з продовженням часу та підвищенням температури.
When the flange and the bolt are made of different materials, especially when the flange is made of carbon steel and the bolt is made of stainless steel, the coefficient of thermal expansion 2 of the material of the bolt and the flange is different, such as the thermal expansion coefficient of stainless steel at 50°C (16.51×10-5/ ℃) is larger than the thermal expansion coefficient of carbon steel (11.12×10-5/℃). After the device is heated up, when the expansion of the flange is smaller than the expansion of the bolt, after the deformation is coordinated, the elongation of the bolt decreases, causing the force of the bolt to decrease. If there is any looseness, it may cause leakage in the flange joint. Therefore, when the high-temperature equipment flange and pipe flange are connected, especially the thermal expansion coefficients of the flange and bolt materials are different, the thermal expansion coefficients of the two materials should be as close as possible.
З (1) видно, що механічна міцність аустенітної нержавіючої сталі, такої як 304 і 316, низька, а межа плинності при кімнатній температурі 304 становить лише 205 МПа, а 316 - лише 210 МПа. Тому з метою поліпшення антирелаксаційної і противтомної здатності болтів вживаються заходи щодо збільшення зусилля затвора установчих болтів. Наприклад, коли максимальне зусилля монтажного болта використовується на наступному форумі, потрібно, щоб напруга монтажних болтів досягала 70% межі текучості матеріалу болта, щоб клас міцності матеріалу болта був покращений, і використовувалися високоміцні або середньоміцні матеріали болтів із легованої сталі. Очевидно, що за винятком чавунних, неметалевих фланців або гумових прокладок, для напівметалевих і металевих прокладок з фланцями вищого класу тиску або прокладок з більшим напруженням, болтів, виготовлених з низькоміцних матеріалів, таких як 304 і 316, через силу болта недостатньо для задоволення вимог до ущільнення.
Що тут потребує особливої уваги, так це те, що в американському стандарті на матеріал болтів з нержавіючої сталі 304 і 316 мають дві категорії, а саме B8 Cl.1 і B8 Cl.2 з 304 і B8M Cl.1 і B8M Cl.2 з 316. Cl.1 - це твердий розчин, оброблений карбідами, тоді як Cl.2 піддається обробці зміцненням деформації на додаток до обробки твердим розчином. Хоча принципової різниці в хімічній стійкості між B8 Cl.2 і B8 Cl.1 немає, механічна міцність B8 Cl.2 значно покращена щодо B8 Cl.1, таких як B8 Cl.2 діаметром 3/4" Межа плинності матеріалу болта становить 550 МПа, тоді як межа плинності матеріалу болта B8 Cl.1 всіх діаметрів становить лише 205 МПа, Різниця між ними більш ніж удвічі. Вітчизняні стандарти матеріалів болтів 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) і B8 Cl.1 еквівалентні B8M Cl.1. [Примітка: Матеріал болта S30408 у GB/T 150.3 "Посудина під тиском, частина третя конструкція" еквівалентний B8 Cl.2; S31608 еквівалентний B8M Cl.1.
З огляду на вищезазначені причини, GB/T 150.3 та GB/T38343 «Технічний регламент монтажу фланцевих з'єднань» передбачають, що фланці обладнання, що працює під тиском, та фланцеві з'єднання труб не рекомендується використовувати звичайні 304 (B8 Cl.1) та 316 (B8M Cl. . 1) Болти матеріалів, особливо в умовах високої температури та важкого циклу, слід замінити на B8 Cl.2 (S30408) та B8M Cl.2, щоб уникнути низького зусилля монтажного болта.
Варто відзначити, що при використанні низькоміцних болтових матеріалів, таких як 304 і 316, навіть на етапі монтажу, оскільки крутний момент не контролюється, болт міг перевищити межу плинності матеріалу, або навіть зламатися. Природно, якщо під час випробування тиском або початку роботи станеться витік, навіть якщо болти продовжать затягуватися, зусилля болта не піде вгору і витік не можна буде зупинити. Крім того, ці болти не можна використовувати повторно після розбирання, тому що болти зазнали постійної деформації, а розмір поперечного перерізу болтів став меншим, і вони схильні до поломки після повторної установки.
(1) Які основні відмінності між матеріалами 304, 304L, 316 і 316L?
304, 304L, 316 і 316L - це марки нержавіючої сталі, які зазвичай використовуються у фланцевих з'єднаннях, включаючи фланці, ущільнювальні елементи та кріплення.
304, 304L, 316 і 316L - це позначення марок нержавіючої сталі Американського стандарту матеріалів (ANSI або ASTM), які відносяться до серії 300 аустенітних нержавіючих сталей. Марки, що відповідають вітчизняним стандартам на матеріали (ГБ/Т): 06Х19Н10 (304), 022Х19Н10 (304Л), 06К17Н12Мо2 (316), 022Cr17Н12Mo2 (316L). Цей тип нержавіючої сталі зазвичай разом називають нержавіючою сталлю 18-8.
Дивись таблицю 1, 304, 304Л, 316 і 316Л мають різні фізичні, хімічні та механічні властивості за рахунок додавання легуючих елементів і кількостей. У порівнянні зі звичайною нержавіючою сталлю, вони мають хорошу корозійну стійкість, термостійкість і продуктивність обробки. Стійкість до корозії 304L подібна до стійкості 304, але оскільки вміст вуглецю в 304L нижчий, ніж у 304, його стійкість до міжкристалітної корозії сильніша. 316 і 316L – нержавіючі сталі, що містять молібден. Завдяки додаванню молібдену їх корозійна стійкість і термостійкість краще, ніж у 304 і 304L. Так само, оскільки вміст вуглецю в 316L нижчий, ніж у 316, його здатність протистояти кристалічній корозії краща. Аустенітні нержавіючі сталі, такі як 304, 304L, 316 і 316L, мають низьку механічну міцність. Межа плинності при кімнатній температурі 304 становить 205 МПа, 304 л - 170 МПа; межа плинності при кімнатній температурі 316 становить 210 МПа, а 316 л - 200 МПа. Тому виготовлені з них болти відносяться до болтів низької міцності.
Таблиця 1 Вміст вуглецю, % Межа текучості при кімнатній температурі, МПа Рекомендована максимальна робоча температура, °C
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) Чому у фланцевих з'єднаннях не повинні використовуватися болти з таких матеріалів, як 304 і 316?
Як вже говорилося в попередніх лекціях, фланцеве з'єднання, по-перше, розділяє ущільнювальні поверхні двох фланців за рахунок дії внутрішнього тиску, в результаті чого відбувається відповідне зниження напруги прокладки, а по-друге, ослаблення сили болта за рахунок повзучості прокладки або повзучості самого болта при високій температурі , Також знижує напругу прокладки, завдяки чому фланцеве з'єднання протікає і виходить з ладу.
У реальній експлуатації послаблення сили болта неминуче, а початкове зусилля затягування болта завжди з часом буде знижуватися. Особливо для фланцевих з'єднань при високій температурі та важких умовах циклу, після 10 000 годин роботи втрати навантаження на болти часто перевищують 50%, і вони будуть слабшати з продовженням часу та підвищенням температури.
When the flange and the bolt are made of different materials, especially when the flange is made of carbon steel and the bolt is made of stainless steel, the coefficient of thermal expansion 2 of the material of the bolt and the flange is different, such as the thermal expansion coefficient of stainless steel at 50°C (16.51×10-5/ ℃) is larger than the thermal expansion coefficient of carbon steel (11.12×10-5/℃). After the device is heated up, when the expansion of the flange is smaller than the expansion of the bolt, after the deformation is coordinated, the elongation of the bolt decreases, causing the force of the bolt to decrease. If there is any looseness, it may cause leakage in the flange joint. Therefore, when the high-temperature equipment flange and pipe flange are connected, especially the thermal expansion coefficients of the flange and bolt materials are different, the thermal expansion coefficients of the two materials should be as close as possible.
З (1) видно, що механічна міцність аустенітної нержавіючої сталі, такої як 304 і 316, низька, а межа плинності при кімнатній температурі 304 становить лише 205 МПа, а 316 - лише 210 МПа. Тому з метою поліпшення антирелаксаційної і противтомної здатності болтів вживаються заходи щодо збільшення зусилля затвора установчих болтів. Наприклад, коли максимальне зусилля монтажного болта використовується на наступному форумі, потрібно, щоб напруга монтажних болтів досягала 70% межі текучості матеріалу болта, щоб клас міцності матеріалу болта був покращений, і використовувалися високоміцні або середньоміцні матеріали болтів із легованої сталі. Очевидно, що за винятком чавунних, неметалевих фланців або гумових прокладок, для напівметалевих і металевих прокладок з фланцями вищого класу тиску або прокладок з більшим напруженням, болтів, виготовлених з низькоміцних матеріалів, таких як 304 і 316, через силу болта недостатньо для задоволення вимог до ущільнення.
Що тут потребує особливої уваги, так це те, що в американському стандарті на матеріал болтів з нержавіючої сталі 304 і 316 мають дві категорії, а саме B8 Cl.1 і B8 Cl.2 з 304 і B8M Cl.1 і B8M Cl.2 з 316. Cl.1 - це твердий розчин, оброблений карбідами, тоді як Cl.2 піддається обробці зміцненням деформації на додаток до обробки твердим розчином. Хоча принципової різниці в хімічній стійкості між B8 Cl.2 і B8 Cl.1 немає, механічна міцність B8 Cl.2 значно покращена щодо B8 Cl.1, таких як B8 Cl.2 діаметром 3/4" Межа плинності матеріалу болта становить 550 МПа, тоді як межа плинності матеріалу болта B8 Cl.1 всіх діаметрів становить лише 205 МПа, Різниця між ними більш ніж удвічі. Вітчизняні стандарти матеріалів болтів 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) і B8 Cl.1 еквівалентні B8M Cl.1. [Примітка: Матеріал болта S30408 у GB/T 150.3 "Посудина під тиском, частина третя конструкція" еквівалентний B8 Cl.2; S31608 еквівалентний B8M Cl.1.
З огляду на вищезазначені причини, GB/T 150.3 та GB/T38343 «Технічний регламент монтажу фланцевих з'єднань» передбачають, що фланці обладнання, що працює під тиском, та фланцеві з'єднання труб не рекомендується використовувати звичайні 304 (B8 Cl.1) та 316 (B8M Cl. . 1) Болти матеріалів, особливо в умовах високої температури та важкого циклу, слід замінити на B8 Cl.2 (S30408) та B8M Cl.2, щоб уникнути низького зусилля монтажного болта.
Варто відзначити, що при використанні низькоміцних болтових матеріалів, таких як 304 і 316, навіть на етапі монтажу, оскільки крутний момент не контролюється, болт міг перевищити межу плинності матеріалу, або навіть зламатися. Природно, якщо під час випробування тиском або початку роботи станеться витік, навіть якщо болти продовжать затягуватися, зусилля болта не піде вгору і витік не можна буде зупинити. Крім того, ці болти не можна використовувати повторно після розбирання, тому що болти зазнали постійної деформації, а розмір поперечного перерізу болтів став меншим, і вони схильні до поломки після повторної установки.