Ущільнення фланцевого з'єднання - чому матеріал 304 не рекомендується для болтів?
Коли фланці з вуглецевої сталі або нержавіючої сталі використовуються з болтами матеріалу 304 при герметизації фланцевих з'єднань, в процесі експлуатації часто виникають проблеми з витоками. Дана лекція зробить 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 в фланцевих з'єднаннях, включаючи фланці, ущільнювальні елементи та кріплення.
304, 304L, 316 і 316L - позначення марок нержавіючої сталі Американського стандарту матеріалів (ANSI або ASTM), які відносяться до серії аустенітних нержавіючих сталей 300. Марки, що відповідають вітчизняним стандартам матеріалів (GB/T) - 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Цей тип нержавіючої сталі зазвичай в сукупності називають нержавіючої сталлю 18-8.
Дивись таблиці 1, 304, 304L, 316 і 316L мають різні фізико-хімічні та механічні властивості за рахунок додавання легуючих елементів і кількостей. У порівнянні зі звичайною нержавіючою сталлю, вони мають хорошу корозійну стійкість, жароміцність і експлуатаційні показники обробки. Корозійна стійкість 304л аналогічна стійкості 304, але оскільки вміст вуглецю в 304л нижче, ніж у 304, його стійкість до міжкристалітної корозії сильніша. 316 і 316L - це нержавіючі сталі, що містять молібден. Завдяки додаванню молібдену їх корозійна стійкість і жаростійкість краще, ніж у 304 і 304л. Точно так же, оскільки вміст вуглецю в 316L нижче, ніж у 316, його здатність протистояти кристалічній корозії краще. Аустенітні нержавіючі сталі, такі як 304, 304L, 316 і 316L, мають низьку механічну міцність. Межа плинності кімнатної температури 304 становить 205MPa, 304L - 170MPa; межа плинності кімнатної температури 316 становить 210MPa, а 316L - 200MPa. Тому виготовлені з них болти відносяться до низькоміцних болтам.
Таблиця 1 Вміст вуглецю, % Межа плинності кімнатної температури, МПа Рекомендована максимальна температура обслуговування, °C
304 ≤0,08 205 816
304л ≤0,03 170 538
316 ≤0,08 210 816
316л ≤0,03 200 538
(2) Чому в фланцевих з'єднаннях не повинні використовуватися болти з таких матеріалів, як 304 і 316?
Як вже говорилося в попередніх лекціях, фланцеве з'єднання спочатку розділяє ущільнювальні поверхні двох фланців за рахунок дії внутрішнього тиску, в результаті чого відбувається відповідне зниження напруги прокладки, а по-друге, розслаблення сили болта за рахунок повзучості прокладки або повзучості самого болта при високій температурі , Також знижує напругу прокладки, завдяки чому фланцевий стик протікає і виходить з ладу.
При реальній експлуатації розслаблення сили болта неминуче, а початкова сила затягування болта завжди буде падати з часом. Особливо для фланцевих з'єднань в умовах високої температури і суворого циклу, після 10 000 годин роботи втрата навантаження болта часто перевищить 50%, і вона буде згасати з продовженням часу і підвищенням температури.
Коли фланець і болт виготовлені з різних матеріалів, особливо коли фланець виготовлений з вуглецевої сталі, а болт виготовлений з нержавіючої сталі, коефіцієнт теплового розширення 2 матеріалу болта і фланця відрізняється, наприклад, коефіцієнт теплового розширення нержавіючої сталі при 50°С (16,51×10-5/°С) більший за коефіцієнт теплового розширення вуглецевої сталі (11,12×10-5/°С). Після нагрівання пристрою, коли розширення фланця менше, ніж розширення болта, після узгодження деформації подовження болта зменшується, в результаті чого зусилля болта зменшується. Якщо є якась рихлість, це може викликати протікання в фланцевому з'єднанні. Тому при з'єднанні високотемпературного фланця обладнання і фланця труб, особливо коефіцієнти теплового розширення фланцевих і болтових матеріалів різні, коефіцієнти теплового розширення двох матеріалів повинні бути максимально наближені.
З (1) видно, що механічна міцність аустенітної нержавіючої сталі, такої як 304 і 316, низька, а межа плинності кімнатної температури 304 становить лише 205МПа, а 316 - лише 210МПа. Тому з метою поліпшення антирелаксаційної і противтомної здатності болтів вживаються заходи щодо збільшення сили болтів установки. Наприклад, коли на наступному форумі використовується максимальна сила монтажного болта, потрібно, щоб напруга монтажних болтів досягала 70% від меж плинності матеріалу болта , так що марка міцності матеріалу болта повинна бути покращена, а також використовуються високоміцні або середньоміцні сталеві болтові матеріали. Очевидно, що за винятком чавунних, неметалевих фланців або гумових прокладок, для напівметалевих і металевих прокладок з фланцями більш високого тиску або прокладок з більшою напругою, болтів з низькоміцних матеріалів, таких як 304 і 316, через силу болта недостатньо для задоволення вимог герметизації. Що тут потребує особливої уваги, так це те, що в американському стандарті болтових матеріалів з нержавіючої сталі 304 і 316 мають дві категорії, а саме B8 Cl.1 і B8 Cl.2 304 і B8M Cl.1 і B8M Cl.2 316. Cl.1 - це твердий розчин, оброблений карбідами, тоді як Cl.2 проходить зміцнюючу тензометричну обробку 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 поліпшена щодо B8 Cl.1, таких як B8 Cl.2 діаметром 3/4" Межа плинності болтового матеріалу становить 550MPa, тоді як межа плинності болтового матеріалу B8 Cl.1 всіх діаметрів становить лише 205MPa, різниця між ними більш ніж в два рази. Вітчизняні стандарти матеріалів болтів 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) і B8 Cl.1 еквівалентні B8M Cl.1. [Примітка: Матеріал болта S30408 в GB/T 150.3 «Конструкція посудини, що працює під тиском» еквівалентний B8 Cl.2; S31608 еквівалентний B8M Cl.1.
З огляду на вищевикладені причини, GB/T 150.3 і GB/T38343 «Технічний регламент установки фланцевого з'єднання» передбачають, що фланці напірного обладнання і фланцевих з'єднань труб не рекомендується використовувати звичайні 304 (B8 Cl.1) і 316 (B8M Cl. . 1) Болти з матеріалів, особливо в умовах високої температури і суворого циклу, слід замінити на B8 Cl.2 (S30408) і B8M Cl.2, щоб уникнути низького зусилля кріплення болта.
Варто відзначити, що при використанні маломіцних болтових матеріалів, таких як 304 і 316, ще на етапі монтажу, тому що крутний момент не контролюється, болт, можливо, перевищив межу плинності матеріалу, або навіть зламався. Природно, якщо витік станеться під час випробування тиском або початку експлуатації, навіть якщо болти продовжать затягуватися, сила болта не піде вгору і витік неможливо зупинити. Крім того, ці болти не можна використовувати повторно після розбирання, оскільки болти зазнали постійної деформації, а розмір поперечного перерізу болтів став менше, і вони схильні до поломки після переустановки.
