Ущільнення фланцевого з’єднання – чому матеріал 304 не рекомендований для болтів?
(1) Які основні відмінності між матеріалами 304, 304L, 316 і 316L?
304, 304L, 316 і 316L - це матеріали з нержавіючої сталі, які зазвичай використовуються у фланцевих з'єднаннях, включаючи фланці, ущільнювальні елементи та кріплення.
304, 304L, 316 і 316L — це позначення нержавіючої сталі за американським стандартом матеріалів (ANSI або ASTM), що належить до аустенітної нержавіючої сталі серії 300. Відповідні класи внутрішнього стандарту на матеріали (GB/T) — 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Цей тип нержавіючої сталі зазвичай називають 18-8 нержавіючої сталлю.
Див. таблицю 1. 304, 304L, 316 і 316L через додавання легуючих елементів і кількість різних, їхні фізичні, хімічні та механічні властивості також відрізняються, порівняно зі звичайною нержавіючої сталлю, вони мають хорошу корозійну стійкість, термостійкість і властивості обробки. Корозійна стійкість 304L подібна до 304, але оскільки вміст вуглецю 304L нижчий, ніж у 304, його стійкість до міжкристалічної корозії сильніша. 316, 316L - це нержавіюча сталь, що містить молібден, завдяки додаванню елемента молібдену, тому її корозійна стійкість і термостійкість краща, ніж 304, 304L. Подібним чином, оскільки вміст вуглецю в 316L нижчий, ніж у 316, його кристалічна стійкість до корозії краща. Механічна міцність аустенітної нержавіючої сталі 304, 304L, 316 і 316L низька, межа текучості 304 становить 205 МПа при кімнатній температурі, а 304L — 170 МПа. Межа текучості 316 при кімнатній температурі становить 210 МПа, а 316L — 200 МПа. Тому виготовлені з них болти відносяться до низького класу міцності болтів.
Таблиця 1 Вміст вуглецю % Межа текучості при кімнатній температурі МПа Рекомендована максимальна робоча температура, град
304 Менше або дорівнює 0.08 205 816
304L Менше або дорівнює 0.03 170 538
316 Менше або дорівнює 0.08 210 816
316L Менше або дорівнює 0.03 200 538
(2) Чому фланцеве з’єднання не повинно використовувати болти з матеріалів 304 і 316?
Як згадувалося раніше, фланцеве з’єднання відбувається за рахунок дії внутрішнього тиску, щоб розділити ущільнювальну поверхню двох фланців, що призводить до відповідного зменшення напруги прокладки, а друге – через розслаблення прокладки під час повзучості при високій температурі або болті сама по собі спричинена повзучістю розслаблення сили болта, що також спричиняє зменшення напруги прокладки та руйнування витоку фланцевого з’єднання.
У реальній роботі розслаблення зусилля болта неминуче, і зусилля початкового затягування болта завжди падає з часом. Особливо у фланцевому з’єднанні за умов високої температури та інтенсивного циклу після 10{1}} годин роботи втрата болтового навантаження часто перевищує 50% і зменшується з продовженням часу та підвищенням температури.
Коли фланець і болт виготовлені з різних матеріалів, особливо якщо фланець виготовлений з вуглецевої сталі, а болт — з нержавіючої сталі, оскільки коефіцієнт теплового розширення матеріалу болта та фланця різний, наприклад, коефіцієнт теплового розширення нержавіючої сталі при 50 градусах ( 16,51×10-5 / градус) більше, ніж коефіцієнт теплового розширення вуглецевої сталі (11,12×10-5 / градус), пристрій нагрівається. Коли розширення фланця менше, ніж розширення болта, після координації деформації зменшення подовження болта викликає розслаблення зусилля болта, що може призвести до витоку фланцевого з’єднання. Тому, коли фланець високотемпературного обладнання та фланцеве з’єднання труби, особливо коефіцієнт теплового розширення фланця та матеріалу болта, відрізняються, коефіцієнт теплового розширення двох матеріалів є подібним, наскільки це можливо.
З (1) видно, що механічна міцність аустенітної нержавіючої сталі 304 і 316 низька, а межа текучості 304 при кімнатній температурі становить лише 205 МПа, а 316 — лише 210 МПа. Тому, щоб покращити здатність болта проти розслаблення та проти втоми, вживіть заходів для покращення зусилля монтажного болта, наприклад, максимальне зусилля болта встановлення буде обговорено на наступному форумі, напруга болта установки необхідна для досягнення 70% межі текучості матеріалу болта, тому необхідно покращити міцність матеріалу болта, використовуючи матеріал болта з легованої сталі високої або середньої міцності. Легко побачити, що, окрім чавунних, неметалевих фланців або гумових прокладок, для напівметалевих і металевих прокладок з вищим класом тиску або напругою прокладки, 304, 316 такі болти з низькоміцного матеріалу не можуть відповідати вимогам до ущільнення. через недостатнє зусилля болта.
Що потребує особливої уваги тут, так це те, що 304 і 316 мають дві категорії у стандарті матеріалу для болтів з нержавіючої сталі Сполучених Штатів, а саме B8 Cl.1 і B8 Cl.2 304 і B8M Cl.1 і B8M Cl.2 316. Cl. 1 обробляється твердим розчином карбіду, тоді як Cl.2 обробляється деформаційним зміцненням на додаток до обробки твердим розчином. Хоча немає фундаментальної різниці між B8 Cl.2 і B8 Cl.1 щодо стійкості до хімічної корозії, механічна міцність B8 Cl.2 значно покращена порівняно з B8 Cl.1, наприклад межа текучості болта B8 Cl.2 матеріал діаметром 3/4 дюйма становить 550 МПа. Межа текучості всіх діаметрів матеріалів для болтів B8Cl.1 становить лише 205 МПа, що більш ніж у два рази перевищує різницю між ними. Вітчизняний стандарт матеріалу для болтів 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316 ), і B8Cl.1 і B8M Cl.1 еквівалент. [Примітка: матеріал болта S30408 у GB/T 150.3 «Дизайн посудини під тиском» еквівалентний B8M Cl.1.
З огляду на наведені вище причини, GB/T 150.3 і GB/T38343 «Технічні правила монтажу фланцевих з’єднань» передбачають, що звичайні болти 304 (B8 Cl.1) і 316 (B8M Cl.1) для фланців і труб обладнання, що працює під тиском фланці не рекомендуються, особливо в умовах високої температури та інтенсивного циклу. B8 Cl.2 (S30408) і B8M Cl.2 слід замінити, щоб уникнути низьких зусиль кріпильних болтів.
Варто зазначити, що при використанні матеріалів для болтів з низькою міцністю, таких як 304 і 316, навіть на етапі монтажу болт може перевищити межу текучості матеріалу або навіть зламатися через відсутність контролю крутного моменту. Природно, якщо є витік під час випробування тиском або на початку роботи, навіть якщо болт продовжує затягуватися, сила болта не зросте, і витоку неможливо запобігти. Крім того, ці болти не можна використовувати повторно після видалення, оскільки болти спричинили постійну деформацію, розмір перетину болта стає меншим, а потім установку легко зламати.
