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法蘭連接,為什么不用304螺栓

點(diǎn)擊次數:   更新時(shí)間:24/03/25 10:46:03     來(lái)源:www.jsjxwlkj.com關(guān)閉分    享:
    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(shí),在運行狀態(tài)時(shí)常會(huì )發(fā)生泄漏問(wèn)題。本講將對此作一定性的剖析。

    (1) 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。

   304、304L、316 和 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(lèi)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(lèi)不銹鋼統稱(chēng)為 18—8不銹鋼。

    參見(jiàn)表 1,304、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(yōu)異。同理,因316L 的含碳量比316 低,故其抗晶腐蝕能力更優(yōu)良。304、304L、316 和 316L 一類(lèi)奧氏體不銹鋼的力學(xué)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。

表 1 含碳量,% 室溫屈服強度,MPa 推薦最高使用溫度,℃ 

304    ≤0.08        205             816 

304L   ≤0.03        170             538 

316    ≤0.08        210             816

316L   ≤0.03        200             538 



    (2) 為什么法蘭接頭不應采用 304 和 316 等一類(lèi)材料的螺栓? 

    如前面幾講所述,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(fā)生泄漏失效。

    實(shí)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(huì )隨時(shí)間而有所跌落。特別是處于高溫 和劇烈循環(huán)工況的法蘭接頭,經(jīng)過(guò)10000 小時(shí)運行后,螺栓載荷損失常會(huì )超過(guò)50%,并隨時(shí)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(shí),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(shí),在變形協(xié)調后,螺栓伸長(cháng)量減小引起螺栓力的松弛,就可能 導致法蘭接頭發(fā)生泄漏。因此,高溫的設備法蘭和管法蘭接頭時(shí),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。
    由(1)可見(jiàn),304 和 316 一類(lèi)奧氏體不銹鋼的力學(xué)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(huì )講到采用最大安裝螺栓力時(shí),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(jiàn),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(lèi)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(guān)注的是在美國不銹鋼螺栓材料標準中304和316分別有兩個(gè)類(lèi)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(jīng)過(guò)碳化物固溶處理,而 Cl.2 除固溶處理外,還經(jīng)過(guò) 應變強化處理。雖然 B8 Cl.2 和 B8 Cl.1 在耐化學(xué)腐蝕性上沒(méi)有根本區別,但相對 B8 Cl.1,B8 Cl.2 的 力學(xué)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(shù)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(huán)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(lèi)低強度螺栓材料,甚至在安裝階段,由于沒(méi)有對扭矩進(jìn)行控制,螺栓可能已超過(guò)材料屈服強度,甚至發(fā)生斷裂。自然,若耐壓試驗或開(kāi)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(jīng)產(chǎn)生了永久變形,螺栓截面尺寸變小,再安裝就容易發(fā)生擰斷。
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