14. November 2022
Abdichtung von Flanschverbindungen - Warum wird das Material 304 für Schrauben nicht empfohlen?
Wenn Flansche aus Kohlenstoffstahl oder Edelstahl mit Schrauben aus dem Material 304 in der Flanschverbindungsdichtung verwendet werden, treten während des Betriebs häufig Leckageprobleme auf. In dieser Vorlesung wird eine qualitative Analyse dazu vorgenommen.
(1) Was sind die grundlegenden Unterschiede zwischen den Materialien 304, 304L, 316 und 316L?
304, 304L, 316 und 316L sind die Edelstahlsorten, die üblicherweise in Flanschverbindungen verwendet werden, einschließlich Flanschen, Dichtungselementen und Befestigungselementen.
304, 304L, 316 und 316L sind die Edelstahlsortenbezeichnungen des American Standard for Materials (ANSI oder ASTM), die zur Serie 300 der austenitischen Edelstähle gehören. Die Sorten, die den inländischen Materialnormen (GB/T) entsprechen, sind 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Diese Art von Edelstahl wird in der Regel zusammenfassend als Edelstahl 18-8 bezeichnet.
Siehe Tabelle 1, 304, 304L, 316 und 316L haben aufgrund der Zugabe von Legierungselementen und -mengen unterschiedliche physikalische, chemische und mechanische Eigenschaften. Im Vergleich zu gewöhnlichem Edelstahl weisen sie eine gute Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit und Verarbeitungsleistung auf. Die Korrosionsbeständigkeit von 304L ist ähnlich wie die von 304, aber da der Kohlenstoffgehalt von 304L niedriger ist als der von 304, ist seine Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion stärker. 316 und 316L sind molybdänhaltige Edelstähle. Durch die Zugabe von Molybdän sind ihre Korrosionsbeständigkeit und Hitzebeständigkeit besser als die von 304 und 304L. Da der Kohlenstoffgehalt von 316L niedriger ist als der von 316, ist seine Fähigkeit, Kristallkorrosion zu widerstehen, ebenfalls besser. Austenitische Edelstähle wie 304, 304L, 316 und 316L weisen eine geringe mechanische Festigkeit auf. Die Streckgrenze bei Raumtemperatur von 304 beträgt 205 MPa, 304 l 170 MPa; Die Streckgrenze bei Raumtemperatur von 316 beträgt 210 MPa und 316 l 200 MPa. Daher gehören die daraus hergestellten Schrauben zu den Schrauben mit geringer Festigkeit.
Tabelle 1 Kohlenstoffgehalt, % Streckgrenze bei Raumtemperatur, MPa Empfohlene maximale Betriebstemperatur, °C
304 ≤0,08 205 816
304L ≤0,03 170 538
316 ≤0,08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) Warum sollten bei Flanschverbindungen keine Schrauben aus Materialien wie 304 und 316 verwendet werden?
Wie in den vorangegangenen Vorträgen erwähnt, trennt die Flanschverbindung erstens die Dichtflächen der beiden Flansche aufgrund der Einwirkung von Innendruck, was zu einer entsprechenden Verringerung der Spannung der Dichtung führt, und zweitens die Entspannung der Schraubenkraft aufgrund der Kriechrelaxation der Dichtung oder des Kriechens der Schraube selbst bei hoher Temperatur, Reduziert auch die Belastung der Dichtung, so dass die Flanschverbindung undicht wird und versagt.
Im realen Betrieb ist eine Lockerung der Schraubenkraft unvermeidlich, und die anfängliche Anzugsschraubenkraft nimmt mit der Zeit immer ab. Insbesondere bei Flanschverbindungen unter hohen Temperaturen und schwierigen Zyklusbedingungen übersteigt der Schraubenlastverlust nach 10.000 Betriebsstunden oft 50 % und wird mit fortschreitender Zeit und Temperaturanstieg schwächer.
Wenn der Flansch und die Schraube aus unterschiedlichen Materialien bestehen, insbesondere wenn der Flansch aus Kohlenstoffstahl und die Schraube aus Edelstahl besteht, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient 2 des Materials der Schraube und des Flansches unterschiedlich, z. B. ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Edelstahl bei 50 °C (16,51×10-5 / °C) größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kohlenstoffstahl (11,12×10-5 / °C). Wenn nach dem Erhitzen der Vorrichtung die Ausdehnung des Flansches kleiner ist als die Ausdehnung der Schraube, nachdem die Verformung koordiniert wurde, nimmt die Dehnung der Schraube ab, wodurch die Kraft der Schraube abnimmt. Wenn es zu einer Lockerheit kommt, kann dies zu Undichtigkeiten in der Flanschverbindung führen. Wenn der Hochtemperatur-Geräteflansch und der Rohrflansch verbunden sind, sollten daher insbesondere die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Flansch- und Schraubenmaterialien unterschiedlich sein, die Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien sollten so nah wie möglich beieinander liegen.
Aus (1) geht hervor, dass die mechanische Festigkeit von austenitischem Edelstahl wie 304 und 316 gering ist und die Streckgrenze von 304 bei Raumtemperatur nur 205 MPa und die von 316 nur 210 MPa beträgt. Um die Antirelaxations- und Antiermüdungsfähigkeit von Schrauben zu verbessern, werden daher Maßnahmen zur Erhöhung der Schraubenkraft der Installationsschrauben ergriffen. Wenn beispielsweise die maximale Installationsschraubenkraft im Folgeforum verwendet wird, ist es erforderlich, dass die Spannung der Installationsschrauben 70 % der Streckgrenze des Schraubenmaterials erreicht, so dass der Festigkeitsgrad des Schraubenmaterials verbessert werden muss und hochfeste oder mittelfeste Schraubenmaterialien aus legiertem Stahl verwendet werden. Offensichtlich, mit Ausnahme von Gusseisen, nichtmetallischen Flanschen oder Gummidichtungen, für halbmetallische und metallische Dichtungen mit höherem Druck Flansche oder Dichtungen mit größerer Beanspruchung, Schrauben aus niedrigfesten Materialien wie 304 und 316, aufgrund der Schraubenkraft Nicht genug, um die Dichtungsanforderungen zu erfüllen.
Besonderes Augenmerk ist hier, dass in der amerikanischen Norm für Edelstahlschraubenmaterial 304 und 316 zwei Kategorien haben, nämlich B8 Cl.1 und B8 Cl.2 von 304 sowie B8M Cl.1 und B8M Cl.2 von 316. Cl.1 ist eine feste Lösung, die mit Carbiden behandelt wurde, während Cl.2 zusätzlich zur Behandlung mit fester Lösung einer dehnungsverstärkenden Behandlung unterzogen wird. Obwohl es keinen grundlegenden Unterschied in der chemischen Beständigkeit zwischen B8 Cl.2 und B8 Cl.1 gibt, ist die mechanische Festigkeit von B8 Cl.2 im Vergleich zu B8 Cl.1, wie z. B. B8 Cl.2 mit einem Durchmesser von 3/4" erheblich verbessert. Die Streckgrenze des Bolzenmaterials beträgt 550 MPa, während die Streckgrenze des B8 Cl.1 Bolzenmaterials aller Durchmesser nur 205 MPa beträgt. Der Unterschied zwischen den beiden ist mehr als das Doppelte. Die inländischen Schraubenmaterialnormen 06Cr19Ni10 (304), 06Cr17Ni12Mo2 (316) und B8 Cl.1 entsprechen B8M Cl.1. [Hinweis: Das Schraubenmaterial S30408 in GB/T 150.3 "Pressure Vessel Part Three Design" entspricht B8 Cl.2; S31608 entspricht B8M Cl.1.
Aus den oben genannten Gründen schreiben GB/T 150.3 und GB/T38343 "Technische Regeln für die Montage von Flanschverbindungen" vor, dass für die Flansche von Druckgeräten und Rohrflanschverbindungen nicht empfohlen wird, die üblichen 304 (B8 Kl.1) und 316 (B8M Kl. 1) Schrauben aus Materialien, insbesondere bei hohen Temperaturen und schwierigen Zyklenbedingungen, sollten durch B8 Cl.2 (S30408) und B8M Cl.2 ersetzt werden, um eine geringe Schraubenkraft bei der Installation zu vermeiden.
Es ist erwähnenswert, dass bei der Verwendung von Schraubenmaterialien mit geringer Festigkeit wie 304 und 316 auch während der Einbauphase die Schraube die Streckgrenze des Materials überschritten haben oder sogar gebrochen sein kann, da das Drehmoment nicht kontrolliert wird. Wenn während der Druckprüfung oder der Inbetriebnahme eine Leckage auftritt, steigt die Schraubenkraft natürlich nicht an, selbst wenn die Schrauben weiter angezogen werden, und die Leckage kann nicht gestoppt werden. Darüber hinaus können diese Schrauben nach der Demontage nicht wiederverwendet werden, da die Schrauben eine bleibende Verformung erfahren haben, der Querschnitt der Schrauben kleiner geworden ist und sie nach dem Wiedereinbau bruchanfällig sind.
(1) Was sind die grundlegenden Unterschiede zwischen den Materialien 304, 304L, 316 und 316L?
304, 304L, 316 und 316L sind die Edelstahlsorten, die üblicherweise in Flanschverbindungen verwendet werden, einschließlich Flanschen, Dichtungselementen und Befestigungselementen.
304, 304L, 316 und 316L sind die Edelstahlsortenbezeichnungen des American Standard for Materials (ANSI oder ASTM), die zur Serie 300 der austenitischen Edelstähle gehören. Die Sorten, die den inländischen Materialnormen (GB/T) entsprechen, sind 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Diese Art von Edelstahl wird in der Regel zusammenfassend als Edelstahl 18-8 bezeichnet.
Siehe Tabelle 1, 304, 304L, 316 und 316L haben aufgrund der Zugabe von Legierungselementen und -mengen unterschiedliche physikalische, chemische und mechanische Eigenschaften. Im Vergleich zu gewöhnlichem Edelstahl weisen sie eine gute Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit und Verarbeitungsleistung auf. Die Korrosionsbeständigkeit von 304L ist ähnlich wie die von 304, aber da der Kohlenstoffgehalt von 304L niedriger ist als der von 304, ist seine Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion stärker. 316 und 316L sind molybdänhaltige Edelstähle. Durch die Zugabe von Molybdän sind ihre Korrosionsbeständigkeit und Hitzebeständigkeit besser als die von 304 und 304L. Da der Kohlenstoffgehalt von 316L niedriger ist als der von 316, ist seine Fähigkeit, Kristallkorrosion zu widerstehen, ebenfalls besser. Austenitische Edelstähle wie 304, 304L, 316 und 316L weisen eine geringe mechanische Festigkeit auf. Die Streckgrenze bei Raumtemperatur von 304 beträgt 205 MPa, 304 l 170 MPa; Die Streckgrenze bei Raumtemperatur von 316 beträgt 210 MPa und 316 l 200 MPa. Daher gehören die daraus hergestellten Schrauben zu den Schrauben mit geringer Festigkeit.
Tabelle 1 Kohlenstoffgehalt, % Streckgrenze bei Raumtemperatur, MPa Empfohlene maximale Betriebstemperatur, °C
304 ≤0,08 205 816
304L ≤0,03 170 538
316 ≤0,08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) Warum sollten bei Flanschverbindungen keine Schrauben aus Materialien wie 304 und 316 verwendet werden?
Wie in den vorangegangenen Vorträgen erwähnt, trennt die Flanschverbindung erstens die Dichtflächen der beiden Flansche aufgrund der Einwirkung von Innendruck, was zu einer entsprechenden Verringerung der Spannung der Dichtung führt, und zweitens die Entspannung der Schraubenkraft aufgrund der Kriechrelaxation der Dichtung oder des Kriechens der Schraube selbst bei hoher Temperatur, Reduziert auch die Belastung der Dichtung, so dass die Flanschverbindung undicht wird und versagt.
Im realen Betrieb ist eine Lockerung der Schraubenkraft unvermeidlich, und die anfängliche Anzugsschraubenkraft nimmt mit der Zeit immer ab. Insbesondere bei Flanschverbindungen unter hohen Temperaturen und schwierigen Zyklusbedingungen übersteigt der Schraubenlastverlust nach 10.000 Betriebsstunden oft 50 % und wird mit fortschreitender Zeit und Temperaturanstieg schwächer.
Wenn der Flansch und die Schraube aus unterschiedlichen Materialien bestehen, insbesondere wenn der Flansch aus Kohlenstoffstahl und die Schraube aus Edelstahl besteht, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient 2 des Materials der Schraube und des Flansches unterschiedlich, z. B. ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Edelstahl bei 50 °C (16,51×10-5 / °C) größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kohlenstoffstahl (11,12×10-5 / °C). Wenn nach dem Erhitzen der Vorrichtung die Ausdehnung des Flansches kleiner ist als die Ausdehnung der Schraube, nachdem die Verformung koordiniert wurde, nimmt die Dehnung der Schraube ab, wodurch die Kraft der Schraube abnimmt. Wenn es zu einer Lockerheit kommt, kann dies zu Undichtigkeiten in der Flanschverbindung führen. Wenn der Hochtemperatur-Geräteflansch und der Rohrflansch verbunden sind, sollten daher insbesondere die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Flansch- und Schraubenmaterialien unterschiedlich sein, die Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien sollten so nah wie möglich beieinander liegen.
Aus (1) geht hervor, dass die mechanische Festigkeit von austenitischem Edelstahl wie 304 und 316 gering ist und die Streckgrenze von 304 bei Raumtemperatur nur 205 MPa und die von 316 nur 210 MPa beträgt. Um die Antirelaxations- und Antiermüdungsfähigkeit von Schrauben zu verbessern, werden daher Maßnahmen zur Erhöhung der Schraubenkraft der Installationsschrauben ergriffen. Wenn beispielsweise die maximale Installationsschraubenkraft im Folgeforum verwendet wird, ist es erforderlich, dass die Spannung der Installationsschrauben 70 % der Streckgrenze des Schraubenmaterials erreicht, so dass der Festigkeitsgrad des Schraubenmaterials verbessert werden muss und hochfeste oder mittelfeste Schraubenmaterialien aus legiertem Stahl verwendet werden. Offensichtlich, mit Ausnahme von Gusseisen, nichtmetallischen Flanschen oder Gummidichtungen, für halbmetallische und metallische Dichtungen mit höherem Druck Flansche oder Dichtungen mit größerer Beanspruchung, Schrauben aus niedrigfesten Materialien wie 304 und 316, aufgrund der Schraubenkraft Nicht genug, um die Dichtungsanforderungen zu erfüllen.
Besonderes Augenmerk ist hier, dass in der amerikanischen Norm für Edelstahlschraubenmaterial 304 und 316 zwei Kategorien haben, nämlich B8 Cl.1 und B8 Cl.2 von 304 sowie B8M Cl.1 und B8M Cl.2 von 316. Cl.1 ist eine feste Lösung, die mit Carbiden behandelt wurde, während Cl.2 zusätzlich zur Behandlung mit fester Lösung einer dehnungsverstärkenden Behandlung unterzogen wird. Obwohl es keinen grundlegenden Unterschied in der chemischen Beständigkeit zwischen B8 Cl.2 und B8 Cl.1 gibt, ist die mechanische Festigkeit von B8 Cl.2 im Vergleich zu B8 Cl.1, wie z. B. B8 Cl.2 mit einem Durchmesser von 3/4" erheblich verbessert. Die Streckgrenze des Bolzenmaterials beträgt 550 MPa, während die Streckgrenze des B8 Cl.1 Bolzenmaterials aller Durchmesser nur 205 MPa beträgt. Der Unterschied zwischen den beiden ist mehr als das Doppelte. Die inländischen Schraubenmaterialnormen 06Cr19Ni10 (304), 06Cr17Ni12Mo2 (316) und B8 Cl.1 entsprechen B8M Cl.1. [Hinweis: Das Schraubenmaterial S30408 in GB/T 150.3 "Pressure Vessel Part Three Design" entspricht B8 Cl.2; S31608 entspricht B8M Cl.1.
Aus den oben genannten Gründen schreiben GB/T 150.3 und GB/T38343 "Technische Regeln für die Montage von Flanschverbindungen" vor, dass für die Flansche von Druckgeräten und Rohrflanschverbindungen nicht empfohlen wird, die üblichen 304 (B8 Kl.1) und 316 (B8M Kl. 1) Schrauben aus Materialien, insbesondere bei hohen Temperaturen und schwierigen Zyklenbedingungen, sollten durch B8 Cl.2 (S30408) und B8M Cl.2 ersetzt werden, um eine geringe Schraubenkraft bei der Installation zu vermeiden.
Es ist erwähnenswert, dass bei der Verwendung von Schraubenmaterialien mit geringer Festigkeit wie 304 und 316 auch während der Einbauphase die Schraube die Streckgrenze des Materials überschritten haben oder sogar gebrochen sein kann, da das Drehmoment nicht kontrolliert wird. Wenn während der Druckprüfung oder der Inbetriebnahme eine Leckage auftritt, steigt die Schraubenkraft natürlich nicht an, selbst wenn die Schrauben weiter angezogen werden, und die Leckage kann nicht gestoppt werden. Darüber hinaus können diese Schrauben nach der Demontage nicht wiederverwendet werden, da die Schrauben eine bleibende Verformung erfahren haben, der Querschnitt der Schrauben kleiner geworden ist und sie nach dem Wiedereinbau bruchanfällig sind.