14 ноя 2022
Герметизация фланцевых соединений - Почему материал 304 не рекомендуется использовать для болтов?
Когда фланцы из углеродистой или нержавеющей стали используются с болтами из материала 304 для уплотнения фланцевых соединений, во время работы часто возникают проблемы с утечками. В этой лекции будет сделан качественный анализ этого.
(1) В чем основные различия между материалами 304, 304L, 316 и 316L?
304, 304L, 316 и 316L - это марки нержавеющей стали, обычно используемые во фланцевых соединениях, включая фланцы, уплотнительные элементы и крепежные элементы.
304, 304L, 316 и 316L — обозначения марок нержавеющей стали Американского стандарта по материалам (ANSI или ASTM), которые относятся к серии 300 аустенитных нержавеющих сталей. Марки, соответствующие отечественным стандартам материалов (GB/T): 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Этот тип нержавеющей стали обычно собирательно называют нержавеющей сталью 18-8.
См. таблицу 1, 304, 304L, 316 и 316L имеют различные физико-химические и механические свойства из-за добавления легирующих элементов и количеств. По сравнению с обычной нержавеющей сталью, они обладают хорошей коррозионной стойкостью, термостойкостью и производительностью обработки. Коррозионная стойкость 304L аналогична коррозионной стойкости 304, но поскольку содержание углерода в 304L ниже, чем у 304, его устойчивость к межкристаллитной коррозии выше. 316 и 316L – молибденсодержащие нержавеющие стали. Благодаря добавлению молибдена их коррозионная стойкость и термостойкость лучше, чем у 304 и 304L. Точно так же, поскольку содержание углерода в 316L ниже, чем в 316, его способность противостоять кристаллической коррозии лучше. Аустенитные нержавеющие стали, такие как 304, 304L, 316 и 316L, имеют низкую механическую прочность. Предел текучести при комнатной температуре 304 составляет 205 МПа, 304L - 170 МПа; предел текучести при комнатной температуре 316 составляет 210 МПа, а 316 л - 200 МПа. Поэтому болты из них относятся к низкопрочным сортам болтов.
Таблица 1 Содержание углерода, % Предел текучести при комнатной температуре, МПа Рекомендуемая максимальная рабочая температура, °C
304 ≤0.08 205 816
304Л ≤0,03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316Л ≤0,03 200 538
(2) Почему при фланцевых соединениях не следует использовать болты из таких материалов, как 304 и 316?
Как упоминалось в предыдущих лекциях, фланцевое соединение, во-первых, разделяет уплотнительные поверхности двух фланцев за счет действия внутреннего давления, что приводит к соответствующему снижению напряжения прокладки, а во-вторых, к ослаблению силы болта из-за релаксации ползучести прокладки или ползучести самого болта при высокой температуре, Также снижает нагрузку на прокладку, благодаря чему фланцевое соединение протекает и выходит из строя.
В реальной эксплуатации ослабление усилия болта неизбежно, и первоначальное усилие затяжки болта всегда будет снижаться со временем. Особенно для фланцевых соединений при высокой температуре и суровых условиях цикла, после 10 000 часов работы потеря нагрузки на болт часто превышает 50%, и она будет ослабевать с течением времени и повышением температуры.
Когда фланец и болт изготовлены из разных материалов, особенно когда фланец изготовлен из углеродистой стали, а болт изготовлен из нержавеющей стали, коэффициент теплового расширения 2 материала болта и фланца отличается, например, коэффициент теплового расширения нержавеющей стали при 50°C (16,51×10-5/ °C) больше, чем коэффициент теплового расширения углеродистой стали (11,12×10-5/°C). После нагрева устройства, когда расширение фланца меньше расширения болта, после согласования деформации удлинение болта уменьшается, в результате чего усилие болта уменьшается. Если есть какое-либо ослабление, это может привести к утечке во фланцевом соединении. Таким образом, при соединении фланца высокотемпературного оборудования и фланца трубы, особенно различаются коэффициенты теплового расширения материалов фланца и болта, коэффициенты теплового расширения двух материалов должны быть как можно более близкими.
Из (1) видно, что механическая прочность аустенитной нержавеющей стали, такой как 304 и 316, низкая, а предел текучести при комнатной температуре 304 составляет всего 205 МПа, а у 316 - всего 210 МПа. Поэтому для улучшения антирелаксационной и антиусталостной способности болтов принимаются меры по увеличению усилия болтов установки болтов. Например, когда на последующем форуме используется максимальное усилие установочного болта, требуется, чтобы напряжение установочных болтов достигало 70% от предела текучести материала болта, чтобы класс прочности материала болта был улучшен, и используются высокопрочные или среднепрочные материалы болтов из легированной стали. Очевидно, что за исключением чугунных, неметаллических фланцев или резиновых прокладок, для полуметаллических и металлических прокладок с более высоким классом давления фланцев или прокладок с большим напряжением, болты из низкопрочных материалов, таких как 304 и 316, из-за силы болтов недостаточно для удовлетворения требований к уплотнению.
Что здесь требует особого внимания, так это то, что в американском стандарте на материал болтов из нержавеющей стали 304 и 316 имеют две категории, а именно: B8 Cl.1 и B8 Cl.2 из 304 и B8M Cl.1 и B8M Cl.2 из 316. Cl.1 представляет собой твердый раствор, обработанный карбидами, в то время как Cl.2 подвергается деформационно-упрочняющей обработке в дополнение к обработке твердым раствором. Хотя принципиальной разницы в химической стойкости между B8 Cl.2 и B8 Cl.1 нет, механическая прочность B8 Cl.2 значительно улучшена относительно B8 Cl.1, таких как B8 Cl.2 с диаметром 3/4" Предел текучести материала болта составляет 550 МПа, в то время как предел текучести материала болта B8 Cl.1 всех диаметров составляет всего 205 МПа, Разница между ними составляет более чем в два раза. Отечественные стандарты на материал болтов 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) и B8 Cl.1 эквивалентны B8M Cl.1. [Примечание: материал болтов S30408 в GB/T 150.3 "Конструкция сосуда высокого давления, часть три" эквивалентен B8 Cl.2; S31608 эквивалентен B8M Cl.1.
В связи с вышеуказанными причинами в стандартах GB/T 150.3 и GB/T38343 «Технический регламент по устройству фланцевых соединений» указано, что для фланцев оборудования, работающего под давлением, и фланцевых соединений труб не рекомендуется использовать обычные 304 (B8 Cl.1) и 316 (B8M Cl. 1) Болты из материалов, особенно в условиях высокой температуры и сурового цикла, следует заменить на B8 Cl.2 (S30408) и B8M Cl.2, чтобы избежать низкого усилия установки болтов.
Стоит отметить, что при использовании низкопрочных материалов болтов, таких как 304 и 316, даже на этапе монтажа, поскольку крутящий момент не контролируется, болт мог превысить предел текучести материала, или даже сломаться. Естественно, если утечка произойдет во время испытания под давлением или начала работы, даже если болты продолжат затягиваться, усилие болта не увеличится и утечку не остановить. Кроме того, эти болты нельзя использовать повторно после разборки, потому что болты подверглись остаточной деформации, а размер поперечного сечения болтов стал меньше, и они подвержены поломке после повторного монтажа.
(1) В чем основные различия между материалами 304, 304L, 316 и 316L?
304, 304L, 316 и 316L - это марки нержавеющей стали, обычно используемые во фланцевых соединениях, включая фланцы, уплотнительные элементы и крепежные элементы.
304, 304L, 316 и 316L — обозначения марок нержавеющей стали Американского стандарта по материалам (ANSI или ASTM), которые относятся к серии 300 аустенитных нержавеющих сталей. Марки, соответствующие отечественным стандартам материалов (GB/T): 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Этот тип нержавеющей стали обычно собирательно называют нержавеющей сталью 18-8.
См. таблицу 1, 304, 304L, 316 и 316L имеют различные физико-химические и механические свойства из-за добавления легирующих элементов и количеств. По сравнению с обычной нержавеющей сталью, они обладают хорошей коррозионной стойкостью, термостойкостью и производительностью обработки. Коррозионная стойкость 304L аналогична коррозионной стойкости 304, но поскольку содержание углерода в 304L ниже, чем у 304, его устойчивость к межкристаллитной коррозии выше. 316 и 316L – молибденсодержащие нержавеющие стали. Благодаря добавлению молибдена их коррозионная стойкость и термостойкость лучше, чем у 304 и 304L. Точно так же, поскольку содержание углерода в 316L ниже, чем в 316, его способность противостоять кристаллической коррозии лучше. Аустенитные нержавеющие стали, такие как 304, 304L, 316 и 316L, имеют низкую механическую прочность. Предел текучести при комнатной температуре 304 составляет 205 МПа, 304L - 170 МПа; предел текучести при комнатной температуре 316 составляет 210 МПа, а 316 л - 200 МПа. Поэтому болты из них относятся к низкопрочным сортам болтов.
Таблица 1 Содержание углерода, % Предел текучести при комнатной температуре, МПа Рекомендуемая максимальная рабочая температура, °C
304 ≤0.08 205 816
304Л ≤0,03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316Л ≤0,03 200 538
(2) Почему при фланцевых соединениях не следует использовать болты из таких материалов, как 304 и 316?
Как упоминалось в предыдущих лекциях, фланцевое соединение, во-первых, разделяет уплотнительные поверхности двух фланцев за счет действия внутреннего давления, что приводит к соответствующему снижению напряжения прокладки, а во-вторых, к ослаблению силы болта из-за релаксации ползучести прокладки или ползучести самого болта при высокой температуре, Также снижает нагрузку на прокладку, благодаря чему фланцевое соединение протекает и выходит из строя.
В реальной эксплуатации ослабление усилия болта неизбежно, и первоначальное усилие затяжки болта всегда будет снижаться со временем. Особенно для фланцевых соединений при высокой температуре и суровых условиях цикла, после 10 000 часов работы потеря нагрузки на болт часто превышает 50%, и она будет ослабевать с течением времени и повышением температуры.
Когда фланец и болт изготовлены из разных материалов, особенно когда фланец изготовлен из углеродистой стали, а болт изготовлен из нержавеющей стали, коэффициент теплового расширения 2 материала болта и фланца отличается, например, коэффициент теплового расширения нержавеющей стали при 50°C (16,51×10-5/ °C) больше, чем коэффициент теплового расширения углеродистой стали (11,12×10-5/°C). После нагрева устройства, когда расширение фланца меньше расширения болта, после согласования деформации удлинение болта уменьшается, в результате чего усилие болта уменьшается. Если есть какое-либо ослабление, это может привести к утечке во фланцевом соединении. Таким образом, при соединении фланца высокотемпературного оборудования и фланца трубы, особенно различаются коэффициенты теплового расширения материалов фланца и болта, коэффициенты теплового расширения двух материалов должны быть как можно более близкими.
Из (1) видно, что механическая прочность аустенитной нержавеющей стали, такой как 304 и 316, низкая, а предел текучести при комнатной температуре 304 составляет всего 205 МПа, а у 316 - всего 210 МПа. Поэтому для улучшения антирелаксационной и антиусталостной способности болтов принимаются меры по увеличению усилия болтов установки болтов. Например, когда на последующем форуме используется максимальное усилие установочного болта, требуется, чтобы напряжение установочных болтов достигало 70% от предела текучести материала болта, чтобы класс прочности материала болта был улучшен, и используются высокопрочные или среднепрочные материалы болтов из легированной стали. Очевидно, что за исключением чугунных, неметаллических фланцев или резиновых прокладок, для полуметаллических и металлических прокладок с более высоким классом давления фланцев или прокладок с большим напряжением, болты из низкопрочных материалов, таких как 304 и 316, из-за силы болтов недостаточно для удовлетворения требований к уплотнению.
Что здесь требует особого внимания, так это то, что в американском стандарте на материал болтов из нержавеющей стали 304 и 316 имеют две категории, а именно: B8 Cl.1 и B8 Cl.2 из 304 и B8M Cl.1 и B8M Cl.2 из 316. Cl.1 представляет собой твердый раствор, обработанный карбидами, в то время как Cl.2 подвергается деформационно-упрочняющей обработке в дополнение к обработке твердым раствором. Хотя принципиальной разницы в химической стойкости между B8 Cl.2 и B8 Cl.1 нет, механическая прочность B8 Cl.2 значительно улучшена относительно B8 Cl.1, таких как B8 Cl.2 с диаметром 3/4" Предел текучести материала болта составляет 550 МПа, в то время как предел текучести материала болта B8 Cl.1 всех диаметров составляет всего 205 МПа, Разница между ними составляет более чем в два раза. Отечественные стандарты на материал болтов 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) и B8 Cl.1 эквивалентны B8M Cl.1. [Примечание: материал болтов S30408 в GB/T 150.3 "Конструкция сосуда высокого давления, часть три" эквивалентен B8 Cl.2; S31608 эквивалентен B8M Cl.1.
В связи с вышеуказанными причинами в стандартах GB/T 150.3 и GB/T38343 «Технический регламент по устройству фланцевых соединений» указано, что для фланцев оборудования, работающего под давлением, и фланцевых соединений труб не рекомендуется использовать обычные 304 (B8 Cl.1) и 316 (B8M Cl. 1) Болты из материалов, особенно в условиях высокой температуры и сурового цикла, следует заменить на B8 Cl.2 (S30408) и B8M Cl.2, чтобы избежать низкого усилия установки болтов.
Стоит отметить, что при использовании низкопрочных материалов болтов, таких как 304 и 316, даже на этапе монтажа, поскольку крутящий момент не контролируется, болт мог превысить предел текучести материала, или даже сломаться. Естественно, если утечка произойдет во время испытания под давлением или начала работы, даже если болты продолжат затягиваться, усилие болта не увеличится и утечку не остановить. Кроме того, эти болты нельзя использовать повторно после разборки, потому что болты подверглись остаточной деформации, а размер поперечного сечения болтов стал меньше, и они подвержены поломке после повторного монтажа.