Уплотнение фланцевых соединений - Почему материал 304 не рекомендуется использовать для болтов?

При использовании фланцев из углеродистой или нержавеющей стали с болтами из материала 304 для уплотнения фланцевых соединений в процессе эксплуатации часто возникают проблемы с утечками. В данной лекции будет проведен качественный анализ этой проблемы.

(1) Каковы основные различия между материалами 304, 304L, 316 и 316L?

304, 304L, 316 и 316L - марки нержавеющей стали, обычно используемые для изготовления фланцевых соединений, включая фланцы, уплотнительные элементы и крепеж.

304, 304L, 316 и 316L - это обозначения марок нержавеющей стали по Американскому стандарту материалов (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 называют нержавеющей сталью 18-8.

См. таблицу 1, 304, 304L, 316 и 316L имеют различные физические, химические и механические свойства из-за добавления легирующих элементов и их количества. По сравнению с обычной нержавеющей сталью, они обладают хорошей коррозионной стойкостью, жаропрочностью и технологичностью. Коррозионная стойкость 304L аналогична стойкости 304, но поскольку содержание углерода в 304L ниже, чем в 304, ее стойкость к межкристаллитной коррозии выше. 316 и 316L - молибденсодержащие нержавеющие стали. Благодаря добавлению молибдена их коррозионная стойкость и жаропрочность выше, чем у 304 и 304L. Точно так же, поскольку содержание углерода в 316L ниже, чем в 316, ее способность противостоять кристаллической коррозии выше. Аустенитные нержавеющие стали, такие как 304, 304L, 316 и 316L, обладают низкой механической прочностью. Предел текучести при комнатной температуре 304 составляет 205 МПа, 304L - 170 МПа; предел текучести при комнатной температуре 316 составляет 210 МПа, а 316L - 200 МПа. Поэтому болты, изготовленные из них, относятся к низкопрочным болтам.

Таблица 1 Содержание углерода, % Предел текучести при комнатной температуре, МПа Рекомендуемая максимальная температура эксплуатации, ℃

304 ≤0.08 205 816

304L ≤0.03 170 538

316 ≤0.08 210 816

316L ≤0.03 200 538

(2) Почему для фланцевых соединений нельзя использовать болты из таких материалов, как 304 и 316?

Как уже говорилось в предыдущих лекциях, во фланцевом соединении, во-первых, под действием внутреннего давления происходит разделение уплотнительных поверхностей двух фланцев, что приводит к соответствующему снижению напряжения прокладки, а во-вторых, ослабление усилия болта из-за релаксации ползучести прокладки или ползучести самого болта при высокой температуре также снижает напряжение прокладки, в результате чего фланцевое соединение протекает и выходит из строя.

В реальных условиях эксплуатации неизбежно ослабление усилия болтов, и первоначальное усилие затяжки болтов всегда будет снижаться со временем. Особенно для фланцевых соединений при высокой температуре и тяжелых условиях эксплуатации, после 10 000 часов работы потеря нагрузки на болт часто превышает 50%, и она ослабевает с течением времени и повышением температуры.

Когда фланец и болт изготовлены из разных материалов, особенно когда фланец изготовлен из углеродистой стали, а болт - 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/℃) больше, чем коэффициент теплового расширения углеродистой стали (11,12×10-5/℃). После нагрева устройства, когда расширение фланца меньше, чем расширение болта, после согласования деформации, удлинение болта уменьшается, что приводит к уменьшению силы болта. Если есть какой-либо люфт, это может привести к утечке во фланцевом соединении. Поэтому при соединении фланца высокотемпературного оборудования и фланца трубы, особенно если коэффициенты теплового расширения материалов фланца и болта различны, коэффициенты теплового расширения двух материалов должны быть как можно ближе.

Из (1) видно, что механическая прочность аустенитной нержавеющей стали, такой как 304 и 316, невысока, и предел текучести при комнатной температуре для 304 составляет всего 205 МПа, а для 316 - 210 МПа. Поэтому, чтобы улучшить антирелаксационную и антиусталостную способность болтов, принимаются меры по увеличению усилия затяжки монтажных болтов. Например, когда максимальное усилие установочных болтов используется в последующем форуме, требуется, чтобы напряжение установочных болтов достигало 70% от предела текучести материала болта, поэтому необходимо повысить класс прочности материала болта и использовать высокопрочные или среднепрочные материалы для болтов из легированной стали. Очевидно, что за исключением чугуна, 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 болта недостаточно, чтобы удовлетворить требования к герметизации.

Особого внимания заслуживает тот факт, что в американском стандарте на болты из нержавеющей стали 304 и 316 есть две категории, а именно B8 Cl.1 и B8 Cl.2 для 304 и B8M Cl.1 и B8M Cl.2 для 316. Материал Cl.1 обрабатывается твердым раствором карбидов, а материал Cl.2 подвергается деформационному упрочнению 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 повышена по сравнению с B8 Cl.1, например, у B8 Cl.2 диаметром 3/4" предел текучести материала болта составляет 550 МПа, тогда как предел текучести материала болта B8 Cl.1 всех диаметров составляет всего 205 МПа, разница между ними более чем в два раза. Отечественные стандарты материала болтов 06Cr19Ni10 (304), 06Cr17Ni12Mo2 (316), а B8 Cl.1 эквивалентен B8M Cl.1. [Примечание: Материал болта S30408 в GB/T 150.3 "Проектирование третьей части сосудов под давлением" эквивалентен B8 Cl.2; S31608 эквивалентен B8M Cl.1.

Ввиду вышеуказанных причин, GB/T 150.3 и GB/T38343 "Технические правила установки фланцевых соединений" предусматривают, что для фланцев оборудования, работающего под давлением, и фланцевых соединений труб не рекомендуется использовать обычные болты из материалов 304 (B8 Cl.1) и 316 (B8M Cl. .1), особенно в условиях высокой температуры и жесткого цикла, их следует заменить на болты B8 Cl.2 (S30408) и B8M Cl.2, чтобы избежать низкой силы затяжки болтов.

Стоит отметить, что при использовании низкопрочных материалов болтов, таких как 304 и 316, даже на этапе установки, поскольку момент затяжки не контролируется, болт может превысить предел текучести материала или даже разрушиться. Естественно, если во время испытания давлением или начала эксплуатации произойдет утечка, даже если болты будут продолжать затягивать, усилие на болтах не увеличится, и утечку невозможно будет остановить. Кроме того, такие болты нельзя использовать повторно после демонтажа, поскольку они подверглись необратимой деформации, а размер поперечного сечения болтов стал меньше, и они могут сломаться после повторной установки.