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，在運行狀態(tài)時常會發(fā)生泄漏問題。昌暉儀表在本文對304和316材質螺栓不推薦用于法蘭接頭密封作一定性的剖析。
1、304、304L、316和316L材料有什么基本區(qū)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)。通常把這類不銹鋼統(tǒng)稱為18-8不銹鋼。
參見表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一類奧氏體不銹鋼的力學強度低，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
螺栓材質 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隨時間而有所跌落。特別是處于高溫和劇烈循環(huán)工況的法蘭接頭，經過10000小時運行后，螺栓載荷損失常會超過50%，并隨時間的延續(xù)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，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，在變形協調后，螺栓伸長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，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。
由第1項可見，304和316這一類奧氏體不銹鋼的力學強度低，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，如采用最大安裝螺栓力時，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，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。
這里需要特別關注的是在美國不銹鋼螺栓材料標準中304和316分別有兩個類別，即304的B8 Cl.1和B8 Cl.2以及316的B8M Cl.1和B8M Cl.2。Cl.1是經過碳化物固溶處理，而Cl.2除固溶處理外，還經過 應變強化處理。雖然B8 Cl.2和B8 Cl.1在耐化學腐蝕性上沒有根本區(qū)別，但相對B8 Cl.1，B8 Cl.2的力學強度獲得相當提高，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/T150.3和GB/T38343《法蘭接頭安裝技術規(guī)定》中規(guī)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這類低強度螺栓材料，甚至在安裝階段，由于沒有對扭矩進行控制，螺栓可能已超過材料屈服強度，甚至發(fā)生斷裂。自然，若耐壓試驗或開始運行就出現了泄漏，即使繼續(xù)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，因螺栓已經產生了永久變形，螺栓截面尺寸變小，再安裝就容易發(fā)生擰斷。
304和316材質螺栓不推薦用于法蘭接頭密封的原因在本文已做詳細介紹，文章內容到此結束，歡迎您繼續(xù)關注技術文庫的其他干貨技術文章。
