14 ное 2022
Уплътняване на фланцови съединения - Защо материалът 304 не се препоръчва за болтове?
Когато фланците от въглеродна стомана или неръждаема стомана се използват с болтове от материал 304 при уплътнението на фланцовото съединение, често възникват проблеми с течове по време на работа. Тази лекция ще направи качествен анализ на това.
(1) Какви са основните разлики между материалите 304, 304L, 316 и 316L?
304, 304L, 316 и 316L са марките неръждаема стомана, които обикновено се използват във фланцови съединения, включително фланци, уплътнителни елементи и крепежни елементи.
304, 304L, 316 и 316L са обозначенията от неръждаема стомана на американския стандарт за материали (ANSI или ASTM), които принадлежат към серията 300 аустенитни неръждаеми стомани. Марките, съответстващи на националните стандарти за материали (GB/T), са 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Този тип неръждаема стомана обикновено се нарича неръждаема стомана 18-8.
Виж таблица 1, 304, 304L, 316 и 316L имат различни физични, химични и механични свойства поради добавянето на легиращи елементи и количества. В сравнение с обикновената неръждаема стомана, те имат добра устойчивост на корозия, устойчивост на топлина и производителност на обработка. Устойчивостта на корозия на 304L е подобна на тази на 304, но тъй като съдържанието на въглерод в 304L е по-ниско от това на 304, неговата устойчивост на междукристална корозия е по-силна. 316 и 316L са неръждаеми стомани, съдържащи молибден. Поради добавянето на молибден, тяхната устойчивост на корозия и устойчивост на топлина са по-добри от тези на 304 и 304L. По същия начин, тъй като съдържанието на въглерод в 316L е по-ниско от това на 316, способността му да устои на кристална корозия е по-добра. Аустенитните неръждаеми стомани като 304, 304L, 316 и 316L имат ниска механична якост. Границата на провлачване при стайна температура от 304 е 205MPa, 304L е 170MPa; границата на провлачване при стайна температура от 316 е 210MPa, а 316L е 200MPa. Следователно болтовете, направени от тях, причисляват към болтовете с ниска якост.
Таблица 1 Съдържание на въглерод, % Граница на провлачване при стайна температура, MPa Препоръчителна максимална работна температура, °C
304 ≤0,08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0,08 210 816
316л ≤0,03 200 538
(2) Защо фланцовите съединения не трябва да използват болтове от материали като 304 и 316?
Както бе споменато в предишните лекции, фланцовото съединение първо разделя уплътнителните повърхности на двата фланца поради действието на вътрешно налягане, което води до съответно намаляване на напрежението на уплътнението, и второ, отпускането на силата на болта поради отпускането на пълзене на уплътнението или пълзенето на самия болт при висока температура, също така намалява напрежението на уплътнението, така че фланцовото съединение изтича и се проваля.
При действителна работа отпускането на силата на болта е неизбежно и първоначалната сила на затягане на болта винаги ще спада с времето. Особено за фланцови съединения при висока температура и тежки условия на цикъл, след 10 000 часа работа, загубата на натоварване на болта често надвишава 50% и ще отслабне с продължаването на времето и повишаването на температурата.
Когато фланецът и болтът са изработени от различни материали, особено когато фланецът е направен от въглеродна стомана и болтът е от неръждаема стомана, коефициентът на топлинно разширение 2 на материала на болта и фланеца е различен, като коефициентът на топлинно разширение на неръждаемата стомана при 50°C (16.51×10-5/ °C) е по-голям от коефициента на топлинно разширение на въглеродната стомана (11.12×10-5/°C). След като устройството се нагрее, когато разширението на фланеца е по-малко от разширението на болта, след координиране на деформацията, удължението на болта намалява, което води до намаляване на силата на болта. Ако има някакво разхлабване, това може да причини изтичане във фланцовото съединение. Следователно, когато фланецът на високотемпературното оборудване и фланецът на тръбата са свързани, особено коефициентите на топлинно разширение на материалите на фланеца и болта са различни, коефициентите на топлинно разширение на двата материала трябва да бъдат възможно най-близки.
От (1) се вижда, че механичната якост на аустенитната неръждаема стомана като 304 и 316 е ниска, а границата на провлачване при стайна температура от 304 е само 205MPa, а тази на 316 е само 210MPa. Следователно, за да се подобри способността на болтовете против релаксация и умора се предприемат мерки за увеличаване на силата на болта на монтажните болтове. Например, когато максималната сила на монтажния болт се използва в последвалия форум, се изисква напрежението на монтажните болтове да достигне 70% от границата на провлачване на материала на болта, така че степента на якост на материала на болта трябва да бъде подобрена и да се използват болтове от високоякостна или средна якост. Очевидно е, че с изключение на чугунени, неметални фланци или гумени уплътнения, за полуметални и метални уплътнения с фланци с по-високо налягане или уплътнения с по-голямо напрежение, болтове, изработени от материали с ниска якост като 304 и 316, поради силата на болта Не е достатъчно, за да отговори на изискванията за уплътняване.
Това, което се нуждае от специално внимание тук, е, че в американския стандарт за материали за болтове от неръждаема стомана 304 и 316 имат две категории, а именно B8 Cl.1 и B8 Cl.2 от 304 и B8M Cl.1 и B8M Cl.2 от 316. Cl.1 е твърд разтвор, обработен с карбиди, докато Cl.2 се подлага на третиране с укрепване на напрежението в допълнение към третирането с твърд разтвор. Въпреки че няма фундаментална разлика в химическата устойчивост между B8 Cl.2 и B8 Cl.1, механичната якост на B8 Cl.2 е значително подобрена в сравнение с B8 Cl.1, като B8 Cl.2 с диаметър 3/4" Границата на провлачване на материала на болта е 550MPa, докато границата на провлачване на материала на болта B8 Cl.1 от всички диаметри е само 205MPa, разликата между двете е повече от два пъти. Вътрешните стандарти за материал на болтовете 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) и B8 Cl.1 са еквивалентни на B8M Cl.1. [Забележка: Материалът на болта S30408 в GB/T 150.3 "Конструкция на съда под налягане, част три" е еквивалентен на B8 Cl.2; S31608 е еквивалентен на B8M Cl.1.
С оглед на горните причини, GB/T 150.3 и GB/T38343 "Технически регламенти за монтаж на фланцови съединения" предвиждат, че фланците на оборудването под налягане и фланцовите съединения на тръбите не се препоръчват да се използват обичайните 304 (B8 Cl.1) и 316 (B8M Cl. . 1) Болтовете на материалите, особено при висока температура и тежки условия на цикъл, трябва да бъдат заменени с B8 Cl.2 (S30408) и B8M Cl.2, за да се избегне ниска сила на монтажния болт.
Струва си да се отбележи, че когато се използват болтови материали с ниска якост като 304 и 316, дори по време на етапа на монтаж, тъй като въртящият момент не се контролира, болтът може да е надвишил границата на провлачване на материала или дори да се е счупил. Естествено, ако по време на изпитването под налягане или началото на работа възникне теч, дори ако болтовете продължат да се затягат, силата на болта няма да се увеличи и изтичането не може да бъде спряно. Освен това тези болтове не могат да се използват повторно след разглобяване, тъй като болтовете са претърпели трайна деформация и размерът на напречното сечение на болтовете е станал по-малък и те са склонни към счупване след преинсталиране.
(1) Какви са основните разлики между материалите 304, 304L, 316 и 316L?
304, 304L, 316 и 316L са марките неръждаема стомана, които обикновено се използват във фланцови съединения, включително фланци, уплътнителни елементи и крепежни елементи.
304, 304L, 316 и 316L са обозначенията от неръждаема стомана на американския стандарт за материали (ANSI или ASTM), които принадлежат към серията 300 аустенитни неръждаеми стомани. Марките, съответстващи на националните стандарти за материали (GB/T), са 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Този тип неръждаема стомана обикновено се нарича неръждаема стомана 18-8.
Виж таблица 1, 304, 304L, 316 и 316L имат различни физични, химични и механични свойства поради добавянето на легиращи елементи и количества. В сравнение с обикновената неръждаема стомана, те имат добра устойчивост на корозия, устойчивост на топлина и производителност на обработка. Устойчивостта на корозия на 304L е подобна на тази на 304, но тъй като съдържанието на въглерод в 304L е по-ниско от това на 304, неговата устойчивост на междукристална корозия е по-силна. 316 и 316L са неръждаеми стомани, съдържащи молибден. Поради добавянето на молибден, тяхната устойчивост на корозия и устойчивост на топлина са по-добри от тези на 304 и 304L. По същия начин, тъй като съдържанието на въглерод в 316L е по-ниско от това на 316, способността му да устои на кристална корозия е по-добра. Аустенитните неръждаеми стомани като 304, 304L, 316 и 316L имат ниска механична якост. Границата на провлачване при стайна температура от 304 е 205MPa, 304L е 170MPa; границата на провлачване при стайна температура от 316 е 210MPa, а 316L е 200MPa. Следователно болтовете, направени от тях, причисляват към болтовете с ниска якост.
Таблица 1 Съдържание на въглерод, % Граница на провлачване при стайна температура, MPa Препоръчителна максимална работна температура, °C
304 ≤0,08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0,08 210 816
316л ≤0,03 200 538
(2) Защо фланцовите съединения не трябва да използват болтове от материали като 304 и 316?
Както бе споменато в предишните лекции, фланцовото съединение първо разделя уплътнителните повърхности на двата фланца поради действието на вътрешно налягане, което води до съответно намаляване на напрежението на уплътнението, и второ, отпускането на силата на болта поради отпускането на пълзене на уплътнението или пълзенето на самия болт при висока температура, също така намалява напрежението на уплътнението, така че фланцовото съединение изтича и се проваля.
При действителна работа отпускането на силата на болта е неизбежно и първоначалната сила на затягане на болта винаги ще спада с времето. Особено за фланцови съединения при висока температура и тежки условия на цикъл, след 10 000 часа работа, загубата на натоварване на болта често надвишава 50% и ще отслабне с продължаването на времето и повишаването на температурата.
Когато фланецът и болтът са изработени от различни материали, особено когато фланецът е направен от въглеродна стомана и болтът е от неръждаема стомана, коефициентът на топлинно разширение 2 на материала на болта и фланеца е различен, като коефициентът на топлинно разширение на неръждаемата стомана при 50°C (16.51×10-5/ °C) е по-голям от коефициента на топлинно разширение на въглеродната стомана (11.12×10-5/°C). След като устройството се нагрее, когато разширението на фланеца е по-малко от разширението на болта, след координиране на деформацията, удължението на болта намалява, което води до намаляване на силата на болта. Ако има някакво разхлабване, това може да причини изтичане във фланцовото съединение. Следователно, когато фланецът на високотемпературното оборудване и фланецът на тръбата са свързани, особено коефициентите на топлинно разширение на материалите на фланеца и болта са различни, коефициентите на топлинно разширение на двата материала трябва да бъдат възможно най-близки.
От (1) се вижда, че механичната якост на аустенитната неръждаема стомана като 304 и 316 е ниска, а границата на провлачване при стайна температура от 304 е само 205MPa, а тази на 316 е само 210MPa. Следователно, за да се подобри способността на болтовете против релаксация и умора се предприемат мерки за увеличаване на силата на болта на монтажните болтове. Например, когато максималната сила на монтажния болт се използва в последвалия форум, се изисква напрежението на монтажните болтове да достигне 70% от границата на провлачване на материала на болта, така че степента на якост на материала на болта трябва да бъде подобрена и да се използват болтове от високоякостна или средна якост. Очевидно е, че с изключение на чугунени, неметални фланци или гумени уплътнения, за полуметални и метални уплътнения с фланци с по-високо налягане или уплътнения с по-голямо напрежение, болтове, изработени от материали с ниска якост като 304 и 316, поради силата на болта Не е достатъчно, за да отговори на изискванията за уплътняване.
Това, което се нуждае от специално внимание тук, е, че в американския стандарт за материали за болтове от неръждаема стомана 304 и 316 имат две категории, а именно B8 Cl.1 и B8 Cl.2 от 304 и B8M Cl.1 и B8M Cl.2 от 316. Cl.1 е твърд разтвор, обработен с карбиди, докато Cl.2 се подлага на третиране с укрепване на напрежението в допълнение към третирането с твърд разтвор. Въпреки че няма фундаментална разлика в химическата устойчивост между B8 Cl.2 и B8 Cl.1, механичната якост на B8 Cl.2 е значително подобрена в сравнение с B8 Cl.1, като B8 Cl.2 с диаметър 3/4" Границата на провлачване на материала на болта е 550MPa, докато границата на провлачване на материала на болта B8 Cl.1 от всички диаметри е само 205MPa, разликата между двете е повече от два пъти. Вътрешните стандарти за материал на болтовете 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) и B8 Cl.1 са еквивалентни на B8M Cl.1. [Забележка: Материалът на болта S30408 в GB/T 150.3 "Конструкция на съда под налягане, част три" е еквивалентен на B8 Cl.2; S31608 е еквивалентен на B8M Cl.1.
С оглед на горните причини, GB/T 150.3 и GB/T38343 "Технически регламенти за монтаж на фланцови съединения" предвиждат, че фланците на оборудването под налягане и фланцовите съединения на тръбите не се препоръчват да се използват обичайните 304 (B8 Cl.1) и 316 (B8M Cl. . 1) Болтовете на материалите, особено при висока температура и тежки условия на цикъл, трябва да бъдат заменени с B8 Cl.2 (S30408) и B8M Cl.2, за да се избегне ниска сила на монтажния болт.
Струва си да се отбележи, че когато се използват болтови материали с ниска якост като 304 и 316, дори по време на етапа на монтаж, тъй като въртящият момент не се контролира, болтът може да е надвишил границата на провлачване на материала или дори да се е счупил. Естествено, ако по време на изпитването под налягане или началото на работа възникне теч, дори ако болтовете продължат да се затягат, силата на болта няма да се увеличи и изтичането не може да бъде спряно. Освен това тези болтове не могат да се използват повторно след разглобяване, тъй като болтовете са претърпели трайна деформация и размерът на напречното сечение на болтовете е станал по-малък и те са склонни към счупване след преинсталиране.