Когда фланцы из углеродистой или нержавеющей стали оснащены болтами из материала 304 для уплотнения фланцевого соединения, во время работы часто возникают проблемы с утечками. Данная лекция предоставит качественный анализ этого.

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

304, 304L, 316 и 316L — это обычно используемые материалы из нержавеющей стали во фланцевых соединениях (включая фланцы, уплотнительные элементы и крепежные детали).

304, 304L, 316 и 316L — это коды марок нержавеющей стали в Американских стандартах на материалы (ANSI или ASTM), относящиеся к аустенитной нержавеющей стали 300 категории

стали серии I. Какая марка соответствует отечественному стандарту материалов (GB/T)

06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2

(316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Обычно этот тип нержавеющей стали вместе называют нержавеющей сталью 18-8.

См. таблицы 1304, 304L, 316 и 316L. Из-за различной добавки и количества легирующих элементов различаются и их физические, химические и механические свойства. По сравнению с обычной нержавеющей сталью они обладают хорошей коррозионной стойкостью, термостойкостью и производительностью обработки. Коррозионная стойкость 304L аналогична 304, но из-за более низкого содержания углерода он обладает более высокой устойчивостью к межкристаллитной коррозии. 316 и 316L представляют собой молибденсодержащие нержавеющие стали, а благодаря добавлению молибдена их коррозионная и жаростойкость превосходят стали 304 и 304L. Аналогичным образом, из-за более низкого содержания углерода в 316L по сравнению с 316, его устойчивость к коррозии кристаллов выше. 304, 304Л, 316 и 316Л

Таблица 1 Содержание углерода, % Комнатная температура Предел текучести, МПа Рекомендуемая максимальная рабочая температура, ℃
304 ≤ 0,08 205 816

304L ≤ 0,03 170 538

316 ≤ 0,08 210 816

316L ≤ 0,03 200 538

(2) Почему в фланцевых соединениях не следует использовать болты из таких материалов, как 304 и 316?

Как упоминалось ранее, фланцевое соединение возникает в результате разделения уплотнительных поверхностей двух фланцев из-за внутреннего давления, что приводит к соответствующему снижению напряжения на прокладке. Во-вторых, это вызвано релаксацией ползучести прокладки или ползучести болта под действием высокой температуры, что также приводит к уменьшению напряжений в прокладке, что приводит к негерметичности и разрушению фланцевого соединения.


В реальной эксплуатации ослабление усилия болта неизбежно, и первоначальное усилие затяжки болта всегда будет падать со временем. Особенно для фланцевых соединений, находящихся в условиях высоких температур и тяжелых циклических условий, после 10 000 часов работы потеря нагрузки болта часто превышает 50% и снижается с течением времени и с 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 материалов болта и фланца различен, например, коэффициент теплового расширения нержавеющая сталь при 50 ℃ (16,51 × Коэффициент термического расширения углеродистой стали (11,12) при соотношении 10 к 5/℃ × При расширении фланца меньше, чем у болта после нагрева устройства (10 -5/℃), после координации деформации уменьшение удлинения болта может вызвать ослабление силы болта, что может привести к негерметичности фланцевого соединения. Поэтому при соединении фланцев высокотемпературного оборудования и фланцев труб, особенно при тепловом расширении коэффициенты материалов фланцев и болтов разные, постарайтесь сделать коэффициенты теплового расширения двух материалов как можно ближе.

Как показано в (1), механическая прочность аустенитных нержавеющих сталей, таких как 304 и 316, низкая: предел текучести при комнатной температуре составляет всего 205 МПа для 304 и 210 МПа для 316. Поэтому, чтобы улучшить способность болтов Чтобы противостоять расслаблению и усталости, следует принять меры по увеличению усилия установочного болта. Например, в последующей лекции будет упомянуто, что при использовании максимального усилия установочного болта напряжение установочного болта должно достигать 70% предела текучести материала болта. Следовательно, необходимо повысить класс прочности материала болта и использовать болтовые материалы из легированной стали высокой или средней прочности. Очевидно, что, за исключением чугуна, неметаллических фланцев или резиновых прокладок, материалы с низкой прочностью, такие как болты 304 и 316, не могут соответствовать требованиям к уплотнению из-за недостаточной силы болта для полуметаллических и металлических прокладок с фланцами, рассчитанными на высокое давление или прокладки с высокими нагрузками.

Здесь следует обратить особое внимание на то, что в американском стандарте на материалы болтов из нержавеющей стали есть две категории для 304 и 316, а именно B8 Cl.1 и B8 Cl.2 для 304 и B8M Cl.1 и B8M Cl.2 для 316. Cl.1 подвергается обработке раствором карбида, а Cl.2 подвергается деформационному упрочнению в дополнение к обработке раствором. Хотя фундаментальной разницы в стойкости к химической коррозии между B8 Cl.2 и B8 Cl.1 нет, механическая прочность B8 Cl.2 значительно улучшена по сравнению с B8 Cl.1. Например, предел текучести болтового материала В8 кл.2 диаметром 3/4" составляет 550МПа, тогда как предел текучести всех болтовых материалов диаметра В8 кл.1 составляет всего 205МПа, что более чем в два раза превышает разницу между 2. 06Cr19Ni10 (304) и 06Cr17Ni12Mo2 (316) в отечественных стандартах на материалы болтов эквивалентны B8, класс 1 и B8M, класс 1. [Примечание: материал болта S30408 ​​в GB/T 150.3 «Проектирование сосудов под давлением, часть III». эквивалентен B8 кл.2, S31608 эквивалентен B8M кл.1.].

По вышеуказанным причинам GB/T 150.3 и GB/T38343 «Технический регламент установки фланцевых соединений» предусматривают, что не рекомендуется использовать обычные 304 (B8 кл.1) и 316 (B8M кл.1) болты для фланцев оборудования, работающего под давлением, и фланцевых соединений труб. Особенно при высоких температурах и тяжелых циклических условиях их следует заменять на B8, класс 2 (S30408) и B8M, класс 2, чтобы избежать низкого усилия установочного болта.


Стоит отметить, что при использовании высокопрочных материалов болтов, таких как 304 и 316, и даже на этапе установки из-за отсутствия контроля крутящего момента болт мог превысить предел текучести материала и даже сломаться. Естественно, если утечка произойдет во время испытания под давлением или во время эксплуатации, даже если болты будут затянуты дальше, усилие болта не сможет увеличиться и не сможет предотвратить утечку. Кроме того, эти болты нельзя использовать повторно после разборки, так как они уже подверглись остаточной деформации, а размер поперечного сечения болтов уменьшился, что позволяет легко сломать их при повторной установке.