14. nov. 2022
Flangefugetætning - Hvorfor anbefales 304-materiale ikke til bolte?
Når flanger af kulstofstål eller rustfrit stål anvendes med 304 materialebolte i flangesamlingstætning, opstår der ofte lækageproblemer under drift. Dette foredrag vil lave en kvalitativ analyse af dette.
(1) Hvad er de grundlæggende forskelle mellem 304, 304L, 316 og 316L materialer?
304, 304L, 316 og 316L er de rustfri stålkvaliteter, der almindeligvis bruges i flangesamlinger, herunder flanger, tætningselementer og fastgørelseselementer.
304, 304L, 316 og 316L er betegnelserne for rustfrit stål i American Standard for Materials (ANSI eller ASTM), som tilhører 300-serien af austenitisk rustfrit stål. Kvaliteterne svarende til de indenlandske materialestandarder (GB/T) er 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Denne type rustfrit stål omtales normalt samlet som 18-8 rustfrit stål.
Se tabel 1, 304, 304L, 316 og 316L har forskellige fysiske, kemiske og mekaniske egenskaber på grund af tilsætning af legeringselementer og mængder. Sammenlignet med almindeligt rustfrit stål har de god korrosionsbestandighed, varmebestandighed og forarbejdningsydelse. Korrosionsbestandigheden af 304L svarer til 304, men fordi kulstofindholdet i 304L er lavere end 304, er dets modstandsdygtighed over for intergranulær korrosion stærkere. 316 og 316L er molybdænholdigt rustfrit stål. På grund af tilsætningen af molybdæn er deres korrosionsbestandighed og varmebestandighed bedre end 304 og 304L. På samme måde, fordi kulstofindholdet i 316L er lavere end 316, er dets evne til at modstå krystalkorrosion bedre. Austenitiske rustfri stål som 304, 304L, 316 og 316L har lav mekanisk styrke. Rumtemperaturens flydespænding på 304 er 205MPa, 304L er 170MPa; rumtemperaturens flydespænding på 316 er 210MPa, og 316L er 200MPa. Derfor hører boltene lavet af dem til bolte med lav styrke.
Tabel 1 Kulstofindhold, % flydespænding ved rumtemperatur, MPa Anbefalet maksimal driftstemperatur, °C
304 ≤0,08 205 816
304L ≤0,03 170 538
316 ≤0,08 210 816
316L ≤0,03 200 538
(2) Hvorfor bør flangesamlinger ikke bruge bolte af materialer som 304 og 316?
Som nævnt i de foregående forelæsninger adskiller flangeforbindelsen for det første tætningsfladerne på de to flanger på grund af virkningen af indre tryk, hvilket resulterer i et tilsvarende fald i pakningens spænding, og for det andet afslapningen af boltkraften på grund af krybeafslapningen af pakningen eller krybningen af selve bolten ved høj temperatur, reducerer også pakningens belastning, så flangeforbindelsen lækker og svigter.
Ved faktisk drift er boltkraftafslapning uundgåelig, og den indledende tilspændingsboltkraft vil altid falde over tid. Især for flangesamlinger under høje temperaturer og svære cyklusforhold, efter 10.000 timers drift, vil boltbelastningstabet ofte overstige 50%, og det vil dæmpes med fortsættelsen af tiden og temperaturstigningen.
Når flangen og bolten er lavet af forskellige materialer, især når flangen er lavet af kulstofstål, og bolten er lavet af rustfrit stål, er den termiske ekspansionskoefficient 2 for boltens materiale og flangen forskellig, såsom den termiske ekspansionskoefficient for rustfrit stål ved 50 °C (16,51×10-5 / °C) er større end den termiske ekspansionskoefficient for kulstofstål (11,12×10-5 / °C). Efter at enheden er opvarmet, når udvidelsen af flangen er mindre end udvidelsen af bolten, efter at deformationen er koordineret, falder boltens forlængelse, hvilket får boltens kraft til at falde. Hvis der er løshed, kan det forårsage lækage i flangeleddet. Derfor, når højtemperaturudstyrsflangen og rørflangen er forbundet, især de termiske ekspansionskoefficienter for flangen og boltmaterialerne er forskellige, skal de to materialers termiske ekspansionskoefficienter være så tæt som muligt.
Det kan ses af (1), at den mekaniske styrke af austenitisk rustfrit stål som 304 og 316 er lav, og rumtemperaturflydespændingen på 304 er kun 205 MPa, og den på 316 er kun 210 MPa. For at forbedre boltenes anti-afslapnings- og anti-træthedsevne træffes der derfor foranstaltninger til at øge boltkraften af installationsboltene. For eksempel, når den maksimale installationsboltkraft bruges i opfølgningsforummet, kræves det, at belastningen af installationsboltene når 70% af boltmaterialets flydespænding, så boltmaterialets styrkegrad skal forbedres, og der anvendes højstyrke eller mellemstyrke legeret stålboltmaterialer. Naturligvis, bortset fra støbejern, ikke-metalliske flanger eller gummipakninger, til semi-metalliske og metalpakninger med flanger med højere trykkvalitet eller pakninger med større belastning, bolte lavet af lavstyrkematerialer som 304 og 316 på grund af boltkraft Ikke nok til at opfylde tætningskravene.
Det, der kræver særlig opmærksomhed her, er, at i den amerikanske standard for rustfrit stålboltmateriale har 304 og 316 to kategorier, nemlig B8 Cl.1 og B8 Cl.2 af 304 og B8M Cl.1 og B8M Cl.2 af 316. Cl.1 er fast opløsning behandlet med carbider, mens Cl.2 gennemgår belastningsforstærkningsbehandling ud over behandling med fast opløsning. Selvom der ikke er nogen grundlæggende forskel i kemisk resistens mellem B8 Cl.2 og B8 Cl.1, er den mekaniske styrke af B8 Cl.2 betydeligt forbedret i forhold til B8 Cl.1, såsom B8 Cl.2 med en diameter på 3/4" Flydespændingen af boltmaterialet er 550MPa, mens flydespændingen af B8 Cl.1 boltmaterialet med alle diametre kun er 205MPa, Forskellen mellem de to er mere end det dobbelte. De indenlandske boltmaterialestandarder 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) og B8 Cl.1 svarer til B8M Cl.1. [Bemærk: Boltmaterialet S30408 i GB/T 150.3 "Trykbeholder del tre Design" svarer til B8 Cl.2; S31608 svarer til B8M Cl.1.
I lyset af ovenstående grunde foreskriver GB/T 150.3 og GB/T38343 "Tekniske forskrifter for flangesamlingsinstallation", at flangerne på trykbærende udstyr og rørflangesamlinger ikke anbefales at bruge de sædvanlige 304 (B8 Cl.1) og 316 (B8M Cl. . 1) Bolte af materialer, især ved høje temperaturer og svære cyklusforhold, bør udskiftes med B8 Cl.2 (S30408) og B8M Cl.2 for at undgå lav installationsboltkraft.
Det er værd at bemærke, at når der anvendes boltmaterialer med lav styrke som 304 og 316, selv under installationsfasen, fordi drejningsmomentet ikke kontrolleres, kan bolten have overskredet materialets flydespænding eller endda brudt. Hvis der opstår lækage under tryktesten eller driftsstart, selvom boltene fortsætter med at blive spændt, vil boltkraften naturligvis ikke stige, og lækagen kan ikke stoppes. Derudover kan disse bolte ikke genbruges efter adskillelse, fordi boltene har gennemgået permanent deformation, og boltenes tværsnitsstørrelse er blevet mindre, og de er tilbøjelige til at gå i stykker efter geninstallation.
(1) Hvad er de grundlæggende forskelle mellem 304, 304L, 316 og 316L materialer?
304, 304L, 316 og 316L er de rustfri stålkvaliteter, der almindeligvis bruges i flangesamlinger, herunder flanger, tætningselementer og fastgørelseselementer.
304, 304L, 316 og 316L er betegnelserne for rustfrit stål i American Standard for Materials (ANSI eller ASTM), som tilhører 300-serien af austenitisk rustfrit stål. Kvaliteterne svarende til de indenlandske materialestandarder (GB/T) er 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Denne type rustfrit stål omtales normalt samlet som 18-8 rustfrit stål.
Se tabel 1, 304, 304L, 316 og 316L har forskellige fysiske, kemiske og mekaniske egenskaber på grund af tilsætning af legeringselementer og mængder. Sammenlignet med almindeligt rustfrit stål har de god korrosionsbestandighed, varmebestandighed og forarbejdningsydelse. Korrosionsbestandigheden af 304L svarer til 304, men fordi kulstofindholdet i 304L er lavere end 304, er dets modstandsdygtighed over for intergranulær korrosion stærkere. 316 og 316L er molybdænholdigt rustfrit stål. På grund af tilsætningen af molybdæn er deres korrosionsbestandighed og varmebestandighed bedre end 304 og 304L. På samme måde, fordi kulstofindholdet i 316L er lavere end 316, er dets evne til at modstå krystalkorrosion bedre. Austenitiske rustfri stål som 304, 304L, 316 og 316L har lav mekanisk styrke. Rumtemperaturens flydespænding på 304 er 205MPa, 304L er 170MPa; rumtemperaturens flydespænding på 316 er 210MPa, og 316L er 200MPa. Derfor hører boltene lavet af dem til bolte med lav styrke.
Tabel 1 Kulstofindhold, % flydespænding ved rumtemperatur, MPa Anbefalet maksimal driftstemperatur, °C
304 ≤0,08 205 816
304L ≤0,03 170 538
316 ≤0,08 210 816
316L ≤0,03 200 538
(2) Hvorfor bør flangesamlinger ikke bruge bolte af materialer som 304 og 316?
Som nævnt i de foregående forelæsninger adskiller flangeforbindelsen for det første tætningsfladerne på de to flanger på grund af virkningen af indre tryk, hvilket resulterer i et tilsvarende fald i pakningens spænding, og for det andet afslapningen af boltkraften på grund af krybeafslapningen af pakningen eller krybningen af selve bolten ved høj temperatur, reducerer også pakningens belastning, så flangeforbindelsen lækker og svigter.
Ved faktisk drift er boltkraftafslapning uundgåelig, og den indledende tilspændingsboltkraft vil altid falde over tid. Især for flangesamlinger under høje temperaturer og svære cyklusforhold, efter 10.000 timers drift, vil boltbelastningstabet ofte overstige 50%, og det vil dæmpes med fortsættelsen af tiden og temperaturstigningen.
Når flangen og bolten er lavet af forskellige materialer, især når flangen er lavet af kulstofstål, og bolten er lavet af rustfrit stål, er den termiske ekspansionskoefficient 2 for boltens materiale og flangen forskellig, såsom den termiske ekspansionskoefficient for rustfrit stål ved 50 °C (16,51×10-5 / °C) er større end den termiske ekspansionskoefficient for kulstofstål (11,12×10-5 / °C). Efter at enheden er opvarmet, når udvidelsen af flangen er mindre end udvidelsen af bolten, efter at deformationen er koordineret, falder boltens forlængelse, hvilket får boltens kraft til at falde. Hvis der er løshed, kan det forårsage lækage i flangeleddet. Derfor, når højtemperaturudstyrsflangen og rørflangen er forbundet, især de termiske ekspansionskoefficienter for flangen og boltmaterialerne er forskellige, skal de to materialers termiske ekspansionskoefficienter være så tæt som muligt.
Det kan ses af (1), at den mekaniske styrke af austenitisk rustfrit stål som 304 og 316 er lav, og rumtemperaturflydespændingen på 304 er kun 205 MPa, og den på 316 er kun 210 MPa. For at forbedre boltenes anti-afslapnings- og anti-træthedsevne træffes der derfor foranstaltninger til at øge boltkraften af installationsboltene. For eksempel, når den maksimale installationsboltkraft bruges i opfølgningsforummet, kræves det, at belastningen af installationsboltene når 70% af boltmaterialets flydespænding, så boltmaterialets styrkegrad skal forbedres, og der anvendes højstyrke eller mellemstyrke legeret stålboltmaterialer. Naturligvis, bortset fra støbejern, ikke-metalliske flanger eller gummipakninger, til semi-metalliske og metalpakninger med flanger med højere trykkvalitet eller pakninger med større belastning, bolte lavet af lavstyrkematerialer som 304 og 316 på grund af boltkraft Ikke nok til at opfylde tætningskravene.
Det, der kræver særlig opmærksomhed her, er, at i den amerikanske standard for rustfrit stålboltmateriale har 304 og 316 to kategorier, nemlig B8 Cl.1 og B8 Cl.2 af 304 og B8M Cl.1 og B8M Cl.2 af 316. Cl.1 er fast opløsning behandlet med carbider, mens Cl.2 gennemgår belastningsforstærkningsbehandling ud over behandling med fast opløsning. Selvom der ikke er nogen grundlæggende forskel i kemisk resistens mellem B8 Cl.2 og B8 Cl.1, er den mekaniske styrke af B8 Cl.2 betydeligt forbedret i forhold til B8 Cl.1, såsom B8 Cl.2 med en diameter på 3/4" Flydespændingen af boltmaterialet er 550MPa, mens flydespændingen af B8 Cl.1 boltmaterialet med alle diametre kun er 205MPa, Forskellen mellem de to er mere end det dobbelte. De indenlandske boltmaterialestandarder 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) og B8 Cl.1 svarer til B8M Cl.1. [Bemærk: Boltmaterialet S30408 i GB/T 150.3 "Trykbeholder del tre Design" svarer til B8 Cl.2; S31608 svarer til B8M Cl.1.
I lyset af ovenstående grunde foreskriver GB/T 150.3 og GB/T38343 "Tekniske forskrifter for flangesamlingsinstallation", at flangerne på trykbærende udstyr og rørflangesamlinger ikke anbefales at bruge de sædvanlige 304 (B8 Cl.1) og 316 (B8M Cl. . 1) Bolte af materialer, især ved høje temperaturer og svære cyklusforhold, bør udskiftes med B8 Cl.2 (S30408) og B8M Cl.2 for at undgå lav installationsboltkraft.
Det er værd at bemærke, at når der anvendes boltmaterialer med lav styrke som 304 og 316, selv under installationsfasen, fordi drejningsmomentet ikke kontrolleres, kan bolten have overskredet materialets flydespænding eller endda brudt. Hvis der opstår lækage under tryktesten eller driftsstart, selvom boltene fortsætter med at blive spændt, vil boltkraften naturligvis ikke stige, og lækagen kan ikke stoppes. Derudover kan disse bolte ikke genbruges efter adskillelse, fordi boltene har gennemgået permanent deformation, og boltenes tværsnitsstørrelse er blevet mindre, og de er tilbøjelige til at gå i stykker efter geninstallation.