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.
When the flange and the bolt are made of different materials, especially when the flange is made of carbon steel and the bolt is made of stainless steel, the coefficient of thermal expansion 2 of the material of the bolt and the flange is different, such as the thermal expansion coefficient of stainless steel at 50°C (16.51×10-5/ ℃) is larger than the thermal expansion coefficient of carbon steel (11.12×10-5/℃). After the device is heated up, when the expansion of the flange is smaller than the expansion of the bolt, after the deformation is coordinated, the elongation of the bolt decreases, causing the force of the bolt to decrease. If there is any looseness, it may cause leakage in the flange joint. Therefore, when the high-temperature equipment flange and pipe flange are connected, especially the thermal expansion coefficients of the flange and bolt materials are different, the thermal expansion coefficients of the two materials should be as close as possible.
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.
What needs special attention here is that in the American stainless steel bolt material standard, 304 and 316 have two categories, namely B8 Cl.1 and B8 Cl.2 of 304 and B8M Cl.1 and B8M Cl.2 of 316. Cl.1 is solid solution treated with carbides, while Cl.2 undergoes strain strengthening treatment in addition to solid solution treatment. Although there is no fundamental difference in chemical resistance between B8 Cl.2 and B8 Cl.1, the mechanical strength of B8 Cl.2 is considerably improved relative to B8 Cl.1, such as B8 Cl.2 with a diameter of 3/4" The yield strength of the bolt material is 550MPa, while the yield strength of the B8 Cl.1 bolt material of all diameters is only 205MPa, the difference between the two is more than twice. The domestic bolt material standards 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316), and B8 Cl.1 is equivalent to B8M Cl.1. [Note: The bolt material S30408 in GB/T 150.3 "Pressure Vessel Part Three Design" is equivalent to B8 Cl.2; S31608 is equivalent to B8M Cl.1.
In view of the above reasons, GB/T 150.3 and GB/T38343 "Technical Regulations for Flange Joint Installation" stipulate that the flanges of pressure equipment and pipe flange joints are not recommended to use the usual 304 (B8 Cl.1) and 316 (B8M Cl. .1) Bolts of materials, especially in high temperature and severe cycle conditions, should be replaced with B8 Cl.2 (S30408) and B8M Cl.2 to avoid low installation bolt force.
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.
When the flange and the bolt are made of different materials, especially when the flange is made of carbon steel and the bolt is made of stainless steel, the coefficient of thermal expansion 2 of the material of the bolt and the flange is different, such as the thermal expansion coefficient of stainless steel at 50°C (16.51×10-5/ ℃) is larger than the thermal expansion coefficient of carbon steel (11.12×10-5/℃). After the device is heated up, when the expansion of the flange is smaller than the expansion of the bolt, after the deformation is coordinated, the elongation of the bolt decreases, causing the force of the bolt to decrease. If there is any looseness, it may cause leakage in the flange joint. Therefore, when the high-temperature equipment flange and pipe flange are connected, especially the thermal expansion coefficients of the flange and bolt materials are different, the thermal expansion coefficients of the two materials should be as close as possible.
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.
What needs special attention here is that in the American stainless steel bolt material standard, 304 and 316 have two categories, namely B8 Cl.1 and B8 Cl.2 of 304 and B8M Cl.1 and B8M Cl.2 of 316. Cl.1 is solid solution treated with carbides, while Cl.2 undergoes strain strengthening treatment in addition to solid solution treatment. Although there is no fundamental difference in chemical resistance between B8 Cl.2 and B8 Cl.1, the mechanical strength of B8 Cl.2 is considerably improved relative to B8 Cl.1, such as B8 Cl.2 with a diameter of 3/4" The yield strength of the bolt material is 550MPa, while the yield strength of the B8 Cl.1 bolt material of all diameters is only 205MPa, the difference between the two is more than twice. The domestic bolt material standards 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316), and B8 Cl.1 is equivalent to B8M Cl.1. [Note: The bolt material S30408 in GB/T 150.3 "Pressure Vessel Part Three Design" is equivalent to B8 Cl.2; S31608 is equivalent to B8M Cl.1.
In view of the above reasons, GB/T 150.3 and GB/T38343 "Technical Regulations for Flange Joint Installation" stipulate that the flanges of pressure equipment and pipe flange joints are not recommended to use the usual 304 (B8 Cl.1) and 316 (B8M Cl. .1) Bolts of materials, especially in high temperature and severe cycle conditions, should be replaced with B8 Cl.2 (S30408) and B8M Cl.2 to avoid low installation bolt force.
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.