14 noiembrie 2022
Etanșarea îmbinării cu flanșă - De ce nu este recomandat materialul 304 pentru șuruburi?
Când flanșele din oțel carbon sau oțel inoxidabil sunt utilizate cu șuruburi din material 304 în etanșarea îmbinării flanșei, apar adesea probleme de scurgere în timpul funcționării. Această prelegere va face o analiză calitativă a acestui lucru.
(1) Care sunt diferențele de bază dintre materialele 304, 304L, 316 și 316L?
304, 304L, 316 și 316L sunt clasele de oțel inoxidabil utilizate în mod obișnuit în îmbinările cu flanșă, inclusiv flanșe, elemente de etanșare și elemente de fixare.
304, 304L, 316 și 316L sunt denumirile de oțel inoxidabil ale standardului american pentru materiale (ANSI sau ASTM), care aparțin seriei 300 de oțeluri inoxidabile austenitice. Clasele corespunzătoare standardelor de materiale interne (GB/T) sunt 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Acest tip de oțel inoxidabil este de obicei denumit în mod colectiv oțel inoxidabil 18-8.
A se vedea tabelul 1, 304, 304L, 316 și 316L au proprietăți fizice, chimice și mecanice diferite datorită adăugării de elemente de aliere și cantități. În comparație cu oțelul inoxidabil obișnuit, au o bună rezistență la coroziune, rezistență la căldură și performanță de procesare. Rezistența la coroziune a 304L este similară cu cea a 304, dar deoarece conținutul de carbon al 304L este mai mic decât cel al 304, rezistența sa la coroziunea intergranulară este mai puternică. 316 și 316L sunt oțeluri inoxidabile care conțin molibden. Datorită adăugării de molibden, rezistența lor la coroziune și rezistența la căldură sunt mai bune decât cele ale 304 și 304L. În același mod, deoarece conținutul de carbon al 316L este mai mic decât cel al 316, capacitatea sa de a rezista la coroziunea cristalelor este mai bună. Oțelurile inoxidabile austenitice, cum ar fi 304, 304L, 316 și 316L, au o rezistență mecanică scăzută. Rezistența la curgere la temperatura camerei de 304 este de 205 MPa, 304 L este de 170 MPa; rezistența la randament la temperatura camerei de 316 este de 210 MPa, iar 316 L este de 200 MPa. Prin urmare, șuruburile realizate din ele aparțin șuruburilor de rezistență redusă.
Tabelul 1 Conținutul de carbon, % rezistența la temperaturi la temperatura camerei, MPa Temperatura maximă de serviciu recomandată, °C
304 ≤0,08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0,08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) De ce îmbinările cu flanșă nu ar trebui să folosească șuruburi din materiale precum 304 și 316?
După cum am menționat în prelegerile anterioare, îmbinarea flanșei separă în primul rând suprafețele de etanșare ale celor două flanșe datorită acțiunii presiunii interne, rezultând o scădere corespunzătoare a tensiunii garniturii și, în al doilea rând, relaxarea forței șurubului datorită relaxării de fluaj a garniturii sau a fluajului șurubului în sine la temperatură ridicată, De asemenea, reduce stresul garniturii, astfel încât îmbinarea flanșei se scurge și eșuează.
În funcționarea reală, relaxarea forței șurubului este inevitabilă, iar forța inițială a șurubului de strângere va scădea întotdeauna în timp. În special pentru îmbinările cu flanșă în condiții de temperatură ridicată și ciclu sever, după 10.000 de ore de funcționare, pierderea de sarcină a șurubului va depăși adesea 50% și se va atenua odată cu continuarea timpului și creșterea temperaturii.
Când flanșa și șurubul sunt fabricate din materiale diferite, mai ales atunci când flanșa este din oțel carbon și șurubul este din oțel inoxidabil, coeficientul de expansiune termică 2 al materialului șurubului și al flanșei este diferit, cum ar fi coeficientul de dilatare termică al oțelului inoxidabil la 50 ° C (16,51 × 10-5 / ° C) este mai mare decât coeficientul de dilatare termică al oțelului carbon (11,12 × 10-5 / ° C). După încălzirea dispozitivului, atunci când expansiunea flanșei este mai mică decât expansiunea șurubului, după coordonarea deformării, alungirea șurubului scade, determinând scăderea forței șurubului. Dacă există vreo slăbiciune, aceasta poate provoca scurgeri în îmbinarea flanșei. Prin urmare, atunci când flanșa echipamentului de înaltă temperatură și flanșa țevii sunt conectate, în special coeficienții de dilatare termică ai materialelor flanșei și șuruburilor sunt diferiți, coeficienții de expansiune termică ai celor două materiale ar trebui să fie cât mai apropiați posibil.
Se poate observa din (1) că rezistența mecanică a oțelului inoxidabil austenitic, cum ar fi 304 și 316, este scăzută, iar rezistența la curgere la temperatura camerei de 304 este de numai 205 MPa, iar cea de 316 este de doar 210 MPa. Prin urmare, pentru a îmbunătăți capacitatea anti-relaxare și anti-oboseală a șuruburilor, se iau măsuri pentru a crește forța șuruburilor de instalare. De exemplu, atunci când forța maximă a șuruburilor de instalare este utilizată în forumul de urmărire, este necesar ca stresul șuruburilor de instalare să atingă 70% din rezistența la curgere a materialului șurubului, astfel încât gradul de rezistență al materialului șurubului să fie îmbunătățit și să se utilizeze materiale pentru șuruburi din oțel aliat de înaltă rezistență sau rezistență medie. Evident, cu excepția fontei, flanșe nemetalice sau garnituri de cauciuc, pentru garnituri semimetalice și metalice cu flanșe de presiune mai mare sau garnituri cu tensiune mai mare, șuruburi din materiale cu rezistență redusă, cum ar fi 304 și 316, datorită forței șuruburilor Nu este suficient pentru a îndeplini cerințele de etanșare.
Ceea ce necesită o atenție specială aici este că în standardul american de material pentru șuruburi din oțel inoxidabil, 304 și 316 au două categorii, și anume B8 Cl.1 și B8 Cl.2 din 304 și B8M Cl.1 și B8M Cl.2 din 316. Cl.1 este o soluție solidă tratată cu carburi, în timp ce Cl.2 este supusă unui tratament de întărire a tensiunii în plus față de tratamentul cu soluție solidă. Deși nu există nicio diferență fundamentală de rezistență chimică între B8 Cl.2 și B8 Cl.1, rezistența mecanică a B8 Cl.2 este considerabil îmbunătățită în raport cu B8 Cl.1, cum ar fi B8 Cl.2 cu un diametru de 3/4" Rezistența la curgere a materialului șurubului este de 550MPa, în timp ce rezistența la curgere a materialului șurubului B8 Cl.1 de toate diametrele este de numai 205MPa, diferența dintre cele două este de mai mult de două ori. Standardele de material pentru șuruburi interne 06Cr19Ni10 (304), 06Cr17Ni12Mo2 (316) și B8 Cl.1 sunt echivalente cu B8M Cl.1. [Notă: Materialul șurubului S30408 în GB / T 150.3 "Pressure Vessel Part Three Design" este echivalent cu B8 Cl.2; S31608 este echivalent cu B8M Cl.1.
Având în vedere motivele de mai sus, GB/T 150.3 și GB/T38343 "Reglementări tehnice pentru instalarea îmbinării cu flanșă" stipulează că flanșele echipamentelor sub presiune și îmbinările flanșei țevilor nu sunt recomandate pentru utilizarea obișnuitelor 304 (B8 Cl.1) și 316 (B8M Cl. 1) Șuruburile materialelor, în special în condiții de temperatură ridicată și ciclu sever, trebuie înlocuite cu B8 Cl.2 (S30408) și B8M Cl.2 pentru a evita forța scăzută a șurubului de instalare.
Este demn de remarcat faptul că atunci când sunt utilizate materiale cu șuruburi cu rezistență redusă, cum ar fi 304 și 316, chiar și în timpul etapei de instalare, deoarece cuplul nu este controlat, șurubul poate depăși rezistența la curgere a materialului sau chiar s-a fracturat. Desigur, dacă apar scurgeri în timpul testului de presiune sau al începerii funcționării, chiar dacă șuruburile continuă să fie strânse, forța șurubului nu va crește și scurgerea nu poate fi oprită. În plus, aceste șuruburi nu pot fi reutilizate după ce au fost dezasamblate, deoarece șuruburile au suferit deformare permanentă, iar dimensiunea secțiunii transversale a șuruburilor a devenit mai mică și sunt predispuse la rupere după reinstalare.
(1) Care sunt diferențele de bază dintre materialele 304, 304L, 316 și 316L?
304, 304L, 316 și 316L sunt clasele de oțel inoxidabil utilizate în mod obișnuit în îmbinările cu flanșă, inclusiv flanșe, elemente de etanșare și elemente de fixare.
304, 304L, 316 și 316L sunt denumirile de oțel inoxidabil ale standardului american pentru materiale (ANSI sau ASTM), care aparțin seriei 300 de oțeluri inoxidabile austenitice. Clasele corespunzătoare standardelor de materiale interne (GB/T) sunt 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Acest tip de oțel inoxidabil este de obicei denumit în mod colectiv oțel inoxidabil 18-8.
A se vedea tabelul 1, 304, 304L, 316 și 316L au proprietăți fizice, chimice și mecanice diferite datorită adăugării de elemente de aliere și cantități. În comparație cu oțelul inoxidabil obișnuit, au o bună rezistență la coroziune, rezistență la căldură și performanță de procesare. Rezistența la coroziune a 304L este similară cu cea a 304, dar deoarece conținutul de carbon al 304L este mai mic decât cel al 304, rezistența sa la coroziunea intergranulară este mai puternică. 316 și 316L sunt oțeluri inoxidabile care conțin molibden. Datorită adăugării de molibden, rezistența lor la coroziune și rezistența la căldură sunt mai bune decât cele ale 304 și 304L. În același mod, deoarece conținutul de carbon al 316L este mai mic decât cel al 316, capacitatea sa de a rezista la coroziunea cristalelor este mai bună. Oțelurile inoxidabile austenitice, cum ar fi 304, 304L, 316 și 316L, au o rezistență mecanică scăzută. Rezistența la curgere la temperatura camerei de 304 este de 205 MPa, 304 L este de 170 MPa; rezistența la randament la temperatura camerei de 316 este de 210 MPa, iar 316 L este de 200 MPa. Prin urmare, șuruburile realizate din ele aparțin șuruburilor de rezistență redusă.
Tabelul 1 Conținutul de carbon, % rezistența la temperaturi la temperatura camerei, MPa Temperatura maximă de serviciu recomandată, °C
304 ≤0,08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0,08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) De ce îmbinările cu flanșă nu ar trebui să folosească șuruburi din materiale precum 304 și 316?
După cum am menționat în prelegerile anterioare, îmbinarea flanșei separă în primul rând suprafețele de etanșare ale celor două flanșe datorită acțiunii presiunii interne, rezultând o scădere corespunzătoare a tensiunii garniturii și, în al doilea rând, relaxarea forței șurubului datorită relaxării de fluaj a garniturii sau a fluajului șurubului în sine la temperatură ridicată, De asemenea, reduce stresul garniturii, astfel încât îmbinarea flanșei se scurge și eșuează.
În funcționarea reală, relaxarea forței șurubului este inevitabilă, iar forța inițială a șurubului de strângere va scădea întotdeauna în timp. În special pentru îmbinările cu flanșă în condiții de temperatură ridicată și ciclu sever, după 10.000 de ore de funcționare, pierderea de sarcină a șurubului va depăși adesea 50% și se va atenua odată cu continuarea timpului și creșterea temperaturii.
Când flanșa și șurubul sunt fabricate din materiale diferite, mai ales atunci când flanșa este din oțel carbon și șurubul este din oțel inoxidabil, coeficientul de expansiune termică 2 al materialului șurubului și al flanșei este diferit, cum ar fi coeficientul de dilatare termică al oțelului inoxidabil la 50 ° C (16,51 × 10-5 / ° C) este mai mare decât coeficientul de dilatare termică al oțelului carbon (11,12 × 10-5 / ° C). După încălzirea dispozitivului, atunci când expansiunea flanșei este mai mică decât expansiunea șurubului, după coordonarea deformării, alungirea șurubului scade, determinând scăderea forței șurubului. Dacă există vreo slăbiciune, aceasta poate provoca scurgeri în îmbinarea flanșei. Prin urmare, atunci când flanșa echipamentului de înaltă temperatură și flanșa țevii sunt conectate, în special coeficienții de dilatare termică ai materialelor flanșei și șuruburilor sunt diferiți, coeficienții de expansiune termică ai celor două materiale ar trebui să fie cât mai apropiați posibil.
Se poate observa din (1) că rezistența mecanică a oțelului inoxidabil austenitic, cum ar fi 304 și 316, este scăzută, iar rezistența la curgere la temperatura camerei de 304 este de numai 205 MPa, iar cea de 316 este de doar 210 MPa. Prin urmare, pentru a îmbunătăți capacitatea anti-relaxare și anti-oboseală a șuruburilor, se iau măsuri pentru a crește forța șuruburilor de instalare. De exemplu, atunci când forța maximă a șuruburilor de instalare este utilizată în forumul de urmărire, este necesar ca stresul șuruburilor de instalare să atingă 70% din rezistența la curgere a materialului șurubului, astfel încât gradul de rezistență al materialului șurubului să fie îmbunătățit și să se utilizeze materiale pentru șuruburi din oțel aliat de înaltă rezistență sau rezistență medie. Evident, cu excepția fontei, flanșe nemetalice sau garnituri de cauciuc, pentru garnituri semimetalice și metalice cu flanșe de presiune mai mare sau garnituri cu tensiune mai mare, șuruburi din materiale cu rezistență redusă, cum ar fi 304 și 316, datorită forței șuruburilor Nu este suficient pentru a îndeplini cerințele de etanșare.
Ceea ce necesită o atenție specială aici este că în standardul american de material pentru șuruburi din oțel inoxidabil, 304 și 316 au două categorii, și anume B8 Cl.1 și B8 Cl.2 din 304 și B8M Cl.1 și B8M Cl.2 din 316. Cl.1 este o soluție solidă tratată cu carburi, în timp ce Cl.2 este supusă unui tratament de întărire a tensiunii în plus față de tratamentul cu soluție solidă. Deși nu există nicio diferență fundamentală de rezistență chimică între B8 Cl.2 și B8 Cl.1, rezistența mecanică a B8 Cl.2 este considerabil îmbunătățită în raport cu B8 Cl.1, cum ar fi B8 Cl.2 cu un diametru de 3/4" Rezistența la curgere a materialului șurubului este de 550MPa, în timp ce rezistența la curgere a materialului șurubului B8 Cl.1 de toate diametrele este de numai 205MPa, diferența dintre cele două este de mai mult de două ori. Standardele de material pentru șuruburi interne 06Cr19Ni10 (304), 06Cr17Ni12Mo2 (316) și B8 Cl.1 sunt echivalente cu B8M Cl.1. [Notă: Materialul șurubului S30408 în GB / T 150.3 "Pressure Vessel Part Three Design" este echivalent cu B8 Cl.2; S31608 este echivalent cu B8M Cl.1.
Având în vedere motivele de mai sus, GB/T 150.3 și GB/T38343 "Reglementări tehnice pentru instalarea îmbinării cu flanșă" stipulează că flanșele echipamentelor sub presiune și îmbinările flanșei țevilor nu sunt recomandate pentru utilizarea obișnuitelor 304 (B8 Cl.1) și 316 (B8M Cl. 1) Șuruburile materialelor, în special în condiții de temperatură ridicată și ciclu sever, trebuie înlocuite cu B8 Cl.2 (S30408) și B8M Cl.2 pentru a evita forța scăzută a șurubului de instalare.
Este demn de remarcat faptul că atunci când sunt utilizate materiale cu șuruburi cu rezistență redusă, cum ar fi 304 și 316, chiar și în timpul etapei de instalare, deoarece cuplul nu este controlat, șurubul poate depăși rezistența la curgere a materialului sau chiar s-a fracturat. Desigur, dacă apar scurgeri în timpul testului de presiune sau al începerii funcționării, chiar dacă șuruburile continuă să fie strânse, forța șurubului nu va crește și scurgerea nu poate fi oprită. În plus, aceste șuruburi nu pot fi reutilizate după ce au fost dezasamblate, deoarece șuruburile au suferit deformare permanentă, iar dimensiunea secțiunii transversale a șuruburilor a devenit mai mică și sunt predispuse la rupere după reinstalare.