法蘭接頭密封，為(wèi)什麽螺栓不建議用 304 材料?

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在法蘭接頭密封中當碳鋼或不鏽鋼法蘭配用 304 材料螺栓時，在運行狀态時常會(huì)發生(shēng)洩漏問題。本文将對此作一(yī)定性的剖析。
(1) 304、304L、316 和 316L 材料有什麽基本區别？

304、304L、316 和 316L 是法蘭接頭（包括法蘭、密封元件(jiàn)和緊固件(jiàn)）中通(tōng)常選用的不鏽鋼種材料。

304、304L、316 和 316L 是材料标準(ANSI 或 ASTM)的不鏽鋼種代号，隸屬于奧氏體不鏽鋼的 300 系列一(yī)類鋼。與國(guó)内材料标準(GB/T)對應的牌号是 06Cr19Ni10（304）、022Cr19Ni10（304L）、06Cr17Ni12Mo2 （316）、022Cr17Ni12Mo2（316L）。通(tōng)常把這類不鏽鋼統稱為(wèi) 18—8不鏽鋼。
參見(jiàn)表 1，304、304L、316 和 316L 由于加入合金元素和加入量的不同，其理化和機(jī)械性能(néng)也是不同的，與普通(tōng)不鏽鋼相(xiàng)比，它們具有良好的耐蝕性、耐熱性和加工(gōng)性能(néng)。304L 的耐蝕性與 304 相(xiàng)似，但因 304L 的含碳量比304低(dī)，故其抗晶間腐蝕能(néng)力更強。316、316L 是含钼不鏽鋼，因添加钼元素，故其耐蝕性和耐熱性比304、304L 更優異。同理，因316L 的含碳量比316 低(dī)，故其抗晶腐蝕能(néng)力更優良。304、304L、316 和 316L 一(yī)類奧氏體不鏽鋼的力學強度低(dī)，304的室溫屈服強度為(wèi)205MPa，304L 為(wèi) 170MPa；316 的室溫屈服強度為(wèi)210MPa，316L 為(wèi) 200MPa。因此，用它們制作的螺栓屬于低(dī)強度級别的螺栓。

表 1 含碳量，% 室溫屈服強度，MPa 推薦最高(gāo)使用溫度，℃

304 ≤0.08 205 816

304L ≤0.03 170 538

316 ≤0.08 210 816

316L ≤0.03 200 538

(2) 為(wèi)什麽法蘭接頭不應采用 304 和 316 等一(yī)類材料的螺栓?

如前面幾講所述，法蘭接頭一(yī)是因内壓力作用使兩法蘭密封面分離，引起墊片應力相(xiàng)應減少，二是因高(gāo)溫下(xià)墊片蠕變松弛或螺栓本身蠕變引起螺栓力松弛，同樣使墊片應力下(xià)降，以至法蘭接頭發生(shēng)洩漏失效。

實際運行中，螺栓力松弛是不可避免的，初始擰緊的螺栓力總會(huì)随時間而有所跌落。特别是處于高(gāo)溫和劇烈循環工(gōng)況的法蘭接頭，經過10000 小(xiǎo)時運行後，螺栓載荷損失常會(huì)超過50%，并随時間的延續和溫度的提高(gāo)而衰減下(xià)去。

當法蘭和螺栓為(wèi)不同一(yī)材料，尤其當法蘭為(wèi)碳鋼，螺栓為(wèi)不鏽鋼時，因螺栓和法蘭材料的熱膨脹系數2 不同，如 50℃下(xià)不鏽鋼的熱膨脹系數（16.51×10-5／℃)比碳鋼熱膨脹系數（11.12×10-5／℃)大，裝置升溫後，當法蘭的膨脹量小(xiǎo)于螺栓的膨脹量時，在變形協調後，螺栓伸長(cháng)量減小(xiǎo)引起螺栓力的松弛，就(jiù)可能(néng) 導緻法蘭接頭發生(shēng)洩漏。因此，高(gāo)溫的設備法蘭和管法蘭接頭時，特别是法蘭和螺栓材料的熱膨脹系數不同，盡可能(néng)使兩者材料的熱膨脹系數相(xiàng)近。
由(1)可見(jiàn)，304 和 316 一(yī)類奧氏體不鏽鋼的力學強度低(dī)，304 的室溫屈服強度僅為(wèi)205MPa，316 也隻有210MPa。因此，為(wèi)了提高(gāo)螺栓抗松弛和抗疲勞的能(néng)力，采取提高(gāo)安裝螺栓力的措施，如在後續的講壇中将會(huì)講到(dào)采用最大安裝螺栓力時，要求安裝螺栓應力達到(dào) 70%的螺栓材料屈服強度，這樣就(jiù)必須提高(gāo)螺栓材料的強度等級，采用高(gāo)強度或中強度合金鋼螺栓材料。顯易而見(jiàn)，除鑄鐵、非金屬法蘭或橡膠墊片外，對于壓力等級較高(gāo)法蘭或墊片應力較大的半金屬和金屬墊片，304、316 這類低(dī)強度材料螺栓，因螺栓力不夠而達不到(dào)密封要求。

這裡(lǐ)需要特别關注的是在不鏽鋼螺栓材料标準中304和316分别有兩個(gè)類别，即304的B8 Cl.1和B8 Cl.2 以及 316 的 B8M Cl.1 和 B8M Cl.2。Cl.1 是經過碳化物(wù)固溶處理，而 Cl.2 除固溶處理外，還(hái)經過應變強化處理。雖然 B8 Cl.2 和 B8 Cl.1 在耐化學腐蝕性上(shàng)沒有根本區别，但相(xiàng)對 B8 Cl.1，B8 Cl.2 的力學強度獲得相(xiàng)當提高(gāo)，如直徑為(wèi)3/4”的B8 Cl.2 螺栓材料的屈服強度為(wèi)550MPa，而所有直徑的 B8 Cl.1 螺栓材料的屈服強度僅為(wèi)205MPa，兩者相(xiàng)差兩倍以上(shàng)。國(guó)内螺栓材料标準中的 06Cr19Ni10(304)、06Cr17Ni12Mo2(316)，與B8 Cl.1 和 B8M Cl.1 相(xiàng)當。[注：GB/T 150.3《壓力容器(qì) 第三部分設計》中的螺栓材料 S30408 與 B8 Cl.2 相(xiàng)當；S31608 與 B8M Cl.1 相(xiàng)當。

鑒于以上(shàng)原因，GB/T 150.3 和 GB／T38343《法蘭接頭安裝技(jì)術(shù)規定》中，規定承壓設備法蘭和管法蘭接頭不推薦使用通(tōng)常的 304（B8 Cl.1）和 316（B8M Cl.1）材料的螺栓，尤其在高(gāo)溫和劇烈循環工(gōng)況，應更替為(wèi) B8 Cl.2(S30408) 和 B8M Cl.2，以避免低(dī)下(xià)的安裝螺栓力。
值得注意的是當采用 304、316 這類低(dī)強度螺栓材料，甚至在安裝階段，由于沒有對扭矩進行控制，螺栓可能(néng)已超過材料屈服強度，甚至發生(shēng)斷裂。自(zì)然，若耐壓試驗或開(kāi)始運行就(jiù)出現了洩漏，即使繼續擰緊螺栓，螺栓力也上(shàng)不去，不能(néng)阻止洩漏。此外，這些螺栓拆卸後不能(néng)重複使用，因螺栓已經産生(shēng)了永久變形，螺栓截面尺寸變小(xiǎo)，再安裝就(jiù)容易發生(shēng)擰斷。

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