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法蘭接頭密封---為什么螺栓不建議用 304 材料?

作者：法蘭來源：泵閥發布時間：2022-12-06

在法蘭接頭密封中當碳鋼或不銹鋼法蘭配用 304 材料螺栓時，在運行狀態時常會發生泄漏問題。本講將對此作一定性的剖析。
(1) 304、304L、316 和 316L 材料有什么基本區別？
304、304L、316 和 316L 是法蘭接頭（包括法蘭、密封元件和緊固件）中通常選用的不銹鋼種材料。
304、304L、316 和 316L 是美材料標準(ANSI 或 ASTM)的不銹鋼種代號，隸屬于奧氏體不銹鋼的 300 系列一類鋼。與國內材料標準(GB/T)對應的牌號是 06Cr19Ni10（304）、022Cr19Ni10（304L）、06Cr17Ni12Mo2 （316）、022Cr17Ni12Mo2（316L）。通常把這類不銹鋼統稱為 18—8不銹鋼。

參見表 1，304、304L、316 和 316L 由于加入合金元素和加入量的不同，其理化和機械性能也是不同的，與普通不銹鋼相比，它們具有良好的耐蝕性、耐熱性和加工性能。304L 的耐蝕性與 304 相似，但因 304L 的含碳量比304低，故其抗晶間腐蝕能力更強。316、316L 是含鉬不銹鋼，因添加鉬元素，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，故其抗晶腐蝕能力更優良。304、304L、316 和 316L 一類奧氏體不銹鋼的力學強度低，304的室溫屈服強度為205MPa，304L 為 170MPa；316 的室溫屈服強度為210MPa，316L 為 200MPa。因此，用它們制作的螺栓屬于低強度級別的螺栓。
表 1 含碳量，% 室溫屈服強度，MPa 推薦高使用溫度，℃
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) 為什么法蘭接頭不應采用 304 和 316 等一類材料的螺栓?
如前面幾講所述，法蘭接頭一是因內壓力作用使兩法蘭密封面分離，引起墊片應力相應減少，二是因高溫下墊片蠕變松弛或螺栓本身蠕變引起螺栓力松弛，同樣使墊片應力下降，以至法蘭接頭發生泄漏失效。
當法蘭和螺栓為不同一材料，尤其當法蘭為碳鋼，螺栓為不銹鋼時，因螺栓和法蘭材料的熱膨脹系數2 不同，如 50℃下不銹鋼的熱膨脹系數（16.51×10-5／℃)比碳鋼熱膨脹系數（11.12×10-5／℃)大，裝置升溫后，當法蘭的膨脹量小于螺栓的膨脹量時，在變形協調后，螺栓伸長量減小引起螺栓力的松弛，就可能導致法蘭接頭發生泄漏。因此，高溫的設備法蘭和管法蘭接頭時，特別是法蘭和螺栓材料的熱膨脹系數不同，盡可能使兩者材料的熱膨脹系數相近。
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隨時間而有所跌落。特別是處于高溫和劇烈循環工況的法蘭接頭，經過10000 小時運行后，螺栓載荷損失常會超過50%，并隨時間的延續和溫度的提高而衰減下去。
由(1)可見，304 和 316 一類奧氏體不銹鋼的力學強度低，304 的室溫屈服強度僅為205MPa，316 也只有210MPa。因此，為了提高螺栓抗松弛和抗疲勞的能力，采取提高安裝螺栓力的措施，如在后續的講壇中將會講到采用大安裝螺栓力時，要求安裝螺栓應力達到 70%的螺栓材料屈服強度，這樣就必須提高螺栓材料的強度等級，采用高強度或中強度合金鋼螺栓材料。顯易而見，除鑄鐵、非金屬法蘭或橡膠墊片外，對于壓力等級較高法蘭或墊片應力較大的半金屬和金屬墊片，304、316 這類低強度材料螺栓，因螺栓力不夠而達不到密封要求。
這里需要特別關注的是在美不銹鋼螺栓材料標準中304和316分別有兩個類別，即304的B8 Cl.1和B8 Cl.2 以及 316 的 B8M Cl.1 和 B8M Cl.2。Cl.1 是經過碳化物固溶處理，而 Cl.2 除固溶處理外，還經過應變強化處理。雖然 B8 Cl.2 和 B8 Cl.1 在耐化學腐蝕性上沒有根本區別，但相對 B8 Cl.1，B8 Cl.2 的力學強度獲得相當提高，如直徑為3/4”的B8 Cl.2 螺栓材料的屈服強度為550MPa，而所有直徑的 B8 Cl.1 螺栓材料的屈服強度僅為205MPa，兩者相差兩倍以上。國內螺栓材料標準中的 06Cr19Ni10(304)、06Cr17Ni12Mo2(316)，與B8 Cl.1 和 B8M Cl.1 相當。[注：GB/T 150.3《壓力容器第三部分設計》中的螺栓材料 S30408 與 B8 Cl.2 相當；S31608 與 B8M Cl.1 相當。
鑒于以上原因，GB/T 150.3 和 GB／T38343《法蘭接頭安裝技術規定》中，規定承壓設備法蘭和管法蘭接頭不推薦使用通常的 304（B8 Cl.1）和 316（B8M Cl.1）材料的螺栓，尤其在高溫和劇烈循環工況，應更替為 B8 Cl.2(S30408) 和 B8M Cl.2，以避免低下的安裝螺栓力。
值得注意的是當采用 304、316 這類低強度螺栓材料，甚至在安裝階段，由于沒有對扭矩進行控制，螺栓可能已超過材料屈服強度，甚至發生斷裂。自然，若耐壓試驗或開始運行就出現了泄漏，即使繼續擰緊螺栓，螺栓力也上不去，不能阻止泄漏。此外，這些螺栓拆卸后不能重復使用，因螺栓已經產生了永久變形，螺栓截面尺寸變小，再安裝就容易發生擰斷。

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