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2024

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02

法蘭接頭密封，為什麽螺栓不建議用 304 材料?

作者：

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，在運行狀態時常會發生泄漏問題。本文將（jiāng）對此作一定性的剖析。
(1) 304、304L、316 和 316L 材料（liào）有什（shí）麽基本區別？

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

304、304L、316 和 316L 是材料標準(ANSI 或 ASTM)的不鏽鋼種代號（hào），隸屬於奧氏體不鏽鋼的 300 係列一類鋼。與國內材料（liào）標準(GB/T)對應的牌號是 06Cr19Ni10（304）、022Cr19Ni10（304L）、06Cr17Ni12Mo2 （316）、022Cr17Ni12Mo2（316L）。通常把（bǎ）這類不鏽鋼統（tǒng）稱為 18—8不鏽鋼。
參見表（biǎo） 1，304、304L、316 和 316L 由（yóu）於加入合金（jīn）元素和加入量的不同，其（qí）理化和機械性能也是不（bú）同（tóng）的， 與（yǔ）普通不鏽鋼相比，它們具有良好的耐蝕性（xìng）、耐熱性和加工性能。304L 的耐蝕性（xìng）與 304 相似，但因 304L 的含碳量比304低，故其抗晶間（jiān）腐蝕能（néng）力更強。316、316L 是含鉬（mù）不（bú）鏽鋼（gāng），因添加（jiā）鉬元素，故其耐蝕性和 耐熱性比304、304L 更優異。同理，因316L 的含（hán）碳量比316 低，故其抗晶腐蝕能力更優良。304、304L、316 和 316L 一類奧氏體不鏽鋼的力學強度低，304的室（shì）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，用它們製作的螺栓屬於低強度級別的螺栓。

表 1 含碳量，% 室溫（wēn）屈服強度，MPa 推薦最高使（shǐ）用溫（wēn）度，℃ 

304    ≤0.08        205               816 

304L   ≤0.03        170               538 

316    ≤0.08        210               816

316L   ≤0.03        200              538 

(2) 為什（shí）麽法蘭接頭不應采用 304 和 316 等一類材料的螺栓? 

如前麵幾講所述（shù），法蘭接頭一是因內壓力作用使兩法蘭（lán）密封麵分離，引起墊片應力相應減少，二是因 高溫下墊（diàn）片蠕變鬆弛或螺栓本身蠕變引起螺栓力鬆（sōng）弛，同樣使墊片應力下降，以至法蘭接頭發生泄漏失效。

實際運行中，螺栓力鬆弛是不可避免（miǎn）的（de），初（chū）始擰緊（jǐn）的螺栓力總會隨時間而有所跌落。特別是處於高溫 和劇烈循環工況的法蘭接頭，經過10000 小時運行後，螺栓載荷損失常會超過（guò）50%，並隨時間的延續和溫度 的（de）提高而衰減下去。

當法蘭和螺栓為不同一材（cái）料，尤其當法蘭為碳鋼（gāng），螺栓為不（bú）鏽鋼時，因螺栓和法蘭材料的熱膨脹係數2 不同，如 50℃下不鏽鋼的熱膨脹係數（16.51×10-5／℃)比碳鋼熱膨脹係數（11.12×10-5／℃)大，裝置升溫後，當（dāng）法蘭的膨脹量小於螺栓的膨脹量時，在變形協調後，螺栓伸長量減小（xiǎo）引（yǐn）起螺栓力的鬆（sōng）弛，就可能 導致法（fǎ）蘭（lán）接（jiē）頭發生泄漏。因此，高（gāo）溫的設備法蘭和管法蘭接頭時，特別是法（fǎ）蘭和（hé）螺栓材（cái）料的熱膨脹係數不同，盡可能使兩者材料的熱膨脹係數相近。
由(1)可見，304 和 316 一類奧氏體不鏽鋼的力學強度低（dī），304 的室溫屈（qū）服強度僅（jǐn）為205MPa，316 也隻有210MPa。因此，為了提高螺栓（shuān）抗鬆弛和抗疲勞的能力，采取提高安裝螺栓力（lì）的措（cuò）施，如在後續的講壇中 將會講到采用（yòng）最大安裝螺栓力時，要求安裝螺栓（shuān）應力達到 70%的螺栓材料屈服強度，這樣就必（bì）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，對於壓力等級較高（gāo）法蘭或墊片（piàn）應力較大（dà）的半金屬和金屬墊片，304、316 這類低強（qiáng）度材料螺栓，因螺栓力不夠而達不（bú）到（dào）密封要求。

這裏需要特別關注的是在不鏽鋼螺栓材料標準中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（wài），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（xìng）上沒有根本區別，但相對 B8 Cl.1，B8 Cl.2 的 力學強（qiáng）度獲得相當提（tí）高，如直徑為3/4”的B8 Cl.2 螺栓材料的屈服（fú）強度（dù）為550MPa，而所有（yǒu）直徑的 B8 Cl.1 螺栓材料的屈服強度僅為205MPa，兩（liǎng）者（zhě）相（xiàng）差兩倍（bèi）以上。國（guó）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。

鑒於（yú）以（yǐ）上原因，GB/T 150.3 和 GB／T38343《法蘭接頭安（ān）裝技術規定》中（zhōng），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（xún）環工況，應更替為（wéi） B8 Cl.2(S30408) 和（hé） B8M Cl.2，以避免低下的安裝螺（luó）栓力。
值得注意的是當采用 304、316 這類（lèi）低強度螺栓材料，甚至在安裝階段，由於沒有對扭矩進（jìn）行控製，螺栓可能已超過材料（liào）屈服強度，甚（shèn）至發生斷裂。自然，若（ruò）耐壓試驗或（huò）開始運行就出現了（le）泄漏，即（jí）使繼續（xù）擰緊螺栓，螺栓力也上（shàng）不去，不能阻止泄漏（lòu）。此外，這些螺栓拆卸後不能重複使用，因螺栓已經產生了永久變形，螺栓截麵（miàn）尺寸變小，再安裝就容易發生擰斷。

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