14. novembra 2022
Tesnenie prírubového spoja - Prečo sa materiál 304 neodporúča pre skrutky?
Keď sa pri tesnení prírubového spoja používajú príruby z uhlíkovej ocele alebo nehrdzavejúcej ocele so skrutkami z materiálu 304, počas prevádzky sa často vyskytujú problémy s netesnosťou. Táto prednáška urobí kvalitatívnu analýzu tohoto.
(1) Aké sú základné rozdiely medzi materiálmi 304, 304L, 316 a 316L?
304, 304L, 316 a 316L sú triedy nehrdzavejúcej ocele bežne používané v prírubových spojoch vrátane prírub, tesniacich prvkov a spojovacích prvkov.
304, 304L, 316 a 316L sú označenia triedy nehrdzavejúcej ocele americkej normy pre materiály (ANSI alebo ASTM), ktoré patria do série 300 austenitických nehrdzavejúcich ocelí. Triedy zodpovedajúce domácim materiálovým normám (GB/T) sú 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Tento typ nehrdzavejúcej ocele sa zvyčajne súhrnne označuje ako nehrdzavejúca oceľ 18-8.
Pozri tabuľku 1, 304, 304L, 316 a 316L majú rôzne fyzikálne, chemické a mechanické vlastnosti v dôsledku pridania legujúcich prvkov a množstiev. V porovnaní s bežnou nehrdzavejúcou oceľou majú dobrú odolnosť proti korózii, tepelnú odolnosť a spracovateľský výkon. Odolnosť proti korózii 304L je podobná ako u 304, ale pretože obsah uhlíka v 304L je nižší ako v 304, jeho odolnosť proti medzikryštalickej korózii je silnejšia. 316 a 316L sú nehrdzavejúce ocele obsahujúce molybdén. Vďaka prídavku molybdénu je ich odolnosť proti korózii a tepelná odolnosť lepšia ako u 304 a 304L. Rovnakým spôsobom, pretože obsah uhlíka v 316L je nižší ako v 316, jeho schopnosť odolávať kryštálovej korózii je lepšia. Austenitické nehrdzavejúce ocele ako 304, 304L, 316 a 316L majú nízku mechanickú pevnosť. Medza klzu pri izbovej teplote 304 je 205 MPa, 304 l je 170 MPa; medza klzu pri izbovej teplote 316 je 210 MPa a 316 l je 200 MPa. Preto skrutky z nich vyrobené patria k skrutkám s nízkou pevnosťou.
Tabuľka 1 Obsah uhlíka, % medza klzu pri izbovej teplote, MPa Odporúčaná maximálna prevádzková teplota, °C
304 ≤0,08 205 816
304L ≤0,03 170 538
316 ≤0,08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) Prečo by prírubové spoje nemali používať skrutky z materiálov ako 304 a 316?
Ako už bolo spomenuté v predchádzajúcich prednáškach, prírubový spoj po prvé oddeľuje tesniace plochy dvoch prírub pôsobením vnútorného tlaku, čo vedie k zodpovedajúcemu zníženiu namáhania tesnenia, a po druhé, k uvoľneniu sily skrutky v dôsledku uvoľnenia tečenia tesnenia alebo tečenia samotnej skrutky pri vysokej teplote, tiež znižuje namáhanie tesnenia, takže prírubový spoj netesní a zlyhá.
V skutočnej prevádzke je uvoľnenie sily skrutky nevyhnutné a počiatočná sila uťahovania skrutky časom vždy klesne. Najmä pri prírubových spojoch pri vysokej teplote a náročných podmienkach cyklu po 10 000 hodinách prevádzky strata zaťaženia skrutky často presiahne 50% a s pokračovaním času a zvyšovaním teploty sa zmierni.
Keď sú príruba a skrutka vyrobené z rôznych materiálov, najmä ak je príruba vyrobená z uhlíkovej ocele a skrutka je vyrobená z nehrdzavejúcej ocele, koeficient tepelnej rozťažnosti 2 materiálu skrutky a príruby je odlišný, napríklad koeficient tepelnej rozťažnosti nehrdzavejúcej ocele pri 50 °C (16.51×10-5 / °C) je väčší ako koeficient tepelnej rozťažnosti uhlíkovej ocele (11.12×10-5/°C). Po zahriatí zariadenia, keď je rozťažnosť príruby menšia ako rozťažnosť skrutky, po koordinácii deformácie sa predĺženie skrutky znižuje, čo spôsobuje zníženie sily skrutky. Ak dôjde k uvoľneniu, môže to spôsobiť netesnosť v prírubovom spoji. Preto, keď je spojená príruba vysokoteplotného zariadenia a príruba potrubia, najmä koeficienty tepelnej rozťažnosti materiálov príruby a skrutiek sú odlišné, koeficienty tepelnej rozťažnosti týchto dvoch materiálov by mali byť čo najbližšie.
Z (1) je zrejmé, že mechanická pevnosť austenitickej nehrdzavejúcej ocele, ako sú 304 a 316, je nízka a medza klzu pri izbovej teplote 304 je iba 205 MPa a 316 je iba 210 MPa. Preto sa na zlepšenie antirelaxačnej a protiúnavovej schopnosti skrutiek prijímajú opatrenia na zvýšenie sily skrutiek inštalačných skrutiek. Napríklad, keď sa na následnom fóre použije maximálna sila montážnej skrutky, vyžaduje sa, aby napätie inštalačných skrutiek dosiahlo 70% medzy klzu materiálu skrutky, aby sa zlepšil stupeň pevnosti materiálu skrutky a použili sa vysokopevnostné alebo stredne pevné materiály skrutiek z legovanej ocele. Je zrejmé, že okrem liatinových, nekovových prírub alebo gumových tesnení, pre polokovové a kovové tesnenia s prírubami vyššej tlakovej triedy alebo tesnenia s väčším namáhaním, skrutky vyrobené z materiálov s nízkou pevnosťou, ako sú 304 a 316, kvôli sile skrutky Nestačí na splnenie požiadaviek na tesnenie.
Osobitnú pozornosť si tu vyžaduje to, že v americkom štandarde materiálov skrutiek z nehrdzavejúcej ocele majú 304 a 316 dve kategórie, a to B8 Cl.1 a B8 Cl.2 z 304 a B8M Cl.1 a B8M Cl.2 z 316. Cl.1 je pevný roztok ošetrený karbidmi, zatiaľ čo Cl.2 sa okrem úpravy pevným roztokom podrobuje aj úprave na posilnenie napätia. Aj keď medzi B8 Cl.2 a B8 Cl.1 nie je zásadný rozdiel v chemickej odolnosti, mechanická pevnosť B8 Cl.2 sa výrazne zlepšila v porovnaní s B8 Cl.1, ako je B8 Cl.2 s priemerom 3/4" Meza klzu materiálu skrutky je 550 MPa, zatiaľ čo medza klzu materiálu skrutky B8 Cl.1 všetkých priemerov je iba 205 MPa, Rozdiel medzi nimi je viac ako dvojnásobný. Domáce normy pre materiál skrutiek 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) a B8 Cl.1 sú ekvivalentné B8M Cl.1. [Poznámka: Materiál skrutky S30408 v GB/T 150.3 "Konštrukcia tlakovej nádoby tretia časť" je ekvivalentný B8 Cl.2; S31608 je ekvivalentný B8M Cl.1.
Vzhľadom na vyššie uvedené dôvody GB/T 150.3 a GB/T38343 "Technické predpisy pre inštaláciu prírubových spojov" stanovujú, že príruby tlakových zariadení a prírubových spojov potrubí sa neodporúčajú používať obvyklé 304 (B8 Cl.1) a 316 (B8M Cl. . 1) Skrutky materiálov, najmä pri vysokej teplote a náročných podmienkach cyklu, by mali byť nahradené B8 Cl.2 (S30408) a B8M Cl.2, aby sa predišlo nízkej sile montážnej skrutky.
Stojí za zmienku, že pri použití materiálov skrutiek s nízkou pevnosťou, ako sú 304 a 316, dokonca aj vo fáze inštalácie, pretože krútiaci moment nie je kontrolovaný, skrutka mohla prekročiť medzu klzu materiálu alebo sa dokonca zlomiť. Prirodzene, ak dôjde k úniku počas tlakovej skúšky alebo začiatku prevádzky, aj keď sú skrutky naďalej utiahnuté, sila skrutky sa nezvýši a únik sa nedá zastaviť. Okrem toho sa tieto skrutky po demontáži nedajú znova použiť, pretože skrutky prešli trvalou deformáciou a veľkosť prierezu skrutiek sa zmenšila a po opätovnej inštalácii sú náchylné na zlomenie.
(1) Aké sú základné rozdiely medzi materiálmi 304, 304L, 316 a 316L?
304, 304L, 316 a 316L sú triedy nehrdzavejúcej ocele bežne používané v prírubových spojoch vrátane prírub, tesniacich prvkov a spojovacích prvkov.
304, 304L, 316 a 316L sú označenia triedy nehrdzavejúcej ocele americkej normy pre materiály (ANSI alebo ASTM), ktoré patria do série 300 austenitických nehrdzavejúcich ocelí. Triedy zodpovedajúce domácim materiálovým normám (GB/T) sú 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Tento typ nehrdzavejúcej ocele sa zvyčajne súhrnne označuje ako nehrdzavejúca oceľ 18-8.
Pozri tabuľku 1, 304, 304L, 316 a 316L majú rôzne fyzikálne, chemické a mechanické vlastnosti v dôsledku pridania legujúcich prvkov a množstiev. V porovnaní s bežnou nehrdzavejúcou oceľou majú dobrú odolnosť proti korózii, tepelnú odolnosť a spracovateľský výkon. Odolnosť proti korózii 304L je podobná ako u 304, ale pretože obsah uhlíka v 304L je nižší ako v 304, jeho odolnosť proti medzikryštalickej korózii je silnejšia. 316 a 316L sú nehrdzavejúce ocele obsahujúce molybdén. Vďaka prídavku molybdénu je ich odolnosť proti korózii a tepelná odolnosť lepšia ako u 304 a 304L. Rovnakým spôsobom, pretože obsah uhlíka v 316L je nižší ako v 316, jeho schopnosť odolávať kryštálovej korózii je lepšia. Austenitické nehrdzavejúce ocele ako 304, 304L, 316 a 316L majú nízku mechanickú pevnosť. Medza klzu pri izbovej teplote 304 je 205 MPa, 304 l je 170 MPa; medza klzu pri izbovej teplote 316 je 210 MPa a 316 l je 200 MPa. Preto skrutky z nich vyrobené patria k skrutkám s nízkou pevnosťou.
Tabuľka 1 Obsah uhlíka, % medza klzu pri izbovej teplote, MPa Odporúčaná maximálna prevádzková teplota, °C
304 ≤0,08 205 816
304L ≤0,03 170 538
316 ≤0,08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) Prečo by prírubové spoje nemali používať skrutky z materiálov ako 304 a 316?
Ako už bolo spomenuté v predchádzajúcich prednáškach, prírubový spoj po prvé oddeľuje tesniace plochy dvoch prírub pôsobením vnútorného tlaku, čo vedie k zodpovedajúcemu zníženiu namáhania tesnenia, a po druhé, k uvoľneniu sily skrutky v dôsledku uvoľnenia tečenia tesnenia alebo tečenia samotnej skrutky pri vysokej teplote, tiež znižuje namáhanie tesnenia, takže prírubový spoj netesní a zlyhá.
V skutočnej prevádzke je uvoľnenie sily skrutky nevyhnutné a počiatočná sila uťahovania skrutky časom vždy klesne. Najmä pri prírubových spojoch pri vysokej teplote a náročných podmienkach cyklu po 10 000 hodinách prevádzky strata zaťaženia skrutky často presiahne 50% a s pokračovaním času a zvyšovaním teploty sa zmierni.
Keď sú príruba a skrutka vyrobené z rôznych materiálov, najmä ak je príruba vyrobená z uhlíkovej ocele a skrutka je vyrobená z nehrdzavejúcej ocele, koeficient tepelnej rozťažnosti 2 materiálu skrutky a príruby je odlišný, napríklad koeficient tepelnej rozťažnosti nehrdzavejúcej ocele pri 50 °C (16.51×10-5 / °C) je väčší ako koeficient tepelnej rozťažnosti uhlíkovej ocele (11.12×10-5/°C). Po zahriatí zariadenia, keď je rozťažnosť príruby menšia ako rozťažnosť skrutky, po koordinácii deformácie sa predĺženie skrutky znižuje, čo spôsobuje zníženie sily skrutky. Ak dôjde k uvoľneniu, môže to spôsobiť netesnosť v prírubovom spoji. Preto, keď je spojená príruba vysokoteplotného zariadenia a príruba potrubia, najmä koeficienty tepelnej rozťažnosti materiálov príruby a skrutiek sú odlišné, koeficienty tepelnej rozťažnosti týchto dvoch materiálov by mali byť čo najbližšie.
Z (1) je zrejmé, že mechanická pevnosť austenitickej nehrdzavejúcej ocele, ako sú 304 a 316, je nízka a medza klzu pri izbovej teplote 304 je iba 205 MPa a 316 je iba 210 MPa. Preto sa na zlepšenie antirelaxačnej a protiúnavovej schopnosti skrutiek prijímajú opatrenia na zvýšenie sily skrutiek inštalačných skrutiek. Napríklad, keď sa na následnom fóre použije maximálna sila montážnej skrutky, vyžaduje sa, aby napätie inštalačných skrutiek dosiahlo 70% medzy klzu materiálu skrutky, aby sa zlepšil stupeň pevnosti materiálu skrutky a použili sa vysokopevnostné alebo stredne pevné materiály skrutiek z legovanej ocele. Je zrejmé, že okrem liatinových, nekovových prírub alebo gumových tesnení, pre polokovové a kovové tesnenia s prírubami vyššej tlakovej triedy alebo tesnenia s väčším namáhaním, skrutky vyrobené z materiálov s nízkou pevnosťou, ako sú 304 a 316, kvôli sile skrutky Nestačí na splnenie požiadaviek na tesnenie.
Osobitnú pozornosť si tu vyžaduje to, že v americkom štandarde materiálov skrutiek z nehrdzavejúcej ocele majú 304 a 316 dve kategórie, a to B8 Cl.1 a B8 Cl.2 z 304 a B8M Cl.1 a B8M Cl.2 z 316. Cl.1 je pevný roztok ošetrený karbidmi, zatiaľ čo Cl.2 sa okrem úpravy pevným roztokom podrobuje aj úprave na posilnenie napätia. Aj keď medzi B8 Cl.2 a B8 Cl.1 nie je zásadný rozdiel v chemickej odolnosti, mechanická pevnosť B8 Cl.2 sa výrazne zlepšila v porovnaní s B8 Cl.1, ako je B8 Cl.2 s priemerom 3/4" Meza klzu materiálu skrutky je 550 MPa, zatiaľ čo medza klzu materiálu skrutky B8 Cl.1 všetkých priemerov je iba 205 MPa, Rozdiel medzi nimi je viac ako dvojnásobný. Domáce normy pre materiál skrutiek 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) a B8 Cl.1 sú ekvivalentné B8M Cl.1. [Poznámka: Materiál skrutky S30408 v GB/T 150.3 "Konštrukcia tlakovej nádoby tretia časť" je ekvivalentný B8 Cl.2; S31608 je ekvivalentný B8M Cl.1.
Vzhľadom na vyššie uvedené dôvody GB/T 150.3 a GB/T38343 "Technické predpisy pre inštaláciu prírubových spojov" stanovujú, že príruby tlakových zariadení a prírubových spojov potrubí sa neodporúčajú používať obvyklé 304 (B8 Cl.1) a 316 (B8M Cl. . 1) Skrutky materiálov, najmä pri vysokej teplote a náročných podmienkach cyklu, by mali byť nahradené B8 Cl.2 (S30408) a B8M Cl.2, aby sa predišlo nízkej sile montážnej skrutky.
Stojí za zmienku, že pri použití materiálov skrutiek s nízkou pevnosťou, ako sú 304 a 316, dokonca aj vo fáze inštalácie, pretože krútiaci moment nie je kontrolovaný, skrutka mohla prekročiť medzu klzu materiálu alebo sa dokonca zlomiť. Prirodzene, ak dôjde k úniku počas tlakovej skúšky alebo začiatku prevádzky, aj keď sú skrutky naďalej utiahnuté, sila skrutky sa nezvýši a únik sa nedá zastaviť. Okrem toho sa tieto skrutky po demontáži nedajú znova použiť, pretože skrutky prešli trvalou deformáciou a veľkosť prierezu skrutiek sa zmenšila a po opätovnej inštalácii sú náchylné na zlomenie.