在法蘭接頭密封中當(dāng)碳鋼或不銹鋼法蘭配用304材料螺栓時，在運行狀態(tài)時常會發(fā)生泄漏問題。本文將對此作一定性的剖析。
(1)304、304L、316和316L材料有什么基本區(qū)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是美國材料標(biāo)準(zhǔn)(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(nèi)材料標(biāo)準(zhǔn)(GB/T)對應(yīng)的牌號是06Cr19Ni10（304）、022Cr19Ni10（304L）、06Cr17Ni12Mo2（316）、022Cr17Ni12Mo2（316L）。通常把這類不銹鋼統(tǒng)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(jī)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(qiáng)。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(yōu)異。同理，因316L的含碳量比316低，故其抗晶腐蝕能力更優(yōu)良。304、304L、316和316L一類奧氏體不銹鋼的力學(xué)強(qiáng)度低，304的室溫屈服強(qiáng)度為205MPa，304L為170MPa；316的室溫屈服強(qiáng)度為210MPa，316L為200MPa。因此，用它們制作的螺栓屬于低強(qiáng)度級別的螺栓。
表1 含碳量，%室溫屈服強(qiáng)度，MPa推薦最高使用溫度，℃
(2)為什么法蘭接頭不應(yīng)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(nèi)壓力作用使兩法蘭密封面分離，引起墊片應(yīng)力相應(yīng)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(yīng)力下降，以至法蘭接頭發(fā)生泄漏失效。
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隨時間而有所跌落。特別是處于高溫和劇烈循環(huán)工況的法蘭接頭，經(jīng)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(xù)和溫度的提高而衰減下去。
當(dāng)法蘭和螺栓為不同一材料，尤其當(dāng)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(shù)2不同，如50℃下不銹鋼的熱膨脹系數(shù)（16.51×10-5／℃)比碳鋼熱膨脹系數(shù)（11.12×10-5／℃)大，裝置升溫后，當(dāng)法蘭的膨脹量小于螺栓的膨脹量時，在變形協(xié)調(diào)后，螺栓伸長量減小引起螺栓力的松弛，就可能導(dǎo)致法蘭接頭發(fā)生泄漏。因此，高溫的設(shè)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(shù)不同，盡可能使兩者材料的熱膨脹系數(shù)相近。
由(1)可見，304和316一類奧氏體不銹鋼的力學(xué)強(qiáng)度低，304的室溫屈服強(qiáng)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(xù)的講壇中將會講到采用最大安裝螺栓力時，要求安裝螺栓應(yīng)力達(dá)到70%的螺栓材料屈服強(qiáng)度，這樣就必須提高螺栓材料的強(qiáng)度等級，采用高強(qiáng)度或中強(qiáng)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(yīng)力較大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(dá)不到密封要求。
這里需要特別關(guān)注的是在美國不銹鋼螺栓材料標(biāo)準(zhǔn)中304和316分別有兩個類別，即304的B8Cl.1和B8Cl.2以及316的B8MCl.1和B8MCl.2。Cl.1是經(jīng)過碳化物固溶處理，而Cl.2除固溶處理外，還經(jīng)過應(yīng)變強(qiáng)化處理。雖然B8Cl.2和B8Cl.1在耐化學(xué)腐蝕性上沒有根本區(qū)別，但相對B8Cl.1，B8Cl.2的力學(xué)強(qiáng)度獲得相當(dāng)提高，如直徑為3/4”的B8Cl.2螺栓材料的屈服強(qiáng)度為550MPa，而所有直徑的B8Cl.1螺栓材料的屈服強(qiáng)度僅為205MPa，兩者相差兩倍以上。國內(nèi)螺栓材料標(biāo)準(zhǔn)中的06Cr19Ni10(304)、06Cr17Ni12Mo2(316)，與B8Cl.1和B8MCl.1相當(dāng)。[注：GB/T150.3《壓力容器第三部分設(shè)計》中的螺栓材料S30408與B8Cl.2相當(dāng)；S31608與B8MCl.1相當(dāng)。
鑒于以上原因，GB/T150.3和GB／T38343《法蘭接頭安裝技術(shù)規(guī)定》中，規(guī)定承壓設(shè)備法蘭和管法蘭接頭不推薦使用通常的304（B8Cl.1）和316（B8MCl.1）材料的螺栓，尤其在高溫和劇烈循環(huán)工況，應(yīng)更替為B8Cl.2(S30408)和B8MCl.2，以避免低下的安裝螺栓力。
值得注意的是當(dāng)采用304、316這類低強(qiáng)度螺栓材料，甚至在安裝階段，由于沒有對扭矩進(jìn)行控制，螺栓可能已超過材料屈服強(qiáng)度，甚至發(fā)生斷裂。自然，若耐壓試驗或開始運行就出現(xiàn)了泄漏，即使繼續(xù)擰緊螺栓，螺栓力也上不去，不能阻止泄漏。此外，
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