Почему материал 304 не рекомендуется для болтов?

(1) Каковы основные различия между материалами 304, 304L, 316 и 316L?

304, 304L, 316 и 316L — это широко используемые нержавеющие стали для фланцевых соединений (включая фланцы, уплотнительные элементы и крепёжные изделия).

304, 304L, 316 и 316L — это марки нержавеющей стали, обозначенные в американском стандарте на материалы (ANSI или ASTM) и относящиеся к серии 300 аустенитных нержавеющих сталей. Соответствующие марки в американском стандарте на материалы (GB/T) — 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Этот тип нержавеющей стали обычно называют нержавеющей сталью 18-8.

Как показано в таблице 1, марки 304, 304L, 316 и 316L обладают различными физическими, химическими и механическими свойствами благодаря добавлению легирующих элементов и их количеству. По сравнению с обычными нержавеющими сталями они обладают превосходной коррозионной стойкостью, жаростойкостью и обрабатываемостью. Коррозионная стойкость стали 304L аналогична стойкости стали 304, но поскольку в 304L содержание углерода ниже, чем в 304, она обладает большей стойкостью к межкристаллитной коррозии. 316 и 316L — это нержавеющие стали, содержащие молибден. Благодаря добавлению молибдена их коррозионная стойкость и жаростойкость превосходят стойкости 304 и 304L. Аналогично, поскольку в 316L содержание углерода ниже, чем в 316, она обладает лучшей стойкостью к межкристаллитной коррозии. Аустенитные нержавеющие стали, такие как 304, 304L, 316 и 316L, обладают низкой механической прочностью. Предел текучести при комнатной температуре у стали 304 составляет 205 МПа, а у 304L — 170 МПа. Предел текучести при комнатной температуре у стали 316 составляет 210 МПа, а у 316L — 200 МПа. Поэтому болты из этих материалов относятся к категории болтов низкой прочности.

(2) Почему болты из таких материалов, как 304 и 316, не следует использовать во фланцевых соединениях?

Как упоминалось в предыдущих лекциях, внутреннее давление во фланцевых соединениях приводит к разделению двух уплотнительных поверхностей фланца, что приводит к соответствующему снижению напряжения в прокладке. Во-вторых, ползучесть прокладки или ползучесть самого болта при высоких температурах приводит к ослаблению усилия болта, что также снижает напряжение в прокладке и приводит к протечке и разрушению фланцевого соединения.

В реальных условиях эксплуатации ослабление силы затяжки болтов неизбежно. Начальное усилие затяжки болтов со временем всегда уменьшается. Особенно для фланцевых соединений, подверженных высоким температурам и интенсивным циклическим нагрузкам, потеря нагрузки на болтах часто превышает 50% после 10 000 часов работы, и эта потеря уменьшается со временем и повышением температуры.

Если фланцы и болты изготовлены из разных материалов, особенно если фланец изготовлен из углеродистой стали, а болты – из нержавеющей стали, коэффициенты теплового расширения материалов болтов и фланцев различаются. Например, при 50 °C коэффициент теплового расширения нержавеющей стали (16,51 × 10⁻⁵/°C) больше, чем у углеродистой стали (11,12 × 10⁻⁵/°C). При нагревании оборудования, если фланец расширяется меньше болта, деформация будет компенсирована, а удлинение болта уменьшится, что приведет к ослаблению силы затяжки болта, что может привести к утечке во фланцевом соединении. Поэтому для фланцев высокотемпературного оборудования и фланцевых соединений труб, особенно когда коэффициенты теплового расширения материалов фланца и болтов различаются, рекомендуется поддерживать эти коэффициенты как можно ближе друг к другу.

Как видно из (1), механическая прочность аустенитных нержавеющих сталей, таких как 304 и 316, низкая. Предел текучести при комнатной температуре у стали 304 составляет всего 205 МПа, а у стали 316 — всего 210 МПа. Поэтому для повышения антирелаксационных и противоусталостных свойств болтов принимаются меры по увеличению усилия затяжки болта. Например, в последующих лекциях будет упомянуто, что при использовании максимального усилия затяжки болта напряжение затяжки болта должно достигать 70% от предела текучести материала болта. В связи с этим необходимо повысить класс прочности материала болта и использовать высокопрочные или среднепрочные легированные стали. Очевидно, что за исключением чугуна, неметаллических фланцев или резиновых прокладок, для фланцев с более высокими номинальными давлениями или полуметаллических и металлических прокладок с большим напряжением прокладки болты из низкопрочных материалов, такие как 304 и 316, не могут соответствовать требованиям герметизации из-за недостаточного усилия болта. Важно отметить, что в стандарте США на материалы для болтов из нержавеющей стали 304 и 316 имеют две категории: B8 Cl.1 и B8 Cl.2 для 304, и B8M Cl.1 и B8M Cl.2 для 316. Cl.1 подвергается обработке карбидным раствором, в то время как Cl.2 подвергается как обработке раствором, так и деформационному упрочнению. Хотя нет принципиальной разницы между B8 Cl.2 и B8 Cl.1 с точки зрения стойкости к химической коррозии, механическая прочность B8 Cl.2 значительно улучшена по сравнению с B8 Cl.1. Например, предел текучести материала болта класса B8 Cl.2 диаметром 3/4 дюйма составляет 550 МПа, тогда как предел текучести материала болта класса B8 Cl.1 всех диаметров составляет всего 205 МПа, что более чем вдвое превышает этот показатель. В отечественных стандартах на болтовые материалы марки 06Cr19Ni10(304) и 06Cr17Ni12Mo2(316) эквивалентны материалам B8 Cl.1 и B8M Cl.1. [Примечание: материал болта S30408 ​​в стандарте GB/T 150.3 «Проектирование сосудов высокого давления. Часть 3» эквивалентен материалу B8 Cl.2; S31608 эквивалентен материалу B8M Cl.1.

По указанным выше причинам в стандартах GB/T 150.3 и GB/T38343 «Технический регламент по монтажу фланцевых соединений» указано, что использование материала 304 Не рекомендуется использовать болты марок B8 (класс 1) и 316 (класс 1) для фланцев оборудования, работающего под давлением, и фланцевых соединений трубопроводов. Особенно в условиях высоких температур и интенсивного циклического воздействия следует использовать болты класса 2 (S30408) и B8M (класс 2), чтобы избежать недостаточного усилия затяжки болтов.

Стоит отметить, что при использовании болтов из низкопрочных материалов, таких как 304 и 316, даже во время монтажа из-за отсутствия контроля момента затяжки болты могут превысить предел текучести и даже сломаться. Естественно, если во время испытания под давлением или первоначальной эксплуатации возникнет утечка, дальнейшее затягивание не увеличит усилие затяжки болтов и не предотвратит утечку. Кроме того, эти болты невозможно использовать повторно после снятия из-за остаточной деформации и уменьшения размеров поперечного сечения, что делает их более подверженными поломке при повторной установке.