Sigillatura del giunto della flangia - Perché il materiale 304 non è raccomandato per i bulloni?
Quando le flange in acciaio al carbonio o acciaio inossidabile vengono utilizzate con bulloni in materiale 304 nella tenuta dei giunti flangiati, spesso si verificano problemi di perdite durante il funzionamento. Questa lezione farà un'analisi qualitativa di questo. (1) Quali sono le differenze fondamentali tra i materiali 304, 304L, 316 e 316L?
304, 304L, 316 e 316L sono i gradi di acciaio inossidabile comunemente utilizzati nei giunti flangiati, comprese le flange, gli elementi di tenuta e gli elementi di fissaggio.
304, 304L, 316 e 316L sono le designazioni del grado di acciaio inossidabile dell'American Standard for Materials (ANSI o ASTM), che appartengono alla serie 300 di acciai inossidabili austenitici. I gradi corrispondenti agli standard dei materiali nazionali (GB/T) sono 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Questo tipo di acciaio inossidabile è solitamente indicato collettivamente come acciaio inossidabile 18-8.
Vedi Tabella 1, 304, 304L, 316 e 316L hanno proprietà fisiche, chimiche e meccaniche diverse a causa dell'aggiunta di elementi di lega e quantità. Rispetto al normale acciaio inossidabile, hanno una buona resistenza alla corrosione, resistenza al calore e prestazioni di lavorazione. La resistenza alla corrosione del 304L è simile a quella del 304, ma poiché il contenuto di carbonio del 304L è inferiore a quello del 304, la sua resistenza alla corrosione intergranulare è più forte. 316 e 316L sono acciai inossidabili contenenti molibdeno. A causa dell'aggiunta di molibdeno, la loro resistenza alla corrosione e al calore sono migliori di quelle di 304 e 304L. Allo stesso modo, poiché il contenuto di carbonio del 316L è inferiore a quello del 316, la sua capacità di resistere alla corrosione dei cristalli è migliore. Gli acciai inossidabili austenitici come 304, 304L, 316 e 316L hanno una bassa resistenza meccanica. La resistenza allo snervamento a temperatura ambiente di 304 è 205 MPa, 304L è 170 MPa; la resistenza allo snervamento a temperatura ambiente di 316 è 210 MPa e 316L è 200 MPa. Pertanto, i bulloni realizzati con essi appartengono ai bulloni di grado a bassa resistenza.
Tabella 1 Contenuto di carbonio, % Carico di snervamento a temperatura ambiente, MPa Temperatura massima di servizio consigliata, °C
304 ≤0,08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0,08 210 816
316L ≤0.03 200 538(2) Perché i giunti flangiati non dovrebbero utilizzare bulloni di materiali come 304 e 316?
Come accennato nelle lezioni precedenti, il giunto della flangia separa in primo luogo le superfici di tenuta delle due flange a causa dell'azione della pressione interna, con conseguente corrispondente diminuzione della sollecitazione della guarnizione, e in secondo luogo, il rilassamento della forza del bullone dovuto al rilassamento per scorrimento della guarnizione o allo scorrimento del bullone stesso ad alta temperatura, riduce anche lo stress della guarnizione, in modo che il giunto della flangia perda e si guasti.
Nel funzionamento effettivo, il rilassamento della forza del bullone è inevitabile e la forza iniziale del bullone di serraggio diminuirà sempre nel tempo. Soprattutto per i giunti flangiati ad alta temperatura e in condizioni di ciclo severi, dopo 10.000 ore di funzionamento, la perdita di carico del bullone supererà spesso il 50% e si attenuerà con il passare del tempo e l'aumento della temperatura.
Quando la flangia e il bullone sono realizzati con materiali diversi, in particolare quando la flangia è in acciaio al carbonio e il bullone è in acciaio inossidabile, il coefficiente di dilatazione termica 2 del materiale del bullone e della flangia è diverso, ad esempio il coefficiente di dilatazione termica dell'acciaio inossidabile a 50 °C (16.51×10-5 / °C) è maggiore del coefficiente di dilatazione termica dell'acciaio al carbonio (11.12×10-5 / °C). Dopo che il dispositivo è stato riscaldato, quando l'espansione della flangia è inferiore all'espansione del bullone, dopo che la deformazione è stata coordinata, l'allungamento del bullone diminuisce, causando la diminuzione della forza del bullone. Se c'è qualche allentamento, potrebbe causare perdite nel giunto della flangia. Pertanto, quando la flangia dell'apparecchiatura ad alta temperatura e la flangia del tubo sono collegate, in particolare i coefficienti di dilatazione termica dei materiali della flangia e del bullone sono diversi, i coefficienti di espansione termica dei due materiali dovrebbero essere il più vicini possibile.
Si può vedere da (1) che la resistenza meccanica dell'acciaio inossidabile austenitico come 304 e 316 è bassa e la resistenza allo snervamento a temperatura ambiente di 304 è di soli 205 MPa e quella di 316 è di soli 210 MPa. Pertanto, al fine di migliorare la capacità anti-rilassamento e anti-fatica dei bulloni, vengono adottate misure per aumentare la forza del bullone dei bulloni di installazione. Ad esempio, quando la forza massima del bullone di installazione viene utilizzata nel forum di follow-up, è necessario che lo stress dei bulloni di installazione raggiunga il 70% della resistenza allo snervamento del materiale del bullone, in modo che il grado di resistenza del materiale del bullone debba essere migliorato e vengano utilizzati materiali per bulloni in acciaio legato ad alta o media resistenza. Ovviamente, fatta eccezione per la ghisa, le flange non metalliche o le guarnizioni in gomma, per le guarnizioni semimetalliche e metalliche con flange di grado di pressione più elevato o le guarnizioni con maggiore sollecitazione, i bulloni realizzati con materiali a bassa resistenza come 304 e 316, a causa della forza del bullone non sono sufficienti per soddisfare i requisiti di tenuta. Ciò che richiede particolare attenzione qui è che nello standard americano del materiale dei bulloni in acciaio inossidabile, 304 e 316 hanno due categorie, vale a dire B8 Cl.1 e B8 Cl.2 di 304 e B8M Cl.1 e B8M Cl.2 di 316. Cl.1 è una soluzione solida trattata con carburi, mentre Cl.2 subisce un trattamento di rafforzamento della deformazione oltre al trattamento con soluzione solida. Sebbene non vi sia alcuna differenza fondamentale nella resistenza chimica tra B8 Cl.2 e B8 Cl.1, la resistenza meccanica di B8 Cl.2 è notevolmente migliorata rispetto a B8 Cl.1, come B8 Cl.2 con un diametro di 3/4" La resistenza allo snervamento del materiale del bullone è 550MPa, mentre la resistenza allo snervamento del materiale del bullone B8 Cl.1 di tutti i diametri è solo 205MPa, La differenza tra i due è più del doppio. Gli standard nazionali del materiale del bullone 06Cr19Ni10 (304), 06Cr17Ni12Mo2 (316) e B8 Cl.1 sono equivalenti a B8M Cl.1. [Nota: il materiale del bullone S30408 in GB/T 150.3 "Pressure Vessel Part Three Design" è equivalente a B8 Cl.2; S31608 è equivalente a B8M Cl.1.
Alla luce dei motivi di cui sopra, GB/T 150.3 e GB/T38343 "Norme tecniche per l'installazione di giunti flangiati" stabiliscono che le flange delle attrezzature a pressione e i giunti flangiati dei tubi non sono raccomandati per utilizzare i soliti 304 (B8 Cl.1) e 316 (B8M Cl. . 1) I bulloni dei materiali, specialmente in condizioni di alta temperatura e cicli severi, devono essere sostituiti con B8 Cl.2 (S30408) e B8M Cl.2 per evitare una bassa forza dei bulloni di installazione.
Vale la pena notare che quando si utilizzano materiali per bulloni a bassa resistenza come 304 e 316, anche durante la fase di installazione, poiché la coppia non è controllata, il bullone potrebbe aver superato la resistenza allo snervamento del materiale o addirittura fratturato. Naturalmente, se si verifica una perdita durante la prova di pressione o l'inizio del funzionamento, anche se i bulloni continuano a essere serrati, la forza del bullone non aumenterà e la perdita non potrà essere fermata. Inoltre, questi bulloni non possono essere riutilizzati dopo essere stati smontati, perché i bulloni hanno subito una deformazione permanente e la dimensione della sezione trasversale dei bulloni è diventata più piccola e sono soggetti a rotture dopo la reinstallazione.
