14. listopadu 2022
Těsnění přírubového spoje - Proč se materiál 304 nedoporučuje pro šrouby?
Pokud jsou použity příruby z uhlíkové oceli nebo nerezové oceli se šrouby z materiálu 304 v těsnění přírubového spoje, během provozu často dochází k problémům s netěsností. Tato přednáška provede kvalitativní analýzu tohoto.
(1) Jaké jsou základní rozdíly mezi materiály 304, 304L, 316 a 316L?
304, 304L, 316 a 316L jsou třídy nerezové oceli běžně používané v přírubových spojích včetně přírub, těsnicích prvků a spojovacích prvků.
304, 304L, 316 a 316L jsou označení tříd nerezové oceli podle amerického standardu pro materiály (ANSI nebo ASTM), které patří do řady 300 austenitických nerezových ocelí. Třídy odpovídající domácím materiálovým normám (GB/T) jsou 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Tento typ nerezové oceli se obvykle souhrnně označuje jako nerezová ocel 18-8.
Viz tabulka 1, 304, 304L, 316 a 316L mají různé fyzikální, chemické a mechanické vlastnosti v důsledku přidání legujících prvků a jejich množství. Ve srovnání s běžnou nerezovou ocelí mají dobrou odolnost proti korozi, tepelnou odolnost a zpracovatelský výkon. Odolnost 304L proti korozi je podobná jako u 304, ale protože obsah uhlíku 304L je nižší než u 304, jeho odolnost vůči mezikrystalové korozi je silnější. 316 a 316L jsou nerezové oceli obsahující molybden. Díky přídavku molybdenu je jejich odolnost proti korozi a teplu lepší než u 304 a 304L. Stejně tak, protože obsah uhlíku v 316L je nižší než u 316, je jeho schopnost odolávat krystalové korozi lepší. Austenitické nerezové oceli jako 304, 304L, 316 a 316L mají nízkou mechanickou pevnost. Mez kluzu při pokojové teplotě 304 je 205 MPa, 304L je 170 MPa; mez kluzu při pokojové teplotě 316 je 210 MPa a 316L je 200 MPa. Proto šrouby z nich vyrobené patří ke šroubům s nízkou pevností.
Tabulka 1 Obsah uhlíku, % mez kluzu při pokojové teplotě, MPa Doporučená maximální provozní teplota, °C
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) Proč by přírubové spoje neměly používat šrouby z materiálů, jako jsou 304 a 316?
Jak již bylo zmíněno v předchozích přednáškách, přírubový spoj za prvé odděluje těsnicí plochy obou přírub v důsledku působení vnitřního tlaku, což má za následek odpovídající snížení napětí těsnění, a za druhé, relaxaci síly šroubu v důsledku relaxace tečení těsnění nebo tečení samotného šroubu při vysoké teplotě, také snižuje namáhání těsnění, takže přírubový spoj netěsní a selhává.
Ve skutečném provozu je uvolnění síly šroubu nevyhnutelné a počáteční síla utahovacího šroubu bude v průběhu času vždy klesat. Zejména u přírubových spojů za vysokých teplot a náročných podmínek cyklu po 10 000 hodinách provozu ztráta zatížení šroubu často přesáhne 50 % a bude se zmenšovat s pokračováním času a zvyšováním teploty.
Když jsou příruba a šroub vyrobeny z různých materiálů, zejména když je příruba vyrobena z uhlíkové oceli a šroub je vyroben z nerezové oceli, koeficient tepelné roztažnosti 2 materiálu šroubu a příruby je odlišný, například koeficient tepelné roztažnosti nerezové oceli při 50 °C (16,51×10-5 / °C) je větší než koeficient tepelné roztažnosti uhlíkové oceli (11,12×10-5 / °C). Po zahřátí zařízení, kdy je roztažení příruby menší než roztažení šroubu, po koordinaci deformace, se prodloužení šroubu sníží, což způsobí snížení síly šroubu. Pokud dojde k uvolnění, může dojít k netěsnostem v přírubovém spoji. Proto, když jsou připojeny příruba vysokoteplotního zařízení a příruba potrubí, zejména koeficienty tepelné roztažnosti materiálů příruby a šroubu jsou odlišné, koeficienty tepelné roztažnosti těchto dvou materiálů by měly být co nejblíže.
Z (1) je patrné, že mechanická pevnost austenitické nerezové oceli, jako jsou 304 a 316, je nízká a mez kluzu při pokojové teplotě 304 je pouze 205 MPa a 316 je pouze 210 MPa. Proto, aby se zlepšila antirelaxační a antiúnavová schopnost šroubů, jsou přijímána opatření ke zvýšení síly šroubů instalačních šroubů. Například, když je v následujícím fóru použita maximální síla instalačního šroubu, je požadováno, aby napětí instalačních šroubů dosáhlo 70 % meze kluzu materiálu šroubu, takže je třeba zlepšit stupeň pevnosti materiálu šroubu a použít vysokopevnostní nebo středně pevné materiály šroubů z legované oceli. Je zřejmé, že s výjimkou litiny, nekovových přírub nebo pryžových těsnění, pro polokovová a kovová těsnění s přírubami s vyšším tlakem nebo těsněními s větším namáháním, šrouby vyrobené z materiálů s nízkou pevností, jako jsou 304 a 316, v důsledku síly šroubu Nestačí splnit požadavky na těsnění.
Zde je třeba věnovat zvláštní pozornost tomu, že v americké normě pro materiál šroubů z nerezové oceli mají 304 a 316 dvě kategorie, 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 ošetřený karbidy, zatímco Cl.2 prochází kromě ošetření tuhým roztokem také zpracováním zesílením kmene. Ačkoli neexistuje žádný zásadní rozdíl v chemické odolnosti mezi B8 Cl.2 a B8 Cl.1, mechanická pevnost B8 Cl.2 je výrazně zlepšena ve srovnání s B8 Cl.1, jako je B8 Cl.2 o průměru 3/4" Mez kluzu materiálu šroubu je 550 MPa, zatímco mez kluzu materiálu šroubu B8 Cl.1 všech průměrů je pouze 205 MPa, Rozdíl mezi těmito dvěma je více než dvojnásobný. Domácí normy pro materiál šroubů 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) a B8 Cl.1 jsou ekvivalentní B8M Cl.1. [Poznámka: Materiál šroubu S30408 v GB/T 150.3 "Pressure Vessel Part Three" je ekvivalentní B8 Cl.2; S31608 je ekvivalentní B8M cl.1.
S ohledem na výše uvedené důvody GB/T 150.3 a GB/T38343 "Technické předpisy pro instalaci přírubových spojů" stanoví, že se u přírub tlakových zařízení a přírubových spojů potrubí nedoporučuje používat obvyklé 304 (B8 Cl.1) a 316 (B8M Cl. . 1) Šrouby z materiálů, zejména při vysokých teplotách a náročných cyklech, by měly být nahrazeny B8 Cl.2 (S30408) a B8M Cl.2, aby se zabránilo nízké montážní síle.
Stojí za zmínku, že při použití šroubových materiálů s nízkou pevností, jako jsou 304 a 316, a to i ve fázi instalace, protože točivý moment není řízen, mohl šroub překročit mez kluzu materiálu nebo dokonce prasknout. Samozřejmě, pokud dojde k netěsnosti během tlakové zkoušky nebo zahájení provozu, i když jsou šrouby nadále utahovány, síla šroubu se nezvýší a netěsnost nelze zastavit. Kromě toho nelze tyto šrouby po demontáži znovu použít, protože šrouby prošly trvalou deformací a velikost průřezu šroubů se zmenšila a po opětovné instalaci jsou náchylné k prasknutí.
(1) Jaké jsou základní rozdíly mezi materiály 304, 304L, 316 a 316L?
304, 304L, 316 a 316L jsou třídy nerezové oceli běžně používané v přírubových spojích včetně přírub, těsnicích prvků a spojovacích prvků.
304, 304L, 316 a 316L jsou označení tříd nerezové oceli podle amerického standardu pro materiály (ANSI nebo ASTM), které patří do řady 300 austenitických nerezových ocelí. Třídy odpovídající domácím materiálovým normám (GB/T) jsou 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Tento typ nerezové oceli se obvykle souhrnně označuje jako nerezová ocel 18-8.
Viz tabulka 1, 304, 304L, 316 a 316L mají různé fyzikální, chemické a mechanické vlastnosti v důsledku přidání legujících prvků a jejich množství. Ve srovnání s běžnou nerezovou ocelí mají dobrou odolnost proti korozi, tepelnou odolnost a zpracovatelský výkon. Odolnost 304L proti korozi je podobná jako u 304, ale protože obsah uhlíku 304L je nižší než u 304, jeho odolnost vůči mezikrystalové korozi je silnější. 316 a 316L jsou nerezové oceli obsahující molybden. Díky přídavku molybdenu je jejich odolnost proti korozi a teplu lepší než u 304 a 304L. Stejně tak, protože obsah uhlíku v 316L je nižší než u 316, je jeho schopnost odolávat krystalové korozi lepší. Austenitické nerezové oceli jako 304, 304L, 316 a 316L mají nízkou mechanickou pevnost. Mez kluzu při pokojové teplotě 304 je 205 MPa, 304L je 170 MPa; mez kluzu při pokojové teplotě 316 je 210 MPa a 316L je 200 MPa. Proto šrouby z nich vyrobené patří ke šroubům s nízkou pevností.
Tabulka 1 Obsah uhlíku, % mez kluzu při pokojové teplotě, MPa Doporučená maximální provozní teplota, °C
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) Proč by přírubové spoje neměly používat šrouby z materiálů, jako jsou 304 a 316?
Jak již bylo zmíněno v předchozích přednáškách, přírubový spoj za prvé odděluje těsnicí plochy obou přírub v důsledku působení vnitřního tlaku, což má za následek odpovídající snížení napětí těsnění, a za druhé, relaxaci síly šroubu v důsledku relaxace tečení těsnění nebo tečení samotného šroubu při vysoké teplotě, také snižuje namáhání těsnění, takže přírubový spoj netěsní a selhává.
Ve skutečném provozu je uvolnění síly šroubu nevyhnutelné a počáteční síla utahovacího šroubu bude v průběhu času vždy klesat. Zejména u přírubových spojů za vysokých teplot a náročných podmínek cyklu po 10 000 hodinách provozu ztráta zatížení šroubu často přesáhne 50 % a bude se zmenšovat s pokračováním času a zvyšováním teploty.
Když jsou příruba a šroub vyrobeny z různých materiálů, zejména když je příruba vyrobena z uhlíkové oceli a šroub je vyroben z nerezové oceli, koeficient tepelné roztažnosti 2 materiálu šroubu a příruby je odlišný, například koeficient tepelné roztažnosti nerezové oceli při 50 °C (16,51×10-5 / °C) je větší než koeficient tepelné roztažnosti uhlíkové oceli (11,12×10-5 / °C). Po zahřátí zařízení, kdy je roztažení příruby menší než roztažení šroubu, po koordinaci deformace, se prodloužení šroubu sníží, což způsobí snížení síly šroubu. Pokud dojde k uvolnění, může dojít k netěsnostem v přírubovém spoji. Proto, když jsou připojeny příruba vysokoteplotního zařízení a příruba potrubí, zejména koeficienty tepelné roztažnosti materiálů příruby a šroubu jsou odlišné, koeficienty tepelné roztažnosti těchto dvou materiálů by měly být co nejblíže.
Z (1) je patrné, že mechanická pevnost austenitické nerezové oceli, jako jsou 304 a 316, je nízká a mez kluzu při pokojové teplotě 304 je pouze 205 MPa a 316 je pouze 210 MPa. Proto, aby se zlepšila antirelaxační a antiúnavová schopnost šroubů, jsou přijímána opatření ke zvýšení síly šroubů instalačních šroubů. Například, když je v následujícím fóru použita maximální síla instalačního šroubu, je požadováno, aby napětí instalačních šroubů dosáhlo 70 % meze kluzu materiálu šroubu, takže je třeba zlepšit stupeň pevnosti materiálu šroubu a použít vysokopevnostní nebo středně pevné materiály šroubů z legované oceli. Je zřejmé, že s výjimkou litiny, nekovových přírub nebo pryžových těsnění, pro polokovová a kovová těsnění s přírubami s vyšším tlakem nebo těsněními s větším namáháním, šrouby vyrobené z materiálů s nízkou pevností, jako jsou 304 a 316, v důsledku síly šroubu Nestačí splnit požadavky na těsnění.
Zde je třeba věnovat zvláštní pozornost tomu, že v americké normě pro materiál šroubů z nerezové oceli mají 304 a 316 dvě kategorie, 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 ošetřený karbidy, zatímco Cl.2 prochází kromě ošetření tuhým roztokem také zpracováním zesílením kmene. Ačkoli neexistuje žádný zásadní rozdíl v chemické odolnosti mezi B8 Cl.2 a B8 Cl.1, mechanická pevnost B8 Cl.2 je výrazně zlepšena ve srovnání s B8 Cl.1, jako je B8 Cl.2 o průměru 3/4" Mez kluzu materiálu šroubu je 550 MPa, zatímco mez kluzu materiálu šroubu B8 Cl.1 všech průměrů je pouze 205 MPa, Rozdíl mezi těmito dvěma je více než dvojnásobný. Domácí normy pro materiál šroubů 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) a B8 Cl.1 jsou ekvivalentní B8M Cl.1. [Poznámka: Materiál šroubu S30408 v GB/T 150.3 "Pressure Vessel Part Three" je ekvivalentní B8 Cl.2; S31608 je ekvivalentní B8M cl.1.
S ohledem na výše uvedené důvody GB/T 150.3 a GB/T38343 "Technické předpisy pro instalaci přírubových spojů" stanoví, že se u přírub tlakových zařízení a přírubových spojů potrubí nedoporučuje používat obvyklé 304 (B8 Cl.1) a 316 (B8M Cl. . 1) Šrouby z materiálů, zejména při vysokých teplotách a náročných cyklech, by měly být nahrazeny B8 Cl.2 (S30408) a B8M Cl.2, aby se zabránilo nízké montážní síle.
Stojí za zmínku, že při použití šroubových materiálů s nízkou pevností, jako jsou 304 a 316, a to i ve fázi instalace, protože točivý moment není řízen, mohl šroub překročit mez kluzu materiálu nebo dokonce prasknout. Samozřejmě, pokud dojde k netěsnosti během tlakové zkoušky nebo zahájení provozu, i když jsou šrouby nadále utahovány, síla šroubu se nezvýší a netěsnost nelze zastavit. Kromě toho nelze tyto šrouby po demontáži znovu použít, protože šrouby prošly trvalou deformací a velikost průřezu šroubů se zmenšila a po opětovné instalaci jsou náchylné k prasknutí.