Listopada 14 2022
Uszczelnianie połączeń kołnierzowych - Dlaczego materiał 304 nie jest zalecany do?
Gdy kołnierze ze stali węglowej lub stali nierdzewnej są używane ze z materiału 304 w uszczelnianiu połączeń kołnierzowych, podczas pracy często występują problemy z wyciekami. W tym wykładzie dokonamy jakościowej analizy tego zagadnienia.
(1) Jakie są podstawowe różnice między materiałami 304, 304L, 316 i 316L?
304, 304L, 316 i 316L to gatunki stali nierdzewnej powszechnie stosowane w połączeniach kołnierzowych, w tym kołnierzach, elementach uszczelniających i elementach złącznych.
304, 304L, 316 i 316L to oznaczenia gatunków stali nierdzewnej Amerykańskiej Normy Materiałów (ANSI lub ASTM), które należą do serii 300 austenitycznych stali nierdzewnych. Gatunki odpowiadające krajowym normom materiałowym (GB/T) to 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Ten rodzaj stali nierdzewnej jest zwykle określany zbiorczo jako stal nierdzewna 18-8.
Patrz tabela 1, 304, 304L, 316 i 316L mają różne właściwości fizyczne, chemiczne i mechaniczne ze względu na dodatek pierwiastków stopowych i ilości. W porównaniu ze zwykłą stalą nierdzewną mają dobrą odporność na korozję, odporność na ciepło i wydajność przetwarzania. Odporność na korozję 304L jest podobna do 304, ale ponieważ zawartość węgla w 304L jest niższa niż w 304, jego odporność na korozję międzykrystaliczną jest silniejsza. 316 i 316L to stale nierdzewne zawierające molibden. Dzięki dodatkowi molibdenu ich odporność na korozję i odporność na ciepło są lepsze niż w przypadku 304 i 304L. W ten sam sposób, ponieważ zawartość węgla w 316L jest niższa niż w 316, jego odporność na korozję krystaliczną jest lepsza. Austenityczne stale nierdzewne, takie jak 304, 304L, 316 i 316L, mają niską wytrzymałość mechaniczną. Granica plastyczności w temperaturze pokojowej 304 wynosi 205 MPa, 304 l wynosi 170 MPa; granica plastyczności w temperaturze pokojowej 316 wynosi 210 MPa, a 316L wynosi 200 MPa. Dlatego wykonane z nich należą do o niskiej wytrzymałości.
Tabela 1 Zawartość węgla, % Granica plastyczności w temperaturze pokojowej, MPa Zalecana maksymalna temperatura pracy, °C
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0,03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0,03 200 538
(2) Dlaczego w połączeniach kołnierzowych nie należy stosować z materiałów takich jak 304 i 316?
Jak wspomniano w poprzednich wykładach, złącze kołnierzowe po pierwsze oddziela powierzchnie uszczelniające dwóch kołnierzy w wyniku działania ciśnienia wewnętrznego, co powoduje odpowiedni spadek naprężeń uszczelki, a po drugie, rozluźnienie siły spowodowane relaksacją pełzania uszczelki lub pełzaniem samej w wysokiej temperaturze, Zmniejsza również naprężenia uszczelki, dzięki czemu połączenie kołnierzowe przecieka i ulega uszkodzeniu.
W rzeczywistości rozluźnienie siły jest nieuniknione, a początkowa siła dokręcania zawsze będzie spadać z czasem. Szczególnie w przypadku połączeń kołnierzowych w wysokich temperaturach i trudnych warunkach cyklu, po 10 000 godzin pracy utrata obciążenia często przekracza 50% i słabnie wraz z upływem czasu i wzrostem temperatury.
Gdy kołnierz i śruba są wykonane z różnych materiałów, zwłaszcza gdy kołnierz jest wykonany ze stali węglowej, a śruba jest wykonana ze stali nierdzewnej, współczynnik rozszerzalności cieplnej 2 materiału i kołnierza jest różny, na przykład współczynnik rozszerzalności cieplnej stali nierdzewnej w temperaturze 50 °C (16,51×10-5 / °C) jest większy niż współczynnik rozszerzalności cieplnej stali węglowej (11,12×10-5/°C). Po rozgrzaniu urządzenia, gdy rozszerzanie się kołnierza jest mniejsze niż rozszerzanie się, po skoordynowaniu odkształcenia wydłużenie maleje, powodując zmniejszenie siły. Jeśli wystąpią jakiekolwiek luzy, może to spowodować nieszczelność w złączu kołnierzowym. Dlatego, gdy kołnierz urządzenia wysokotemperaturowego i kołnierz rurowy są połączone, zwłaszcza współczynniki rozszerzalności cieplnej materiałów kołnierza i są różne, współczynniki rozszerzalności cieplnej obu materiałów powinny być jak najbardziej zbliżone.
Z (1) wynika, że wytrzymałość mechaniczna austenitycznej stali nierdzewnej, takiej jak 304 i 316, jest niska, a granica plastyczności w temperaturze pokojowej 304 wynosi tylko 205 MPa, a 316 tylko 210 MPa. Dlatego w celu poprawy zdolności antyrelaksacyjnych i przeciwzmęczeniowych podejmuje się działania mające na celu zwiększenie siły montażowych. Na przykład, gdy na forum następczym stosowana jest maksymalna siła montażowej, wymagane jest, aby naprężenie montażowych osiągnęło 70% granicy plastyczności materiału, tak aby należy poprawić klasę wytrzymałości materiału i zastosować materiały ze stali stopowej o wysokiej lub średniej wytrzymałości. Oczywiście, z wyjątkiem żeliwnych, niemetalowych kołnierzy lub uszczelek gumowych, dla uszczelek półmetalicznych i metalowych z kołnierzami o wyższym stopniu ciśnienia lub uszczelkami o większym naprężeniu, wykonane z materiałów o niskiej wytrzymałości, takich jak 304 i 316, ze względu na siłę Niewystarczająco, aby spełnić wymagania dotyczące uszczelnienia.
Na szczególną uwagę zasługuje tutaj fakt, że w amerykańskiej normie materiałowej ze stali nierdzewnej 304 i 316 mają dwie kategorie, a mianowicie B8 Cl.1 i B8 Cl.2 z 304 oraz B8M Cl.1 i B8M Cl.2 z 316. Cl.1 jest roztworem stałym poddanym działaniu węglików, podczas gdy Cl.2 jest poddawany obróbce wzmacniającej odkształcenia oprócz obróbki roztworem stałym. Chociaż nie ma zasadniczej różnicy w odporności chemicznej między B8 Cl.2 i B8 Cl.1, wytrzymałość mechaniczna B8 Cl.2 jest znacznie lepsza w stosunku do B8 Cl.1, takich jak B8 Cl.2 o średnicy 3/4" Granica plastyczności materiału wynosi 550 MPa, podczas gdy granica plastyczności materiału B8 Cl.1 o wszystkich średnicach wynosi tylko 205 MPa, Różnica między nimi jest ponad dwukrotna. Krajowe normy dotyczące materiałów 06Cr19Ni10 (304), 06Cr17Ni12Mo2 (316) i B8 Cl.1 są odpowiednikami B8M Cl.1. [Uwaga: Materiał S30408 w GB / T 150.3 "Konstrukcja części trzeciej zbiornika ciśnieniowego" jest odpowiednikiem B8 Cl.2; S31608 jest odpowiednikiem B8M Cl.1.
W związku z powyższymi przyczynami GB/T 150.3 i GB/T38343 "Przepisy techniczne dotyczące montażu połączeń kołnierzowych" stanowią, że nie zaleca się stosowania kołnierzy urządzeń ciśnieniowych i rurowych połączeń kołnierzowych ze zwykłymi 304 (B8 kl.1) i 316 (B8M kl. . 1) materiałów, szczególnie w wysokich temperaturach i trudnych warunkach cyklu, należy wymienić na B8 Cl.2 (S30408) i B8M Cl.2, aby uniknąć małej siły montażowej.
Warto zauważyć, że w przypadku stosowania o niskiej wytrzymałości, takich jak 304 i 316, nawet na etapie montażu, ponieważ moment obrotowy nie jest kontrolowany, śruba mogła przekroczyć granicę plastyczności materiału, a nawet pęknąć. Oczywiście, jeśli wyciek nastąpi podczas próby ciśnieniowej lub rozpoczęcia pracy, nawet jeśli będą nadal dokręcane, siła nie wzrośnie i wycieku nie będzie można zatrzymać. Ponadto te nie mogą być ponownie użyte po demontażu, ponieważ uległy trwałemu odkształceniu, a rozmiar przekroju stał się mniejszy, a po ponownym zamontowaniu są one podatne na pękanie.
(1) Jakie są podstawowe różnice między materiałami 304, 304L, 316 i 316L?
304, 304L, 316 i 316L to gatunki stali nierdzewnej powszechnie stosowane w połączeniach kołnierzowych, w tym kołnierzach, elementach uszczelniających i elementach złącznych.
304, 304L, 316 i 316L to oznaczenia gatunków stali nierdzewnej Amerykańskiej Normy Materiałów (ANSI lub ASTM), które należą do serii 300 austenitycznych stali nierdzewnych. Gatunki odpowiadające krajowym normom materiałowym (GB/T) to 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Ten rodzaj stali nierdzewnej jest zwykle określany zbiorczo jako stal nierdzewna 18-8.
Patrz tabela 1, 304, 304L, 316 i 316L mają różne właściwości fizyczne, chemiczne i mechaniczne ze względu na dodatek pierwiastków stopowych i ilości. W porównaniu ze zwykłą stalą nierdzewną mają dobrą odporność na korozję, odporność na ciepło i wydajność przetwarzania. Odporność na korozję 304L jest podobna do 304, ale ponieważ zawartość węgla w 304L jest niższa niż w 304, jego odporność na korozję międzykrystaliczną jest silniejsza. 316 i 316L to stale nierdzewne zawierające molibden. Dzięki dodatkowi molibdenu ich odporność na korozję i odporność na ciepło są lepsze niż w przypadku 304 i 304L. W ten sam sposób, ponieważ zawartość węgla w 316L jest niższa niż w 316, jego odporność na korozję krystaliczną jest lepsza. Austenityczne stale nierdzewne, takie jak 304, 304L, 316 i 316L, mają niską wytrzymałość mechaniczną. Granica plastyczności w temperaturze pokojowej 304 wynosi 205 MPa, 304 l wynosi 170 MPa; granica plastyczności w temperaturze pokojowej 316 wynosi 210 MPa, a 316L wynosi 200 MPa. Dlatego wykonane z nich należą do o niskiej wytrzymałości.
Tabela 1 Zawartość węgla, % Granica plastyczności w temperaturze pokojowej, MPa Zalecana maksymalna temperatura pracy, °C
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0,03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0,03 200 538
(2) Dlaczego w połączeniach kołnierzowych nie należy stosować z materiałów takich jak 304 i 316?
Jak wspomniano w poprzednich wykładach, złącze kołnierzowe po pierwsze oddziela powierzchnie uszczelniające dwóch kołnierzy w wyniku działania ciśnienia wewnętrznego, co powoduje odpowiedni spadek naprężeń uszczelki, a po drugie, rozluźnienie siły spowodowane relaksacją pełzania uszczelki lub pełzaniem samej w wysokiej temperaturze, Zmniejsza również naprężenia uszczelki, dzięki czemu połączenie kołnierzowe przecieka i ulega uszkodzeniu.
W rzeczywistości rozluźnienie siły jest nieuniknione, a początkowa siła dokręcania zawsze będzie spadać z czasem. Szczególnie w przypadku połączeń kołnierzowych w wysokich temperaturach i trudnych warunkach cyklu, po 10 000 godzin pracy utrata obciążenia często przekracza 50% i słabnie wraz z upływem czasu i wzrostem temperatury.
Gdy kołnierz i śruba są wykonane z różnych materiałów, zwłaszcza gdy kołnierz jest wykonany ze stali węglowej, a śruba jest wykonana ze stali nierdzewnej, współczynnik rozszerzalności cieplnej 2 materiału i kołnierza jest różny, na przykład współczynnik rozszerzalności cieplnej stali nierdzewnej w temperaturze 50 °C (16,51×10-5 / °C) jest większy niż współczynnik rozszerzalności cieplnej stali węglowej (11,12×10-5/°C). Po rozgrzaniu urządzenia, gdy rozszerzanie się kołnierza jest mniejsze niż rozszerzanie się, po skoordynowaniu odkształcenia wydłużenie maleje, powodując zmniejszenie siły. Jeśli wystąpią jakiekolwiek luzy, może to spowodować nieszczelność w złączu kołnierzowym. Dlatego, gdy kołnierz urządzenia wysokotemperaturowego i kołnierz rurowy są połączone, zwłaszcza współczynniki rozszerzalności cieplnej materiałów kołnierza i są różne, współczynniki rozszerzalności cieplnej obu materiałów powinny być jak najbardziej zbliżone.
Z (1) wynika, że wytrzymałość mechaniczna austenitycznej stali nierdzewnej, takiej jak 304 i 316, jest niska, a granica plastyczności w temperaturze pokojowej 304 wynosi tylko 205 MPa, a 316 tylko 210 MPa. Dlatego w celu poprawy zdolności antyrelaksacyjnych i przeciwzmęczeniowych podejmuje się działania mające na celu zwiększenie siły montażowych. Na przykład, gdy na forum następczym stosowana jest maksymalna siła montażowej, wymagane jest, aby naprężenie montażowych osiągnęło 70% granicy plastyczności materiału, tak aby należy poprawić klasę wytrzymałości materiału i zastosować materiały ze stali stopowej o wysokiej lub średniej wytrzymałości. Oczywiście, z wyjątkiem żeliwnych, niemetalowych kołnierzy lub uszczelek gumowych, dla uszczelek półmetalicznych i metalowych z kołnierzami o wyższym stopniu ciśnienia lub uszczelkami o większym naprężeniu, wykonane z materiałów o niskiej wytrzymałości, takich jak 304 i 316, ze względu na siłę Niewystarczająco, aby spełnić wymagania dotyczące uszczelnienia.
Na szczególną uwagę zasługuje tutaj fakt, że w amerykańskiej normie materiałowej ze stali nierdzewnej 304 i 316 mają dwie kategorie, a mianowicie B8 Cl.1 i B8 Cl.2 z 304 oraz B8M Cl.1 i B8M Cl.2 z 316. Cl.1 jest roztworem stałym poddanym działaniu węglików, podczas gdy Cl.2 jest poddawany obróbce wzmacniającej odkształcenia oprócz obróbki roztworem stałym. Chociaż nie ma zasadniczej różnicy w odporności chemicznej między B8 Cl.2 i B8 Cl.1, wytrzymałość mechaniczna B8 Cl.2 jest znacznie lepsza w stosunku do B8 Cl.1, takich jak B8 Cl.2 o średnicy 3/4" Granica plastyczności materiału wynosi 550 MPa, podczas gdy granica plastyczności materiału B8 Cl.1 o wszystkich średnicach wynosi tylko 205 MPa, Różnica między nimi jest ponad dwukrotna. Krajowe normy dotyczące materiałów 06Cr19Ni10 (304), 06Cr17Ni12Mo2 (316) i B8 Cl.1 są odpowiednikami B8M Cl.1. [Uwaga: Materiał S30408 w GB / T 150.3 "Konstrukcja części trzeciej zbiornika ciśnieniowego" jest odpowiednikiem B8 Cl.2; S31608 jest odpowiednikiem B8M Cl.1.
W związku z powyższymi przyczynami GB/T 150.3 i GB/T38343 "Przepisy techniczne dotyczące montażu połączeń kołnierzowych" stanowią, że nie zaleca się stosowania kołnierzy urządzeń ciśnieniowych i rurowych połączeń kołnierzowych ze zwykłymi 304 (B8 kl.1) i 316 (B8M kl. . 1) materiałów, szczególnie w wysokich temperaturach i trudnych warunkach cyklu, należy wymienić na B8 Cl.2 (S30408) i B8M Cl.2, aby uniknąć małej siły montażowej.
Warto zauważyć, że w przypadku stosowania o niskiej wytrzymałości, takich jak 304 i 316, nawet na etapie montażu, ponieważ moment obrotowy nie jest kontrolowany, śruba mogła przekroczyć granicę plastyczności materiału, a nawet pęknąć. Oczywiście, jeśli wyciek nastąpi podczas próby ciśnieniowej lub rozpoczęcia pracy, nawet jeśli będą nadal dokręcane, siła nie wzrośnie i wycieku nie będzie można zatrzymać. Ponadto te nie mogą być ponownie użyte po demontażu, ponieważ uległy trwałemu odkształceniu, a rozmiar przekroju stał się mniejszy, a po ponownym zamontowaniu są one podatne na pękanie.